梁 鐵, 李兆朋, 李瑞凱, 婁存廣, 劉秀玲

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 河北 保定 071002)

0 引 言

心腦血管疾病在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為影響人類生命健康的重要疾病，其發(fā)病率和死亡率已經(jīng)躍居世界第一位。我國的心腦血管疾病發(fā)病率也呈逐年上升態(tài)勢[1]。心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)與預(yù)防對提高患者生存幾率具有重要意義，心電圖作為反映心臟電生理特性的重要手段，在心血管疾病檢測與診斷中發(fā)揮著重要作用[2-3]。

傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備體積大重量沉，導(dǎo)線繁多，攜帶不方便，往往需要專業(yè)人員操作，且設(shè)備價(jià)格昂貴，檢測結(jié)果無法遠(yuǎn)程隨時(shí)查看，不利于個(gè)人身體健康狀況的及時(shí)了解和居民電子健康檔案的建立[4-6]。隨著科技的發(fā)展，利用移動(dòng)通信技術(shù),移動(dòng)醫(yī)療能夠提供隨時(shí)隨地、高效便捷的醫(yī)療資訊和服務(wù)成為可能。在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，人們對醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量要求日益提高，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的無線便攜式智能心電檢測設(shè)備有著迫切的社會(huì)需求[7-9]。特別地，我國正日趨進(jìn)入老齡化社會(huì)，老年人逐年增加且缺少監(jiān)護(hù)人日常照護(hù)，對于這些老人群居的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，如何便捷地做好老人們的健康照護(hù)，提高機(jī)構(gòu)服務(wù)質(zhì)量成了全社會(huì)迫在眉睫的事情。

本文開發(fā)了便攜式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)平臺(tái)，通過自主設(shè)計(jì)的微型化心電信號(hào)采集終端，老人足不出戶即可將通過一鍵式采集的心電數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行分析處理，用戶可隨時(shí)隨地通過互聯(lián)網(wǎng)查看心電檢測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，進(jìn)一步方便個(gè)人或養(yǎng)老機(jī)構(gòu)進(jìn)行服務(wù)對象健康檔案的建立。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，終端微型化的心電檢測設(shè)備實(shí)時(shí)采集用戶心電數(shù)據(jù)，并經(jīng)內(nèi)置的微處理器初步濾波降噪處理后，通過藍(lán)牙方式上傳系統(tǒng)配置的平板電腦。平板電腦安裝了自主設(shè)計(jì)開發(fā)的APP，具備了數(shù)據(jù)上傳功能可實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)及時(shí)傳至云端服務(wù)器，從而方便利用相關(guān)信號(hào)處理算法對上傳心電數(shù)據(jù)進(jìn)一步智能分類與分析。用戶可通過PC查詢網(wǎng)站或安卓手機(jī)APP查詢分析結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要針對養(yǎng)老機(jī)構(gòu)老人心電快速檢測的應(yīng)用領(lǐng)域。采集終端設(shè)備具有采集時(shí)間靈活，使用簡單的特點(diǎn)，且充分利用云平臺(tái)的存儲(chǔ)優(yōu)勢和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析優(yōu)勢，為心血管疾病的理想治療模式：早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防和早治療提供技術(shù)支撐。

2 心電設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片選擇

本平臺(tái)是針對養(yǎng)老機(jī)構(gòu)健康管理和遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)開發(fā)的，要求信號(hào)采集芯片低功耗、小體積且有較強(qiáng)的抗干擾能力。通過對比其他解決方案，本文選擇了ADI公司推出的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)前端芯片AD8232。

AD8232是一款用于ECG及其他生物電測量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊。該器件設(shè)計(jì)用于在具有運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生的噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號(hào)。該設(shè)計(jì)使得超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或嵌入式微控制器能夠輕松地采集輸出信號(hào)。通過模擬輸出，AD8232可與分立式ADC配對，或與具有嵌入式ADC的微控制器配對，它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了較好的靈活性[8]。特別地，該芯片提供了創(chuàng)新的快速恢復(fù)模式，用戶在運(yùn)動(dòng)或其他活動(dòng)過程中暫時(shí)斷開電極連接，當(dāng)導(dǎo)聯(lián)重連后，此芯片可以快速自動(dòng)恢復(fù)心電信號(hào)，從而顯著提高最終用戶體驗(yàn)的質(zhì)量[9]。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端采集設(shè)備的硬件電路主要由采集電路、微處理控制電路、藍(lán)牙傳輸和充電電路組成，如圖2所示。

圖2 硬件電路組成

系統(tǒng)終端由AD8232采集單導(dǎo)心電模擬信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機(jī)MSP430F149處理后通過CC2541藍(lán)牙模塊上傳。MSP430F149作為一款低功耗低電壓的微處理器，承擔(dān)著整個(gè)硬件電路的控制和數(shù)據(jù)濾波處理。

針對實(shí)際監(jiān)護(hù)時(shí)老人進(jìn)出房間易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接不穩(wěn)定的特點(diǎn)，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)加入了Mini TF存儲(chǔ)單元，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步備份，數(shù)據(jù)采取先進(jìn)先出方式，確保數(shù)據(jù)在藍(lán)牙信號(hào)穩(wěn)定時(shí)第一時(shí)間完整上傳。為方便用戶長時(shí)間佩戴監(jiān)測，電路采取輕巧化的3.7 V鋰電池供電，相應(yīng)地設(shè)計(jì)加入了CN3068充電電路和Tps73601穩(wěn)壓電路。

目前，由于極低的功耗，強(qiáng)大穩(wěn)定的可連接性以及可靠的一對多數(shù)據(jù)傳輸特性，藍(lán)牙4.0技術(shù)在可穿戴式設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛。本系統(tǒng)選用了TI公司的低功耗藍(lán)牙芯片CC2541。CC2541單芯片集成了MCU和RF，配置了256 kB的嵌入式閃存，用戶憑借TI的BLE-Stack協(xié)議棧能夠進(jìn)行高效靈活的低功耗藍(lán)牙解決方案設(shè)計(jì)[10-11]。

3 石墨烯電極片的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)進(jìn)行測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)心電設(shè)備一次性Ag/AgCl電極片長期佩戴會(huì)對測試者身體黏貼部位產(chǎn)生不同程度腐蝕。在用戶需長期監(jiān)測使用情況下，一次性電極片總成本較高，廢棄后對環(huán)境也有污染[12]。養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的老人本身屬于特殊照護(hù)群體，容易因傳統(tǒng)電極片的上述問題產(chǎn)生抵觸情緒，從而影響檢測效果。針對此情況，本文充分利用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性、柔韌性和無腐蝕性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了柔性石墨烯織物心電電極片，如圖3所示。

(a)(b)

圖3 柔性石墨烯電極

柔性石墨烯織物電極采用石墨原材料，利用氧化還原制備石墨烯并通過真空抽濾法將石墨烯附著到柔性聚酯纖維(織物)基底上。材料柔軟對皮膚無刺激感，生物兼容性好，便于用戶長期穿戴，可反復(fù)多次清洗，克服了傳統(tǒng)Ag/AgCl電極的生物毒性。

通過與傳統(tǒng)的Ag/AgCl 電極片進(jìn)行心電信號(hào)采集對比實(shí)驗(yàn)，石墨烯柔性織物電極對于心電信號(hào)有較高的靈敏度，實(shí)測波形與傳統(tǒng)電極片所測基本一致，完全能夠滿足用于心電信號(hào)檢測，如圖4所示。

圖4 石墨烯織物電極與Ag/AgCl電極在心電信號(hào)采集的對比

考慮到老人佩戴舒適性和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)將基于石墨烯電極片的心電檢測終端制作于緊身背心，進(jìn)一步提高電極與人體貼合度，確保老人活動(dòng)狀態(tài)下采集心電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件功能

整個(gè)心電檢測系統(tǒng)從軟件功能上可以分為終端心電信號(hào)采集存儲(chǔ)、藍(lán)牙通信、云端數(shù)據(jù)分析處理和用戶數(shù)據(jù)查詢四部分，如圖5所示。

圖5 軟件功能劃分

上述的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和藍(lán)牙通信主要通過系統(tǒng)配置的平板電腦實(shí)現(xiàn)。平板電腦作為心電數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器的中繼設(shè)備，內(nèi)置了自主開發(fā)的APP。通過調(diào)研養(yǎng)老機(jī)構(gòu)實(shí)際使用場景，每個(gè)房間最多居住3位老人，因此系統(tǒng)配置在每個(gè)房間的平板電腦可支持3個(gè)老人的心電數(shù)據(jù)采集。誰檢測，就相應(yīng)地點(diǎn)選對應(yīng)的頭像，一鍵式即可完成心電數(shù)據(jù)采集和上傳，如圖6所示。

圖6 平板APP界面

4.2 微處理器流程圖

終端采集設(shè)備上電運(yùn)行后，系統(tǒng)首先檢測判斷設(shè)備所處工作模式、SD卡是否有數(shù)據(jù)以及藍(lán)牙開啟狀態(tài)，自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)連接后按照先發(fā)尾后發(fā)頭的方式進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的無線傳輸。若檢測SD卡遺留有上次采集周期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)未及時(shí)上傳，系統(tǒng)將按照先進(jìn)先出方式完成SD卡數(shù)據(jù)續(xù)傳。微處理器工作詳細(xì)流程圖如圖7所示。

圖7 單片機(jī)程序流程圖

4.3 云端服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為方便隨時(shí)接收各地實(shí)時(shí)上傳的心電檢測數(shù)據(jù)，滿足用戶第一時(shí)間查詢檢測結(jié)果進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤心臟健康狀況的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了云端服務(wù)平臺(tái)。

云端服務(wù)平臺(tái)基于Java開發(fā)，滿足了系統(tǒng)跨平臺(tái)需求。同時(shí)考慮到心電連續(xù)檢測存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選用oracle，oracle強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能也為日后平臺(tái)的功能及數(shù)據(jù)的擴(kuò)展堅(jiān)實(shí)了基礎(chǔ)[13-15]。針對目前人們生活習(xí)慣和日益普及的智能移動(dòng)終端，平臺(tái)在配備了健康查詢門戶網(wǎng)站的同時(shí)，還設(shè)計(jì)了基于安卓系統(tǒng)的APP，用戶通過智能移動(dòng)終端或PC端就可便捷的查詢歷次心電檢測結(jié)果。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)已成功搭建并試用于簽約養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)采集的心電數(shù)據(jù)經(jīng)省級三甲醫(yī)院心內(nèi)科主任醫(yī)生鑒定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，能夠滿足臨床分析需要；系統(tǒng)開發(fā)的用戶查詢頁面(PC端和移動(dòng)手機(jī)端)界面友好，功能設(shè)計(jì)合理，符合人們?nèi)粘Ｊ褂昧?xí)慣，滿足便捷查詢的需求；通過大量測試，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和便攜性方面能夠滿足養(yǎng)老機(jī)構(gòu)日常照護(hù)檢測需求。系統(tǒng)實(shí)測如圖8～10所示。

圖9 用戶查詢界面

圖10 手機(jī)客戶端頁面

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)圍繞微型化低功耗的AD8232芯片進(jìn)行心電檢測開發(fā)設(shè)計(jì)，針對養(yǎng)老機(jī)構(gòu)健康檢測功能需求，利用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性、柔韌性和無毒性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于石墨烯的柔性電極，將其應(yīng)用于穿戴式緊身衣，搭建了基于云端的健康服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集上傳、顯示、查詢等功能。通過大量養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的實(shí)測，經(jīng)專業(yè)醫(yī)護(hù)人員查看分析，本系統(tǒng)硬件終端所采集的心電數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，穩(wěn)定性較好，設(shè)備抗運(yùn)動(dòng)干擾能力強(qiáng)，能夠滿足養(yǎng)老機(jī)構(gòu)日常心電監(jiān)護(hù)用途，具有一定的社會(huì)推廣價(jià)值。

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