王 煒,趙開源,陳 宏
(蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730000)
便攜家庭式遠(yuǎn)程定位ECG監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
王 煒*,趙開源,陳 宏
(蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730000)
針對遠(yuǎn)程定位ECG監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的需求,設(shè)計了一套家庭式心電實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺與移動預(yù)警端,遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺采用LabView編寫了ECG波形顯示與回放程序,并利用自主開發(fā)的心電采集設(shè)備實現(xiàn)了心電分析與監(jiān)測預(yù)警等功能。移動預(yù)警端將ECG采集模塊與Android手機(jī)相結(jié)合,實現(xiàn)了ECG信號的實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程定位等功能。實測結(jié)果表明,系統(tǒng)準(zhǔn)確率在94%以上,攜帶方便,在出現(xiàn)心率紊亂等癥狀時,可及時發(fā)送報警信息,幫助患者得到醫(yī)療救助。
心電信號;遠(yuǎn)程定位;預(yù)警;實時監(jiān)控;便攜式
心血管病已成為人類健康的第一大殺手,發(fā)病率與致死率不斷增高,在中國居民全因死亡構(gòu)成中,心臟心血管病居各疾病之首,農(nóng)村為44.60%,城市為42.51%[1]。由于其具有突發(fā)性、瞬時性和致命性的特點(diǎn),要及時早期防治心臟病就必須對患者進(jìn)行長時間的心電信號監(jiān)測,對心率紊亂進(jìn)行預(yù)警。再一方面,中國老年人口高齡化及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速,心血管病危險因素流行趨勢將更加明顯,今后10年心血管患病人數(shù)仍將快速增長[1],所以一款家庭式心電監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用是目前迫切需要開發(fā)的重要領(lǐng)域。
目前市場上現(xiàn)有的心電儀大致分為兩類:一類是采用個人電腦對心電信號進(jìn)行顯示與分析的監(jiān)測儀,這類心電儀體積較大、攜帶不便,不易對患者進(jìn)行實時監(jiān)控。另一類是采用專業(yè)的心電采集芯片,利用藍(lán)牙、GPS、紅外等進(jìn)行手機(jī)通訊的便攜式心電儀,此類心電儀具有體積小、易攜帶等特點(diǎn),但其功能型單一,缺乏定位信息、實時求助等功能[2-3]。此外市場上大多數(shù)心電儀缺少自動預(yù)判與實時報警功能,患者大多數(shù)需要手動求助,若患者突發(fā)疾病無法進(jìn)行自救時,患者的生命安全將不會得到保證。
針對上述心電監(jiān)測系統(tǒng)存在問題與不足,設(shè)計了一套具有遠(yuǎn)程定位報警功能的便攜式心電信號監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),分別部署到了PC端和Android智能手機(jī)移動端[4]。其中PC端作為遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺,用于醫(yī)院監(jiān)測患者心臟病情,在接收到患者心電數(shù)據(jù)時能第一時間觀察到患者心電波形。手機(jī)移動端作為移動預(yù)警端,用于實時采集患者心電信息,在出現(xiàn)心率紊亂時系統(tǒng)自動定位出患者所在位置[5],并通過E-mail將患者位置信息與發(fā)病時的心電數(shù)據(jù)同時發(fā)送給求助手機(jī)端與遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺,達(dá)到雙重報警的效果?;颊咭部墒謩颖4姘l(fā)送心電數(shù)據(jù)方便患者更加全面的了解自身心臟狀況。
系統(tǒng)為患者提供一款容易操作且成本低廉的健康心電設(shè)備,實現(xiàn)了家居環(huán)境下的心電監(jiān)測,可實時監(jiān)測患者病情,讓患者能隨時得知自身心電狀況并及時作出反應(yīng),對設(shè)計家庭醫(yī)院外心電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)有重要的應(yīng)用價值。
系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺與移動預(yù)警端兩部分組成,其中遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺由自主開發(fā)的心電采集模塊與使用LabView編寫的心電顯示分析模塊組成,心電采集模塊主要實現(xiàn)了心電信號的放大采集、電平抬升、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能,便于顯示分析模塊進(jìn)行心電信號分析。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺心電顯示分析模塊實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)信號顯示、回放預(yù)警心電波形等功能,其主要用于醫(yī)院監(jiān)測患者心臟病情,在接收到患者心電數(shù)據(jù)時能第一時間觀察到患者心電波形,方便醫(yī)院更加全面的了解患者心電狀況。
移動預(yù)警端將BMD101芯片控制下的心電采集模塊與Android智能手機(jī)相結(jié)合,開發(fā)出了一款可以實現(xiàn)心電監(jiān)控、遠(yuǎn)程患者定位、心率紊亂預(yù)警等功能的人機(jī)交互系統(tǒng)。其中心電采集模塊可以實時地采集到患者心電波形[7],并通過藍(lán)牙技術(shù)傳送心電數(shù)據(jù)到Android智能平臺上進(jìn)行心電信號分析、顯示心電波形。在專為本設(shè)計編寫的Android應(yīng)用APP中還加入了遠(yuǎn)程定位報警功能,讓患者隨時得知自身心電狀況的同時,可通過E-mail將患者位置信息與患者實時心電數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測平臺。通過監(jiān)測預(yù)警信息,能及時的發(fā)現(xiàn)患者發(fā)病位置,便于患者得到醫(yī)療救治。ECG監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
圖1 ECG監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
心電信號正常的幅值范圍在10 μV~4 mV之間,典型值為1 mV。頻率范圍在0.05 Hz~100 Hz以內(nèi),而90%的ECG頻譜能量集中0.25 Hz~35 Hz之間。根據(jù)心電信號特征,設(shè)計了一套適合采集人體心電信號的硬件系統(tǒng),并將采集到的心電信號通過藍(lán)牙或串口接收的形式傳送到手機(jī)移動端或PC端進(jìn)行心電信號分析。
2.1.1 供電模塊與信號調(diào)理電路
系統(tǒng)供電模塊由信號采集芯片的供電范圍決定,PC端選取的心電采集芯片供電范圍較大,在±2.25 V~±18 V之間,因此,實驗綜合考慮芯片供電范圍和電源選擇的普適性,采用兩塊手機(jī)電池通過反向串接設(shè)計了一個正負(fù)5 V電源模塊,實現(xiàn)供電功能。
信號調(diào)理電路主要負(fù)責(zé)采集人體心電信號。電路采用3個盤狀金屬電極作為信號采集點(diǎn)。在圖2中電極1與電極2用于采集人體左右手心電差模信號,共模電極P1用于接收電路反饋的人體共模信號;U1采用儀表放大器INA128實現(xiàn)了信號的初級放大,基線高頻濾波以及人體共模信號采樣,其中U1的增益電阻由R1、R2、R3、C1串并連組成,R3和C1組成高頻濾波電路,截止頻率約為0.45 Hz左右。R1、R2的中間點(diǎn)取出人體共模信號,通過U3反饋到人體實現(xiàn)共模信號抑制;U2、U6采用貝塞爾開關(guān)電容濾波器MAX7405分別組成截止頻率為45 Hz的低通濾波器。U4和U7分別為INA128與TLC071組成的51倍與1倍~20倍信號放大電路,通過本硬件系統(tǒng)可將毫伏級級心電信號放大至伏級。
電路板上調(diào)通遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺調(diào)理電路,通過Protel DXP軟件將信號調(diào)理電路進(jìn)行了PCB板的繪制,制作PCB板進(jìn)行了元器件的焊接組合,使之成為了一個整體的心電采集系統(tǒng)。利用得到的PCB板進(jìn)行心電采集實驗,實驗在非屏蔽室中進(jìn)行,采集電極使用不帶屏蔽線的鍍金盤狀電極,皮膚接觸面涂抹生理鹽水,ECG信號采集時將兩個差分輸入電極置于受試者胸前左右兩側(cè),共模抑制電極連接到左耳垂,通過濾波器觀察信號發(fā)現(xiàn)設(shè)計電路完全可以實現(xiàn)對人體心電波形實時采集與放大功能。供電模塊與信號調(diào)理電路如圖2所示。
2.1.2 電平抬升電路與A/D采集模塊
系統(tǒng)通過TLC072芯片組成的加法電路,實現(xiàn)了對采集的心電信號進(jìn)行電平抬升,以便于在PC端可以無失真的A/D采集。在A/D采集模塊中使用了DFRobot的Arduino開發(fā)板,此A/D模塊的采樣精度為10 bit,基準(zhǔn)電壓為5 V,最高采樣率可達(dá)5 kbit/s,系統(tǒng)采樣率設(shè)置為100 Hz,經(jīng)過實驗驗證,此開發(fā)板可以進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的有效采集。電平抬升與A/D采集電路如圖3所示。
圖2 供電模塊與信號調(diào)理電路
圖3 電平抬升與A/D采集電路
2.2.1 供電模塊與BMD101心電模塊
手機(jī)移動端心電采集系統(tǒng)中,供電系統(tǒng)采用單電源供電,實驗中采用三節(jié)+1.5 V電池串接設(shè)計了一個+4.5 V電源模塊,實現(xiàn)了供電功能。
手機(jī)移動端心電采集部分采用了NeuroSky(神念科技)的片上處理設(shè)備BMD101芯片。此芯片功耗僅為0.8 mA,大小僅為3 mm×3 mm,可以很穩(wěn)定地采集人體心電信號,具有極低的系統(tǒng)噪聲與可控增益,并使用16 bit高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]。通過手機(jī)監(jiān)測客戶端觀察,BMD101心電模塊可以準(zhǔn)確采集人體心電數(shù)據(jù)。
2.2.2 藍(lán)牙2.0模塊
藍(lán)牙模塊是系統(tǒng)無線傳輸信號的核心,承載著數(shù)據(jù)通信的重任,系統(tǒng)所采用的HM-06藍(lán)牙模塊的主控IC為CSR BlueCore的BC417143芯片,通信協(xié)議為藍(lán)牙V2.1+EDR版本。該協(xié)議的理論傳輸速度高達(dá)3 Mb/s,實際傳輸效率在2.1 Mbit/s左右。模塊供電電壓在3.3 V~4.5 V。該模塊采用全貼片最小封裝形式,核心模塊尺寸大小僅為為:27 mm×13 mm×2 mm,通信距離約在8 m~10 m左右。藍(lán)牙模塊與手機(jī)進(jìn)行配對將A/D轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)傳入手機(jī)客戶端[9],從而實現(xiàn)移動預(yù)警端與Android智能手機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。
系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計方法,使整個系統(tǒng)軟件層次分明,邏輯清楚,便于軟件的調(diào)試與維護(hù),同時提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺主要實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)波形顯示、判斷心率紊亂等功能,移動預(yù)警端系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時顯示心電波形、心率紊亂時發(fā)送心電數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺等功能。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺可直接通過PC串口采集心電信號,預(yù)處理時將字符串類型的心電信號轉(zhuǎn)換兩位一組的數(shù)值數(shù)據(jù),通過創(chuàng)建數(shù)組、數(shù)組插入等操作,將數(shù)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LabView波形創(chuàng)建模塊可讀的數(shù)組模式,生成初步波形,其經(jīng)過低通濾波器濾波后可在波形圖上顯示心電波形。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺也可接收移動預(yù)警端發(fā)送的E-mail心電求助信息,通過由LabView開發(fā)工具編寫的心電觀測程序觀測患者發(fā)病時的心電波形[8]。
在遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺心電程序中,其自動獲取最近心電波形的5點(diǎn)波峰值,計算其平均數(shù)作為判斷R波峰值的閾值。波峰閾值檢測可測算出相鄰兩段R波波峰時間差,其時間差的倒數(shù)乘以60 s計算出心率數(shù)值大小。同時,系統(tǒng)設(shè)置了心電報警程序,若出現(xiàn)心率紊亂時(心率大于100 bmp或者小于60 bmp)則系統(tǒng)給予心電報警。LabView心電顯示界面異常報警框圖如圖5所示。
圖5 LabView心電顯示界面異常報警框圖
移動預(yù)警端采用Eclipse工具編寫了一款基于Android操作系統(tǒng)的APP心電應(yīng)用軟件,其通過手機(jī)藍(lán)牙接口接收心電數(shù)據(jù)。
為保護(hù)心電數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)信號丟失與信號紊亂,BMD101芯片將心電信號由數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送,數(shù)據(jù)包主要由頭信號、數(shù)據(jù)信號、校驗信號等組成。手機(jī)移動端軟件將心電信號進(jìn)行解包處理,提取心電數(shù)據(jù)信號,校驗信號在傳輸中未發(fā)生信號丟失。提取到的心電信號可直接用于顯示心電波形。在接收顯示心電數(shù)據(jù)的同時,程序測算相鄰兩段R波波形時間差,并計算出心率數(shù)值并顯示心率數(shù)值。
如圖6所示,若心率出現(xiàn)異常時,程序自動記錄下心率紊亂時的心電數(shù)據(jù),并調(diào)用百度地圖API接口定位出患者當(dāng)前位置(百度地圖API為開發(fā)者免費(fèi)提供的基于百度地圖的應(yīng)用程序接口,包括提供基本地圖、位置搜索等功能,可及時方便的定位出患者位置),利用E-mail方便快捷等特點(diǎn)[6]將患者當(dāng)前位置信息與患者實時心電數(shù)據(jù)自動發(fā)送給指定聯(lián)系人或遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺,幫助患者及時得到醫(yī)療救助。患者也可手動記錄心電數(shù)據(jù)并發(fā)送給后臺設(shè)置的手機(jī)端與遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺,令患者可以全面的了解自身心電狀況,更加合理的保護(hù)心臟健康安全。
圖6 移動預(yù)警端界面及E-mail報警界面
移動預(yù)警端面及E-mail報警界面如圖6所示。若患者出現(xiàn)其他病情緊急狀況,患者還可按下APP內(nèi)的SOS請求120急救按鈕,程序?qū)⒆詣訐艽?20求助電話,向醫(yī)務(wù)人員尋求幫助。通過無線報警功能,患者不必再為發(fā)病時得不到救助而擔(dān)心,極大的提升了患者的安全感與舒適度,對于治療患者的病情有極大的益處。
本系統(tǒng)主要目的是開發(fā)出一套可以便利的觀察心電、測量心率的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)以上分析,通過對ECG監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā),繼而開發(fā)出便攜式遠(yuǎn)程定位ECG監(jiān)測預(yù)警設(shè)備。在搭建的實驗平臺中對該ECG監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺主要測試采集心電信號的準(zhǔn)確性,心率紊亂報警,系統(tǒng)的穩(wěn)定性等功能。移動預(yù)警端主要測試Android APP繪制心電波形準(zhǔn)確性,系統(tǒng)穩(wěn)定性,遠(yuǎn)程定位報警等功能。
移動預(yù)警端的供電模塊、心電采集模塊、藍(lán)牙模塊等組合到一起較為雜亂,且攜帶不方便,因此,系統(tǒng)利用3D打印技術(shù)制作了一套適合移動預(yù)警端外觀特點(diǎn)的心電盒子,在測試中還需測試心電盒子是否可實現(xiàn)安置器件的無差性,是否實現(xiàn)心電設(shè)備攜帶的便利性。
在對該心電系統(tǒng)進(jìn)行測試中,利用人體實際心電數(shù)據(jù)驗證整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和合理性。測試中利用心電系統(tǒng)對十名志愿者不同時間段的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)驗證測試,利用移動預(yù)警端測試記錄志愿者心率數(shù)據(jù),并將測試后的心電數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送于遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺進(jìn)行心率數(shù)據(jù)測試,系統(tǒng)得出心率數(shù)據(jù)后與志愿者的標(biāo)準(zhǔn)心率作對比。在測試中一共測試了8組數(shù)據(jù),每組10人,由統(tǒng)計學(xué)知識可知,樣本的標(biāo)準(zhǔn)誤差公式為:
式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)誤差,n為測量數(shù)據(jù)次數(shù),為δ2測量值誤差的平方和。測試心率的準(zhǔn)確率為測試心率數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)心率數(shù)值相互之比。由表1可知測試中每組樣本心率標(biāo)準(zhǔn)誤差在1.31~3.50之間,測試心率與標(biāo)準(zhǔn)心率對比最低準(zhǔn)確率在94%以上。其中2號、6號志愿者檢出心率準(zhǔn)確率較低,后期驗證發(fā)現(xiàn)在心率信號采集時采集到了噪聲信號,對R波產(chǎn)生了干擾,導(dǎo)致了系統(tǒng)在檢測R波的時候出現(xiàn)誤檢測,從而影響了心率的計算。這一點(diǎn)通過改良心電采集電極可得到極大的改善。
由測試結(jié)果可知,該心電監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到測試要求,可在允許誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確檢測出患者心率數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)心率數(shù)據(jù)/移動預(yù)警端檢出心率/遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺分別檢出心率數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 ECG監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)心電監(jiān)測結(jié)果
圖7 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺系統(tǒng)實物圖
如圖5、圖7所示,遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺實現(xiàn)了心電波形的顯示,其中心電P、Q、R、S、T波波形明顯可見,可正常顯示人體心率數(shù)值、保存數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)回放等功能也完全實現(xiàn),心率紊亂時可以及時報警,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。程醫(yī)療監(jiān)測平臺系統(tǒng)實物圖如圖7所示。
由圖6、圖8可知,移動預(yù)警端在心電波形顯示、心率計算、數(shù)據(jù)保存放面完全符合系統(tǒng)設(shè)計要求。心電各波段清晰可見,R波脈沖明顯,心率實時正常顯示。心電盒子在組裝完心電采集器件后基本實現(xiàn)了器件的無差安裝,比起傳統(tǒng)的心電設(shè)備具有更強(qiáng)的便攜性。移動預(yù)警端系統(tǒng)實物圖如圖8所示。
圖8 移動預(yù)警端系統(tǒng)實物圖
由圖5、圖6可知,當(dāng)患者出現(xiàn)心率紊亂時(心率大于100 bpm或者小于60 bpm)移動預(yù)警端可準(zhǔn)確無誤的判斷心率紊亂,并向遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺發(fā)出心率紊亂報警數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測平臺LabView心電顯示程序可無失真的回放患者發(fā)病時心電波形。在移動預(yù)警端還加入了緊急按鈕,當(dāng)按下SOS按鈕后系統(tǒng)自動撥打120求助電話,以便患者可及時獲得醫(yī)療救援。
遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺與移動預(yù)警端聯(lián)調(diào)后運(yùn)行良好,硬件采集電路工作穩(wěn)定,軟件分析結(jié)構(gòu)可靠,通過最終的測試結(jié)果可知,系統(tǒng)對于心電波形的處理與開發(fā)完全符合ECG監(jiān)測設(shè)計要求。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺與移動預(yù)警端配合良好,兩者都可進(jìn)行完整心電波形顯示,遠(yuǎn)程定位預(yù)警功能健全完善,在患者出現(xiàn)心率紊亂時可以及時的發(fā)出預(yù)警信息。
此系統(tǒng)完全適合對家庭患者心電信號進(jìn)行實時監(jiān)測,預(yù)防危險的發(fā)生,在最大程度上保護(hù)患者生命安全。系統(tǒng)具有重量輕、成本少、功耗低、體積小等特點(diǎn),加強(qiáng)了遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)的實用性,降低了心電監(jiān)測的體積與遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺的人力資源壓力,比起傳統(tǒng)的心電設(shè)備具有更強(qiáng)的便攜性,遠(yuǎn)程定位快速準(zhǔn)確,心電波形清晰可見,患者出現(xiàn)心率紊亂時可及時發(fā)送報警信號。對于開發(fā)便攜家庭式遠(yuǎn)程定位ECG監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有重要的參考意義和應(yīng)用價值。
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TheDesignandImplementationofPortableFamilyRemoteECGMonitoringwithEarlyWarningSystem
WANGWei*,ZHAOKaiyuan,CHENHong
(School of Information Science and Engineering,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
According to requirements of a remote ECG monitoring warning system,a set of family real-time ECG monitoring early warning system has been designed. The system mainly consists of two parts,the remote monitoring platform and the mobile warning port. The remote monitoring platform uses LabVeiw to implement ECG waveform displayand playback program,and also use the independent development of ECG acquisition device implements the ECG analysis and monitoring early warning function. It realizes the real-time monitoring and remote warning positioning function by combining the mobile warning ECG acquisition module and Android phones. Experiment verifies that the system can be carried around conveniently with the accuracy above 94%. When patients appear abnormal heart rate symptom,the system can timely send emergency alarm information to help patients medicare treatment.
ECG;remote;early warning;real-time monitoring;portable
10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.048
2016-10-08修改日期2017-01-04
TP391
A
1005-9490(2017)06-1582-06
王煒(1956-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)工程人體弱信號提取分析,93508270@qq.com;
趙開源(1990-),男,內(nèi)蒙古,碩士研究生,主要研究方向為信號與信息處理,814410997@qq.com。