[摘要]"為解決心血管疾病防控的難題，提高心血管疾病預(yù)防、診斷及治療的時(shí)效性和精準(zhǔn)性，基于5G通信和人工智能技術(shù)，搭建一個(gè)遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)，包括患者心電數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)識(shí)別、醫(yī)生遠(yuǎn)程診療等功能。此監(jiān)測系統(tǒng)可遠(yuǎn)程不間斷地實(shí)時(shí)采集并識(shí)別分析患者的心電數(shù)據(jù)，并將識(shí)別結(jié)果、結(jié)論反饋給醫(yī)生和患者，為患者及時(shí)就醫(yī)和醫(yī)生診療提供意見和建議。該系統(tǒng)在心臟病患者的管理、突發(fā)心臟事件監(jiān)測和早期心臟疾病篩查等方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]"心電監(jiān)測；5G；人工智能；遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測；自動(dòng)診斷

[中圖分類號(hào)]"R541""""""[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]"A""""""[DOI]"10.3969/j.issn.1673-9701.2024.07.022

Research"on"remote"electrocardiogram"monitoring"system"based"on"“5G+AI”"technology

DAI"Wenjuan1，"JI"Feng2

1.Department"of"Cardiology，"First"Hospital"of"Shanxi"Medical"University，"Taiyuan"030001，"Shanxi，"China;"2.Department"of"Electronics"and"Communication"Engineering，"Shanxi"Polytechnic"College，"Taiyuan"030001，"Shanxi，"China

[Abstract]"In"order"to"solve"the"problem"that"cardiovascular"diseases"can"be"prevented"and"controlled，"and"improve"the"timeliness"and"accuracy"of"cardiovascular"disease"prevention，"diagnosis"and"treatment，"a"remote"electrocardiogram"monitoring"system"has"been"built"based"on"5G"communication"and"artificial"intelligence"technology，"including"the"functions"of"patient"electrocardiogram"data"acquisition"and"automatic"recognition，"and"remote"diagnosis"and"treatment"by"doctors."This"monitoring"system"can"collect，"identify"and"analyze"the"electrocardiogram"data"of"patients"remotely"and"continuously"in"real"time，"and"feedback"the"identification"results"and"conclusions"to"doctors"and"patients，"providing"opinions"and"suggestions"for"patients"to"seek"medical"treatment"in"time"and"doctors’"diagnosis"and"treatment."This"system"has"some"practical"value"in"the"management"of"patients"with"heart"disease，"the"monitoring"of"sudden"cardiac"events"and"the"early"screening"of"heart"disease.

[Key"words]"Electrocardiogram"monitoring;"5G;"Artificial"intelligence;"Real-time"remote"monitoring;"Automatic"diagnosis

近年來，心血管疾病因其發(fā)病急、死亡率高、并發(fā)癥多、復(fù)發(fā)率高等特點(diǎn)，已成為導(dǎo)致人類死亡的主要原因之一，因此心血管疾病的防治變得極具重要性和挑戰(zhàn)性[1]?！丁敖】抵袊?030”規(guī)劃綱要》將心血管疾病防治工作納入其中。

在心血管疾病的診斷中，心電檢測有著舉足輕重的作用。但醫(yī)院急診、門診開展的傳統(tǒng)心電檢測的實(shí)時(shí)性和時(shí)效性較差，難以克服異地監(jiān)測和診斷困難，僅對(duì)在醫(yī)院進(jìn)行心電測量且正在發(fā)病的患者才有意義。因而對(duì)心血管疾病的疑似患者、確診患者進(jìn)行全天候的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測和實(shí)時(shí)在線的心電監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷是一個(gè)急需解決的問題。5G通信技術(shù)和人工智能（artificial"intelligence，AI）技術(shù)的出現(xiàn)為該難題的解決提供有效路徑。本文將基于“5G+AI”的思路，對(duì)遠(yuǎn)程心電監(jiān)測展開研究。

1""遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1""心電監(jiān)測技術(shù)

心電圖是心電監(jiān)測的主要技術(shù)手段，它利用貼在人體皮膚表面的電極，進(jìn)行心臟電位傳動(dòng)的監(jiān)測，然后將監(jiān)測到的信號(hào)經(jīng)數(shù)字化處理后，得到可顯示心臟跳動(dòng)狀態(tài)的曲線[2]。目前進(jìn)行患者心電監(jiān)測多使用動(dòng)態(tài)心電圖儀（Holter），患者通過便攜式心電圖儀可連續(xù)進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的測量，這樣捕捉到心臟異常的可能性更大[3]。心電監(jiān)測技術(shù)對(duì)診斷和監(jiān)測心臟健康非常重要，它可幫助醫(yī)生制定治療計(jì)劃，并監(jiān)控治療效果。

1.2""5G通信技術(shù)

5G通信技術(shù)是無線通信領(lǐng)域的最新標(biāo)準(zhǔn)，由一組關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)志性能力指標(biāo)定義，包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等[4]；其中，高速率、低時(shí)延和大連接成為5G最突出的特征。目前5G通信技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景和深遠(yuǎn)的影響。它可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能醫(yī)療、健康管理等創(chuàng)新應(yīng)用，為醫(yī)療行業(yè)注智賦能，提高醫(yī)療服務(wù)的效率和質(zhì)量，促進(jìn)醫(yī)療資源的均衡分配和優(yōu)化配置，為人民的健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

1.3""AI技術(shù)及其在心電數(shù)據(jù)識(shí)別方面的應(yīng)用

AI技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)算法的智能技術(shù)，可通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理和分析，自我學(xué)習(xí)和自我完善，從而不斷提高其處理信息和解決問題的能力。在心電數(shù)據(jù)識(shí)別方面，AI技術(shù)可通過對(duì)大量心電數(shù)據(jù)的分析和學(xué)習(xí)，識(shí)別出正常和異常心電圖及各種不同類型的心律失常等[5]。具體來說，AI技術(shù)可通過對(duì)心電數(shù)據(jù)的特征提取和模式分類等方法，將心電數(shù)據(jù)自動(dòng)分類為正常或異常及不同類型的心律失常等，從而為臨床診斷和治療提供更加準(zhǔn)確和可靠的信息支持。

1.4""系統(tǒng)的整體情況

基于“5G+AI”技術(shù)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)，利用心血管病患者隨身攜帶的可穿戴心電采集設(shè)備進(jìn)行心電信號(hào)的24h不間斷采集；通過5G通信技術(shù)，將采集到的心電數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至云平臺(tái)；同時(shí)借助AI技術(shù)，在云平臺(tái)實(shí)時(shí)在線進(jìn)行分析；一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)有問題，及時(shí)向患者進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至定點(diǎn)醫(yī)院的心電監(jiān)測平臺(tái)，提示患者及時(shí)就醫(yī)或醫(yī)院值班人員關(guān)注該患者情況。為患者及時(shí)就醫(yī)爭取時(shí)間，保障患者的生命安全。

2""遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1""總體設(shè)計(jì)

基于“5G+AI”技術(shù)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)，主要由患者端的便攜式心電采集設(shè)備、云服務(wù)器、醫(yī)院遠(yuǎn)程診療平臺(tái)三部分組成。心電采集設(shè)備主要負(fù)責(zé)不間斷的實(shí)時(shí)采集患者的心電數(shù)據(jù)；云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收心電信息；醫(yī)院的遠(yuǎn)程診療平臺(tái)主要負(fù)責(zé)從服務(wù)器獲取心電信息，借助AI技術(shù)進(jìn)行智能判斷并得到初步判斷結(jié)果，同時(shí)將判斷結(jié)果發(fā)送給值班醫(yī)生，醫(yī)生可通過電腦端或手機(jī)端獲取該信息，如有特殊情況及時(shí)聯(lián)系患者；診療平臺(tái)亦可向患者手機(jī)端發(fā)送相應(yīng)的判定結(jié)果，幫助患者掌握自身狀況并采取相應(yīng)的措施。診療平臺(tái)同時(shí)可對(duì)患者的心電監(jiān)測信息進(jìn)行存儲(chǔ)，且具備日常醫(yī)療管理的功能。

2.2""功能設(shè)計(jì)

2.2.1""便攜式心電采集設(shè)備""便攜式心電采集設(shè)備包括心電數(shù)據(jù)采集模塊和5G通信模塊兩部分。其中，心電數(shù)據(jù)采集模塊由電極和傳感器、信號(hào)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)傳輸接口及電源單元等幾部分組成。電極附著在人體表面，用于監(jiān)測心臟信號(hào)；傳感器則將監(jiān)測到的心臟信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；該電信號(hào)由信號(hào)處理單元進(jìn)行濾波、放大等處理，而后由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬量的心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[6]；該數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)通過數(shù)據(jù)傳輸接口發(fā)給5G通信模塊。5G通信模塊將采集、轉(zhuǎn)換得到的心電數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送給醫(yī)院的云服務(wù)器，該模塊主要由數(shù)據(jù)處理單元、調(diào)制器單元、射頻前段單元、電源管理單元等部分組成。

2.2.2""云服務(wù)器""云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收來自終端設(shè)備采集、處理的心電數(shù)據(jù)，并支撐醫(yī)院遠(yuǎn)程診療平臺(tái)的正常運(yùn)行。云服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理設(shè)備，可托管大量數(shù)據(jù)，并提供計(jì)算能力，以支持AI算法的實(shí)時(shí)分析。云服務(wù)器的選擇取決于醫(yī)院診療平臺(tái)的具體需求，包括規(guī)模、預(yù)算和安全要求。云服務(wù)器供應(yīng)商可提供豐富的云端服務(wù)器選項(xiàng)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定制配置。此外，醫(yī)院還需特別注意服務(wù)器對(duì)患者數(shù)據(jù)的保密，服務(wù)器必須實(shí)施嚴(yán)格的安全和隱私措施，以確保數(shù)據(jù)的安全和合規(guī)性。

2.2.3""醫(yī)院遠(yuǎn)程診療平臺(tái)""醫(yī)院遠(yuǎn)程診療平臺(tái)主要負(fù)責(zé)對(duì)心電監(jiān)測患者進(jìn)行管理，平臺(tái)對(duì)云服務(wù)器傳來的數(shù)據(jù)借助AI進(jìn)行處理分析，然后將識(shí)別的結(jié)果發(fā)送至醫(yī)生的電腦端或手機(jī)端，幫助醫(yī)生掌握患者情況；AI診斷結(jié)果如有異常，也會(huì)第一時(shí)間發(fā)送至患者的手機(jī)端，提醒患者及時(shí)就醫(yī)。遠(yuǎn)程診療平臺(tái)具備患者管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)打印圖表等功能。

基于AI技術(shù)進(jìn)行心電數(shù)據(jù)分析，主要是借助深度學(xué)習(xí)技術(shù)來訓(xùn)練一個(gè)心電數(shù)據(jù)識(shí)別的專用模型，然后對(duì)新采集到的患者心電數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果及時(shí)報(bào)送給醫(yī)生和患者[7]。心電數(shù)據(jù)識(shí)別過程見圖1。

從醫(yī)院收集大量實(shí)測心電數(shù)據(jù)，并保證所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲、濾波、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)注等操作，保證輸入數(shù)據(jù)的一致性和可用性。采用深度學(xué)習(xí)方法從心電數(shù)據(jù)中提取有用的特征關(guān)鍵數(shù)據(jù)，主要包括QRS波、ST段、T波、心率的變異性等[8]。之后進(jìn)行AI基本模型的選取，通常采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。模型訓(xùn)練驗(yàn)證和測試則使用大量已經(jīng)標(biāo)注的心電數(shù)據(jù)來訓(xùn)練選定的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通常將之前處理好的數(shù)據(jù)集按照6∶2∶2的比例劃分，60%為訓(xùn)練集、20%為驗(yàn)證集、20%為測試集。最后將已訓(xùn)練完成的模型部署在具有更強(qiáng)計(jì)算能力的云服務(wù)器或本地服務(wù)器上。在日常的系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需不斷優(yōu)化和改進(jìn)模型，讓模型更智能、平臺(tái)使用更方便快捷。

3""遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)通過對(duì)心臟病患者或疑似患者的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，借助AI技術(shù)進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別，及時(shí)反饋給醫(yī)生和患者本人，為進(jìn)一步診療提供依據(jù)、節(jié)省時(shí)間。系統(tǒng)具有傳輸快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、識(shí)別率高等特點(diǎn)，可有效幫助醫(yī)生快速了解患者病情，避免患者延誤就診時(shí)機(jī)。

系統(tǒng)采用5G網(wǎng)絡(luò)高速傳輸心電數(shù)據(jù)，借助5G網(wǎng)絡(luò)大寬帶、低時(shí)延、高速率的特點(diǎn)，保證心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；借助AI技術(shù)自動(dòng)化診斷，采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)心電圖數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，提高診斷效率；同時(shí)AI模型借助大數(shù)據(jù)推理訓(xùn)練并不斷優(yōu)化，可提高診斷準(zhǔn)確率。最后，系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程診斷，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家對(duì)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)診斷支持，提高基層醫(yī)療水平。

4""遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用前景

4.1""慢性病患者管理

對(duì)已確診的心臟疾病患者或已完成心臟手術(shù)的患者，系統(tǒng)可提供長期監(jiān)測和管理[9-10]?；颊呖蓪?shí)時(shí)監(jiān)測自己的心電情況，無需頻繁前往醫(yī)院或診所進(jìn)行心電圖檢查；同時(shí)醫(yī)生也可遠(yuǎn)程跟蹤患者的心電活動(dòng)，以評(píng)估病情并調(diào)整治療方案及時(shí)干預(yù)。

4.2""突發(fā)心臟事件監(jiān)測

在高風(fēng)險(xiǎn)人群中，如老年人或已知有心臟問題的患者，系統(tǒng)可在出現(xiàn)突發(fā)心臟事件時(shí)提供警報(bào)和干預(yù)，從而有效避免潛在的生命威脅。突發(fā)心臟事件時(shí)，醫(yī)生可在120未到達(dá)之前快速掌握患者病情，遠(yuǎn)程指導(dǎo)患者家屬開展必要的急救措施，為搶救患者爭取寶貴時(shí)間。

4.3""早期心臟疾病篩查

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)可用于篩查患者的心臟健康狀況，尤其是那些有心臟病家族史或高危風(fēng)險(xiǎn)因素的人群[11]。通過遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)，患者可在日常生活中隨時(shí)隨地監(jiān)測自己的心電信號(hào)，并將監(jiān)測結(jié)果及時(shí)傳輸給醫(yī)生，以早期識(shí)別心律不齊、心臟病和其他心臟問題。

4.4""臨床研究與教學(xué)

對(duì)特定類型的心臟病或心臟手術(shù)后患者進(jìn)行長期心電監(jiān)測可提供大量真實(shí)數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生和研究人員了解疾病的進(jìn)展和治療效果；醫(yī)學(xué)生可通過遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)，學(xué)習(xí)如何分析和解釋心電圖數(shù)據(jù)，提高自身的臨床技能和知識(shí)水平。教師也可利用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和圖表，進(jìn)行心電圖的教學(xué)和演示，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

5""小結(jié)

遠(yuǎn)程心電監(jiān)測系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，可實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測患者的心電活動(dòng)，有助于早期發(fā)現(xiàn)心臟問題并提供更好的醫(yī)療照護(hù)。但同時(shí)應(yīng)考慮心電數(shù)據(jù)隱私和安全問題，確?；颊叩男畔⒌玫酵咨票Ｗo(hù)[12]。AI自動(dòng)識(shí)別的心電結(jié)果仍需醫(yī)生進(jìn)行復(fù)核，以保證對(duì)患者心電情況識(shí)別的準(zhǔn)確性。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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（收稿日期：2023–11–08）

（修回日期：2024–02–02）