朱興偉

(安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)部 ，安徽 合肥 230601)

智能移動心電檢測系統(tǒng)研究

朱興偉

(安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)部 ，安徽 合肥 230601)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了以Android智能手機為移動終端，SSH框架為遠(yuǎn)程健康云平臺的智能醫(yī)療系統(tǒng).系統(tǒng)通過智能手機收集心電數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程健康云平臺.數(shù)據(jù)經(jīng)過云平臺的分析和處理后，返回智能手機，初步實現(xiàn)診斷和實時監(jiān)控患者身體情況的功能.

Android；云平臺；SSH框架；心電圖

引言

隨著我國老齡化的加劇，患有慢性病的人也越來越多，這大大的影響了他們正常的生活，慢性病的特點使得他們需要時刻的關(guān)注自己的身體情況.智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)的大力發(fā)展，使慢性病患者時刻了解自己的身體情況成為可能.基于以上背景，本文設(shè)計并實現(xiàn)了智能移動心電檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能監(jiān)護(hù)終端，移動監(jiān)護(hù)終端和健康云平臺三大部分組成，融合了先進(jìn)的醫(yī)療檢測技術(shù)，以及無線通訊等移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為移動家庭醫(yī)療檢測系統(tǒng)提供了切實可行的方案.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括智能心電監(jiān)護(hù)終端，基于藍(lán)牙的移動監(jiān)測終端，健康云平臺三個部分.其架構(gòu)圖如圖1所示.

智能心電監(jiān)護(hù)終端與智能手機通過藍(lán)牙連接，健康云平臺通過WIFI或者GPRS技術(shù)與智能手機連接.系統(tǒng)的主要工作流程為[1]：

智能心電監(jiān)護(hù)終端對人體心電進(jìn)行測量，然后通過藍(lán)牙將心電數(shù)據(jù)傳輸給智能手機；智能手機接收到心電數(shù)據(jù)后，存儲數(shù)據(jù)，客戶端能夠?qū)崟r顯示心電圖圖像，追蹤心電圖圖像的變化規(guī)律，根據(jù)用戶的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的智能診斷，并將心電數(shù)據(jù)通過GPRS或者WIFI傳輸給健康云平臺；健康云平臺獲取到智能手機傳輸?shù)男碾姅?shù)據(jù)，在用戶個人空間存儲數(shù)據(jù)，自動同步用戶心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲煌囊苿咏K端，用戶可分享自己的健康信息給自己的朋友或者醫(yī)生.

2 心電信號處理方法研究

2.1 心電信號的特征參數(shù)

心電圖是記錄心臟組織電壓變化的圖形，正常的心電圖是由一組順序發(fā)生的波形組成的，分別是P波、QRS波群、T波以及U波.圖2所示的為包含特征參數(shù)的心電圖[2].

P波反映的是左右心房除極時的電位變化，P波的方向可以是單向和雙向的，P波的幅度和寬度以及P波的持續(xù)時間與PR間期的比值等數(shù)據(jù)可以作為判斷心肌梗塞、心房擴張等疾病的依據(jù).QRS波群是在心動周期中連續(xù)出現(xiàn)的三個波：Q波、R波、S波，合成QRS波群.QRS波的周期一般是指在0.06～0.11s之間，在不同的心電圖中，其波形也是千變?nèi)f化的，在波群中不一定只有Q、R、S波，也可能包含其它的波形[3].T波反映心室復(fù)極時的電位變化，T波一般是光滑的，若T雙支對稱，頂端或低端尖銳，成為“冠狀T”，反映心肌缺血；若出現(xiàn)明顯的切跡或雙峰，反映長QT綜合癥；若T波電壓及極性發(fā)生交替性變化，反映心肌電生理狀態(tài)不穩(wěn)定，有發(fā)生惡性心律失常的危險.U波位于T波之后，下一個P波之前，呈現(xiàn)圓鈍的單向波，振幅很??；若U波倒置，反映了可能心肌缺血；若U波振幅增高，則患者很可能患有低鉀血癥.

圖2 包含特征參數(shù)的心電圖

2.2 心電圖特征提取方法

現(xiàn)階段，常用的心電圖智能診斷的方法是局域變換算法和小波分析信號處理技術(shù).對比二者，局域變換算法的效率更高，對精度的要求也更高，而且計算速度較快，更加符合于本系統(tǒng)中對提取心電特征的要求.局域變換算法是通過選取提取特征點附近的子段，在子段的兩端做一條直線，然后取信號子段與直線之間的差值的絕對值，最后選取這些絕對值中最大的值就是所要的特征點[4].其主要步驟為：

選取一個子段x(n)，設(shè)子段兩端為no與ne；在no與ne之間，做一條直線，求出直線方程y(n)

(1)

求出y(n)，則變換方程為

D(n)=|y(n)-x(n)|

(2)

特征點的位置，就是D(n)的最大值所在的位置.

3 Android客戶端設(shè)計

本系統(tǒng)智能手機監(jiān)護(hù)終端框圖如圖3所示，主要分為三大模塊，分別是數(shù)據(jù)采集、通信控制和心電圖智能診斷模塊.

圖3 智能手機監(jiān)護(hù)終端功能模塊框圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲模塊屬于數(shù)據(jù)采集模塊，其中數(shù)據(jù)顯示模塊包括心電圖顯示模塊、個人信息管理模塊和異常信息預(yù)警模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊主要通過安卓系統(tǒng)提供的SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲.二者構(gòu)建在系統(tǒng)的應(yīng)用層，為監(jiān)護(hù)終端的各個子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和顯示功能.

心電圖顯示模塊能夠?qū)崟r顯示用戶測量的心電圖，客戶端從用戶身體上采集的心電數(shù)據(jù)繪制成心電圖，并實時顯示，用戶還可以查詢歷史數(shù)據(jù)，以及從云端獲取歷史心電圖的變化趨勢，用戶可通過這個變化趨勢判斷自己是否患有高血壓、糖尿病等疾病[5].

個人信息管理模塊包括用戶注冊、用戶登錄和用戶信息刪改功能，用戶通過此功能輸入個人信息，并通過網(wǎng)絡(luò)同步到健康云平臺中，建立自己的醫(yī)療檔案.

生理異常信息預(yù)警模塊是為保證用戶健康水平而建立的，當(dāng)用戶的心電數(shù)據(jù)，如心電圖P波的波形、波段和間期超出了醫(yī)學(xué)規(guī)定的正常值范圍，手機就會給用戶及用戶的家人發(fā)送預(yù)警信息，并連接健康云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程救助及當(dāng)前位置信息定位，使用戶能夠以最快的速度得到救治.

3.2 通信控制模塊

Android系統(tǒng)中4.3版本以上提供了對藍(lán)牙4.0的支持，藍(lán)牙4.0協(xié)議有兩種模式，BLE與BR/EDR模式，本系統(tǒng)采用BLE模式連接，這種模式具有快速連接，超低待機功能，超低收發(fā)功耗的特點，適合應(yīng)用在可穿戴設(shè)備中.在Android系統(tǒng)中，實現(xiàn)藍(lán)牙4.0的BLE連接模式需要先聲明BLUETOOTH，BLUETOOTH_ADMIN權(quán)限以及BLE feature模式權(quán)限.然后通過程序調(diào)用BluetoothAdapter的startLeScan()方法搜索設(shè)備，將搜索到的藍(lán)牙設(shè)備在回調(diào)函數(shù)接口實現(xiàn)中返回.然后調(diào)用BluetoothDevice的connectGatt()方法連接藍(lán)牙設(shè)備，在回調(diào)函數(shù)中，通過BluetoothGatt.discoverServices查找藍(lán)牙設(shè)備的服務(wù)，并通過BluetoothBLEInputStream類和BluetoothBLEOutputStream類操作完成智能心電監(jiān)護(hù)終端與安卓手機的數(shù)據(jù)傳輸功能.

在本系統(tǒng)中，智能手機與健康云平臺的通信方式主要可以通過WIFI技術(shù)和GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，Android系統(tǒng)對GPRS技術(shù)和WIFI技術(shù)都有很好的封裝，只要直接調(diào)用其相應(yīng)的API就可以開啟GPRS或WIFI的功能，客戶端與健康云平臺通過TCP/IP協(xié)議通信，通過數(shù)據(jù)剝離，解析接收到的數(shù)據(jù).Android系統(tǒng)對于TCP/IP的開發(fā)復(fù)用JAVA編程的Socket接口，通信過程如圖4所示.

健康云平臺處于監(jiān)聽的狀態(tài)，時刻等待客戶端的連接申請.當(dāng)客戶端發(fā)出連接申請時，健康云平臺鏈接套接字，若檢測到的端口號和套接字地址都正確，那么云平臺作出響應(yīng)，從而在客戶端與健康云平臺之間建立起一個連接，這時二者之間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，健康云平臺的網(wǎng)絡(luò)通信流程圖如圖5所示.

圖4 客戶端網(wǎng)絡(luò)通信流程圖 圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

3.3 心電圖智能診斷模塊

心電圖由P波、QRS波群、T波以及U波組成，提取到它們的特征參數(shù)，就可以對心電圖進(jìn)行診斷.醫(yī)生在對心電圖作臨床診斷時，一般是先看心率，如果節(jié)律規(guī)則，再看竇性心拍，并進(jìn)一步判斷QRS波的形態(tài)細(xì)節(jié)，部分常見心臟疾病的心率和心拍特點如表1所示：

表1 常見心臟疾病的心率和心拍特點

由表1可以得出，通過PR 間期和QRS間期可以對心電圖進(jìn)行診斷.首先通過局域變換算法得到PR間期，計算出心率，通過心率分類心臟狀態(tài)，然后計算出QRS間期，得出心電圖的癥狀.診斷流程圖如圖6所示.

圖6 心電智能診斷流程圖

4 健康云平臺的構(gòu)建與實現(xiàn)

健康云平臺使用了JAVA輕量級企業(yè)框架SSH框架(Struts+Hibernate+Spring)，SSH框架將系統(tǒng)分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層，將視圖、數(shù)據(jù)和監(jiān)控互相分離，這樣做的好處是在修改任何一層時，不會影響其它層次的業(yè)務(wù)邏輯，便于后期的維護(hù)和開發(fā)，降低了開發(fā)時間和成本. 圖7為SSH框架的體系架構(gòu)圖[6].

圖7 SSH框架體系架構(gòu)

本系統(tǒng)將健康云平臺分為三大模塊，分別是用戶信息管理模塊、生理信息管理模塊和電子病歷模塊.其功能框圖如圖8所示，用戶信息管理模塊負(fù)責(zé)對用戶信息和個人情況的存儲；生理信息管理模塊負(fù)責(zé)對心電圖數(shù)據(jù)的存儲和智能診斷；電子病歷模塊負(fù)責(zé)建立用戶的心電檢測報告和電子病歷.

圖8 系統(tǒng)功能模塊

圖9為用戶信息管理模塊界面，用戶可以在此模塊進(jìn)行修改個人信息，上傳影像病歷等操作.通過用戶輸入的個人詳細(xì)信息，系統(tǒng)會為用戶創(chuàng)建個性化的電子病歷等信息.

圖9 個人信息修改界面

心電數(shù)據(jù)管理模塊由數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、智能診斷、數(shù)據(jù)趨勢圖等模塊組成，客戶端將心電數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，經(jīng)數(shù)據(jù)管理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并處理后，診斷模塊和數(shù)據(jù)趨勢圖模塊即可根據(jù)數(shù)據(jù)生成診斷結(jié)果和趨勢表，用戶即可了解到自己的身體狀況，圖10為某用戶的血壓趨勢表.

圖10 某用戶血壓趨勢表

電子病歷模塊是為了給用戶建立健康檔案，以使用戶能隨時查看自己某一時期的身體情況，電子病歷中包含用戶的基本信息、每一次的體檢信息、以及檢查和化驗的結(jié)果等.電子病歷需由用戶自行填寫并上傳或刪除，也可將自己在醫(yī)院就診時的用藥、身體狀況上傳或刪除，提交后醫(yī)生即可通過電子病歷了解用戶的身體狀況和就診情況，圖11為電子病歷界面.

圖11 電子病歷圖

5 系統(tǒng)測試與分析

Android手機可以顯示通過便攜式心電采集模塊實際測得某用戶的心電數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件軟件濾波處理并提取心電圖特征點后，系統(tǒng)能夠?qū)μ卣鼽c進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)注并顯示，如圖12所示，手機界面通過特征點，可以得到心率、P波寬度、PR間期等主要參數(shù)，并能進(jìn)行一些基本診斷.

圖12 特征點檢測及智能診斷

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Research on Intelligent Mobile ECG Detection System

ZHU Xing-wei

(Department of Foundation Education, Anhui Medical College, Hefei Anhui 230601, China)

This paper designs and implements a smart medical system based on Android system as mobile terminal and SSH framework as remote health cloud platform. The system collects ECG data through smart phone and forwards data to remote health cloud platform. After the analysis and processing of cloud platform, the data returns to smart phones to achieve a preliminary function of diagnosis and real-time monitoring of the patient’s physical condition.

Android；cloud data platform；SSH framework；ECG

1673-2103(2017)02-0088-07

2016-10-25

朱興偉(1982-)，男，安徽潛山人，碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程與醫(yī)療器械研究.

R194.2;TP274

A