馬利祥，李紅利，馬 欣

（1.天津杰福德自動化技術有限公司 技術開發(fā)部，天津 300112；2.天津工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387）

0 引言

心臟疾病在人群中的發(fā)病率在不斷增加,60 歲以上的老年人是心臟疾病的高發(fā)人群,病發(fā)后的及時搶救是挽回心臟疾病患者生命的關鍵。 心臟疾病具有偶然性與突發(fā)性的特點,因此實時心電監(jiān)護系統(tǒng)具有重要的臨床應用價值［1］。 1949 年,Norman J. Holter 根據其在生物信號遙測技術的研究成果研制出心電圖遙測設備,并于20 世紀60 年代成功研制出集收發(fā)功能于一體的心電監(jiān)護系統(tǒng),稱之為Holter 系統(tǒng)。 Holter 系統(tǒng)的發(fā)明為監(jiān)測心律失常、心肌缺血等心臟疾病提供了有效的診斷方法,為心臟疾病的早期診斷和治療起到了積極的推動作用,也為無線遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的研發(fā)打下了堅實的基礎［2］。

目前,醫(yī)療機構所使用的心電監(jiān)測設備精度高,但是體積龐大、價格昂貴,不具備實時和隨身監(jiān)護的條件。 便攜式心電圖機雖然可用于家庭監(jiān)護,但是由于其一體化的心電信號采集和顯示系統(tǒng),導致其體積大、功耗高,不可隨身攜帶。 雖然可以實時采集心電信號,但其只具備單一的心電采集功能,不具備數據同步和報警功能［3］。 因此,文章研究并設計了一種基于物聯網技術的心電監(jiān)護系統(tǒng)。 系統(tǒng)通過可穿戴設備,實時采集被測人體的心電數據,并通過低功耗無線通信技術實時發(fā)送到智能手機。 智能手機對采集到的數據做初步診斷,判斷被測人體是否發(fā)生常見的心臟疾病。 若發(fā)現疑似病情,則發(fā)出報警提示病人休息和用藥。

1 系統(tǒng)方案設計

正常的心電信號由一系列的子波組成,正常情況下,心電信號的幅值大約在10 uV ～5 mV,頻率在0.05 Hz～120 Hz。 心電信號中的 QRS 波群是由 Q 波、R 波、S 波組成的波群,由于3 個波形緊密相鄰且具有不同的特征,因此在醫(yī)學診斷過程中視為一個波群整體,它反映了心室去極過程中的電位變化。 正常人的QRS 波形周期大約為60 ms～100 ms,是在整個心電周期中變化最明顯、信息量最大的波群。 心室性異常,如室內的傳導阻滯、心室異位激動等通常會引起QRS 波形異常。

心電監(jiān)護系統(tǒng)由心電信號采集模塊(可穿戴終端）和監(jiān)護平臺(智能手機）組成。 心電監(jiān)護系統(tǒng)結構如圖1 所示。 用戶佩戴一套心電信號采集模塊,實現心電信號的采集,采集到的心電信號通過藍牙實時傳送到智能手機。

圖1 心電監(jiān)護系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件電路設計

可穿戴終端硬件電路主要包括電池供電電路、以ADS1191 生理信號采集芯片為核心的信號采集電路、CC2540 主控芯片最小系統(tǒng)以及藍牙信號射頻電路,如圖1所示。 采用三導聯方式獲取人體心電信號,低通濾波電路用來去除信號中的高頻雜波,ADS1191 芯片對濾波后的心電信號進行放大以及A/D 轉換,CC2540 主控芯片通過SPI 通信協(xié)議讀取ADS1191 心電數據,將數據存儲在SD卡內,并通過藍牙4.0 通信協(xié)議上傳至智能手機端。

2.1 心電信號采集前端

為節(jié)省空間、降低干擾,研究采用ADS1191 作為信號采集前端,該芯片是用于生理信號測量的低功耗模擬前端,具有體積小、功耗低、成本低、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。 ADS1191 內部具有可編程增益放大器(PGA）和16位A/D 轉換器。 該芯片自動將心電信號放大,并進行A/D 轉換,轉換后的心電數據可通過SPI 通信協(xié)議讀出。 由于心電信號微弱,易受干擾,因此,ADS1191 前端須設置低通濾波電路,以降低信號的高頻干擾。 對于信號中的其他干擾成分,可采用數字濾波器慮除,ADS1191 信號采集電路如圖2 所示。

圖2 ADS1191 信號采集電路

2.2 主控芯片及藍牙電路設計

系統(tǒng)采用藍牙4.0 無線通信技術實現信號采集終端與手機之間的通信。 與傳統(tǒng)藍牙相比,藍牙4.0 具有傳輸速率高和低功耗的特點。 本系統(tǒng)對藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE）協(xié)議棧進行開發(fā),充分發(fā)揮了藍牙4.0 的優(yōu)勢。 CC2540 芯片可搭載開源的藍牙4.0 協(xié)議棧實現藍牙設備之間通信。 該芯片已大量使用于消費類醫(yī)療電子設備以及個人運動設備等領域。 此系統(tǒng)中,利用CC2540 作為主控芯片,使用4 個IO 引腳模擬SPI 總線與ADS1191 進行通信,從而實現對ADS1191 的寫指令和數據讀取。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 心電信號采集模塊程序設計

CC2540 主控芯片搭載BLE 協(xié)議棧,與小型操作系統(tǒng)相似。 BLE 協(xié)議棧通過任務輪詢機制,實現多任務“同時”運行。 為了實現藍牙的低功耗優(yōu)勢,用戶需要對BLE 系統(tǒng)進行開發(fā),在BLE 系統(tǒng)中建立SPI 讀取任務,并設定以中斷方式觸發(fā)任務執(zhí)行。 DRDY 發(fā)出低電平信號時觸發(fā)中斷,并將讀取的數據存至緩存區(qū),程序流程如圖3 所示。

圖3 心電信號采集流程

3.2 手機端監(jiān)護軟件設計

手機端心電監(jiān)護軟件需要完成數據接收、數據處理和監(jiān)護報警等功能［4］。 數據處理的工作量相對較大,因此對軟件的高效和實時性有較高要求。 該監(jiān)護軟件掃描并連接藍牙信號,建立通信協(xié)議,從信號采集終端獲得心電數據,并放置于用于處理的緩存區(qū),每次緩存區(qū)數據裝滿后,便對心電數據進行處理。 為了滿足系統(tǒng)的實時性和高效性,軟件需要建立多個線程以及后臺服務,多任務進行“同步”運行,手機端監(jiān)護軟件界面如圖4 所示。

圖4 手機端監(jiān)護軟件

4 數字濾波與QRS 波形檢測的設計

4.1 基于最小二乘法的基線漂移濾波處理

采集的ECG 數據具有一定幅度的基線漂移,需要對ECG 數據進行基線漂移的消除［5-7］。 由于可移動設備CPU 運算速度具有一定的局限性,同時要保證設備的實時性,因此設計了分段式最小二乘法的去趨勢項處理,對采集的數據進行分段處理。 該算法簡單、運算量小,適合可穿戴設備使用。

對一組心電數據f(i）,i ＝0,1,2…N,構造一個q階的多項式趨勢項如式(1）。

用式(1）來擬合一組數據,擬合過程中必然存在著擬合誤差,誤差的平方和為如式(2）所示。

為了使誤差的平方和最小,可令E對個系數的導數等于零,如式(3）和式(4）所示。

化簡式(4）可得式(5）。

給定需要擬合的數據個數N,多項式階次q和待擬合的數據f(0）,f(1）,f(2）,…,f(N） ,那么可以求出Xp和Kn+p,應用最小二乘法,趨勢項系數a0,a1,a2,…,aq就可以求出。 將該趨勢項系數帶入式(1）便可得到趨勢多項式的一般模型,也就是心電信號的基線漂移數據。 利用原始心電數據減去該趨勢項數據,便可去除基線漂移。

為了驗證算法的有效性,從MIT-BIH 心電數據庫隨機提取1 500 個心電數據,在Matlab 平臺進行仿真,對數據添加正弦波模擬基線漂移。 仿真結果表明,采用5 階多項式來擬合1 500 個心電數據便可得到很好的效果。 5 階擬合基線濾波如圖5 所示,從圖中可以看出,采用5 階多項式擬合心電數據便可有效去除心電中的基線漂移,該算法對心電信號會有一定的削弱作用,但不影響檢測。

圖5 5 階擬合基線濾波

4.2 自適應差分閾值法的QRS 波形檢測

4.2.1 R 波檢測

實現心電信號的自診斷,需要對心電信號中的QRS 波形進行檢測。 R 波具有波形陡峭、幅值大、帶寬窄的特點,因此,首先要實現對R 波的檢測。 本研究采用自適應差分閾值法進行QRS 波形檢測,在檢測出R波之后,能夠根據人體生理特性進行錯檢和漏檢的邏輯判斷。 為實現常見心臟疾病診斷和異常心電信號特征進行描述定義如下變量。

T:當前RR 間期,即當前R 波波峰與前一R 波波峰的時間差；

T＿r:正在檢測R 波前4 個RR 間期的平均值；

H:當前R 波波峰幅值；

H＿r:正在檢測的R 波4 個R 波波峰的平均幅值；

HR＿max:漏檢判斷中,漏檢段數據的最大值；

W＿QS:QRS 波群檢測得到的QRS 波群寬度。

對所接收到的心電數據進行R 波檢測。 手機獲取藍牙數據,存放在緩存中,每接收一次數據進行一次檢測。

4.2.2 Q 波和 S 波檢測

當檢測出R 波之后,可以通過R 波的位置檢測Q波和S 波。 Q 點和S 點在R 點左右兩側接近基線附近,是QRS 波形開始變化的區(qū)域。 可以根據已知的R波位置來搜尋其附近的點來找到Q 點和S 點。 正常人群的QRS 波寬度為大約0.1 s,心臟疾病患者,如起搏心拍、束支傳導阻滯等人群的QRS 波寬度一般大于0.1 s。因此選擇0.1 s～0.15 s 作為檢測區(qū)間,即向前、向后搜索0.1 s～0.15 s 內的數據點來尋找Q 點和S 點。

為了驗證算法的有效性,利用Matlab 平臺檢測心電數據的QRS 波,檢測結果如圖6 所示。 圖中用圓形符號標記出R 波位置,Q,S 位置用過兩條豎線標記。通過對仿真圖的觀察可以看出,檢測算法可對QRS 波形進行準確識別。

圖6 QRS 波檢測結果

4.3 基于QRS 波形的心率失常診斷

根據QRS 波的檢測結果,對心臟疾病進行診斷。表1 為常見心臟疾病和異常心電信號特征。 對表1 所列出的異常心電情況進行實時檢測,當出現列表中某一異常情況時,心電檢測模塊便進行自動報警。

表1 常見心臟疾病和異常心電信號特征

5 結語

與傳統(tǒng)的便攜式心電監(jiān)護儀相比,文章研究設計的心電監(jiān)護系統(tǒng)充分發(fā)揮了物聯網和低功耗無線通信技術的優(yōu)勢,實現全天候采集心電信號,利用智能手機實現心電信號的采集和監(jiān)護。 測試表明,該算法準確率高、模塊性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、系統(tǒng)佩戴方便、監(jiān)護靈敏、診斷及時、運行穩(wěn)定、具有功耗低、成本低的優(yōu)點,合理利用了當代流行的智能手機,大大降低了商業(yè)成本,可有效解決具有心臟疾病隱患的社區(qū)人群的長期監(jiān)測問題。