基于安卓4.3的移動心電監護系統設計

【作　者】張　舜，連宇茜，秦亞杰，汪源源

復旦大學信息科學與工程學院，上海市，200433

基于安卓4.3的移動心電監護系統設計

【作者】張舜，連宇茜，秦亞杰，汪源源

復旦大學信息科學與工程學院，上海市，200433

為了實現對心電信號24 h跟蹤監護和記錄，設計了一套基于安卓4.3的移動心電監護系統。該系統采用復旦大學自主研發的E9622A作為模擬前端芯片采集心電信號，選取TI公司的藍牙低功耗片上系統CC2541與手機進行通信，在安卓平臺上對心電信號進行處理并顯示。整個系統集成在一塊2 cm×2 cm的PCB上。實驗表明，該系統穿戴在人體上可以有效采集心電信號并在客戶端實時顯示清晰波形和基本心電參數，可用于心律失常的初步判斷，且具有低成本、低功耗、靈活性強和攜帶方便的特點。

移動心電監護；藍牙；安卓平臺

0　引言

心血管疾病是中老年人的一種常見病，在我國，每年死于心血管疾病的患者人數居各種死因之首。目前，動態心電圖、床旁監護心電圖和電話有線傳輸遠程監護心電圖等[1]心電監護系統各有自己的體系，但大多體積較大且價格昂貴，不適合在家庭及個人應用中普及。在心電信號分析處理方面，先要使用中值濾波[2]、形態濾波[3]、小波變換[4-5]、相干模板法[6]等方法進行預處理，之后進行QRS波群的識別，主要有差分閾值法[7]、基于相關的模板匹配法等。雖然其中大多方法性能優越，但計算量大，對硬件要求高。為使非重癥患者能對自身的健康狀況做日常的監護和評估，心電監護設備的小型化、低成本化很有必要。

為了實現心電設備的小型化與低成本，并與移動醫療相結合，我們提出了一種基于Android平臺的便攜式移動心電監護系統。該系統在硬件上具有體積小、功耗低的特點，軟件上選擇實時性相對更好的處理算法。通過綜合軟硬件設計的優點，實現了便攜化、可穿戴的心電監護設備，彌補了傳統心電監護設備的不足。

1　系統硬件設計

1.1系統結構

移動心電監護系統主要由充電模塊、電源模塊、藍牙模塊、心電采集模塊和加速度模塊組成，結構框圖如圖1所示。

圖1　移動心電監護系統結構框圖Fig.1　Structure block diagram of mobile ECG monitoring system

系統的工作流程為：充電模塊對系統充電；電源模塊為系統各芯片供電。金屬電極貼于人體表面，將心電信號傳給心電采集模塊。心電采集模塊將采集到的數據通過I/O口傳給藍牙模塊。藍牙模塊的微處理器對接收的數據進行處理，通過天線以一定數據格式發給Android手機客戶端?？蛻舳塑浖π碾姅祿M行濾波、分析、處理與顯示。加速度模塊則是為今后進一步研究中輔助心電信號分析而準備的。

充電模塊采用MAX1555單節鋰離子電池充電器芯片。該鋰電池具有無污染、無記憶效應、高能量體積比與自放電率低等優點，是便攜式移動設備的首選電池方案。系統中USB和插頭式電源作為它的充電電源，MAX1555本身的過流保護設計也為整個系統的安全性提供了保障。電源模塊中選擇噪聲輸出線性穩壓器MIC5205，當遇到突然斷電情況，其功耗可降至接近為零，以延長電池壽命。加速度模塊采用三軸加速度傳感器ADXL345，它既可用來測量動態加速度，如沖擊或運動產生的加速度；也可測量靜態加速度，如重力加速度。

1.2前端采集電路設計

前端采集電路主要由心電采集模塊E9622A和電極組成，結構如圖2所示，其中VIN1和VIP1與兩個電極相連，是信號的輸入；ECG VOUTA是心電信號的輸出，與藍牙模塊相連接。

圖2　前端采集電路基本結構框圖Fig.2　Basic structure block diagram of front-end acquisition circuit

由于心電信號幅度較小，易受到其它信號的干擾，所以要求前端采集電路有低噪聲、高共模抑制比和高輸入阻抗的特點。本系統采用的E9622A，是復旦大學自主研發的E9622A芯片。該芯片應用了載波調制、雙回路失調消除等關鍵技術，通過對應用系統、模擬前端結構、核心模塊電路和關鍵元件等各個層面的細致研究，設計聯合優化方法[8]，攻克全集成模擬前端集成電路的設計難點，實現了低噪聲、高共模抑制比和高輸入阻抗等高性能指標。

1.3藍牙模塊設計

藍牙模塊實現系統與客戶端的通信，將前端采集模塊采集到的數據通過天線發送出去，由客戶端進行接收。主要包括：睡眠晶振(32 kHz)、片外晶振(32 MHz)、+3 V供電電源及電源退耦電路、按鍵方式復位電路、阻抗匹配電路及單極性PCB天線，其結構如圖3所示。

系統選用TI公司CC2541藍牙4.0低功耗片上系統。獨立的6 mm×6 mm器件上集成了控制器與主機，既滿足便攜式設備小型化要求，也可對接收到的心電信號進行處理并以合適的格式進行發送。同時，片上數據可永久保留，利于心電數據的記錄與存儲。此外，CC2541可在不同模式間進行轉換，且轉換時間較短，能耗低，可延長設備一次充電后的使用時間，使便攜式設備的使用更方便。

圖3　藍牙模塊結構框圖Fig.3　Structure block diagram of Bluetooth module

2　系統軟件設計

客戶端的軟件部分實現：接收系統發出的藍牙數據，進行保存、處理和顯示心電波形及參數。

系統在Windows環境下使用Eclipse軟件進行Android應用程序的編寫。由于系統使用藍牙4.0模塊，所以Android系統版本須在4.3以上，以支持藍牙4.0API。軟件包括藍牙接收和信號顯示處理兩個子線程，如圖4所示。

圖4　藍牙接收線程和信號顯示處理線程Fig.4　Bluetooth receiving thread and signal display and processing thread

2.1藍牙接收

由于系統基于藍牙4.0協議，所以使用Google在Android 4.3 (API Level 18)之后推出的BLE (Bluetooth Low Energy) API接口。為方便數據的管理和回顧，將心電、加速度信號分別按自定義的文件格式保存在本地SD卡中。

2.2心電信號預處理

心電信號往往帶有0.05～2 Hz的基線漂移。本系統使用線性相位響應的數字高通濾波器，在濾除低頻基線漂移的同時，又因線性相位響應的特性避免了輸出波形的失真。由于肌肉運動產生的肌電信號會對心電信號造成干擾，頻率一般在20～5 000 Hz。這里使用均值濾波方法，一定程度上消除高頻噪聲。

2.3QRS波群識別

QRS波群的識別是計算心率的前提。本系統采用經典的一階、二階差分方法識別QRS波群。該方法使用一組數字濾波器，將心電信號作為輸入，每一個QRS波群輸出一個與QRS寬度成比例的脈沖。計算過程如圖5所示。

圖5　QRS波識別算法Fig.5　QRS complex detecting algorithm

采用閾值判斷方法捕捉每一個輸出脈沖。由于每個使用者的個體差異，閾值的選取需要初始化，進而根據實際情況實時調整。經過閾值判斷，相當于將輸出脈沖整形成標準的矩形脈沖。相鄰兩個矩形脈沖的上升沿之間的間距即為RR間期，每個矩形脈沖的寬度可以表征QRS寬度。

2.4心律失常的初步判斷

本系統除可獲得使用者的心電信號外，還可進行異常心拍的檢測，并且將異常的實時心電波形保存，供醫療人員查看。

先獲得8個周期的平均RR間期和平均QRS寬度作為正常值的參考。在“RR間期—QRS寬度”二維圖上表現為一個正常值的中心點，如圖6所示。在該中心點周圍有一個矩形范圍，分別以中心RR間期的±14%、中心QRS寬度的±20%作為邊界。當下一跳的RR間期、QRS寬度落在該矩形范圍內，則認為它屬于正常心律。如果落在矩形外，則視為異常心律。每獲得一個新的心拍，實時調整中心點的位置。

圖6　RR間期—QRS寬度 二維圖Fig.6　2D plot of RR intervals and QRS durations

3　系統測試與結果

圖7(a)為系統實物圖，圖7(b)為人體佩戴圖。PCB尺寸僅為2 cm×2 cm，集成度高。

將電極貼于人體后，裝入電池即可開始工作。開啟手機藍牙，打開Android應用程序，即可采集到數據。采集到的數據以特定的文件格式保存在本地。

用戶端界面上分別顯示了心電信號和加速度信號的實時波形以及心率、RR間期、QRS間期幾個參數，并可以檢測出心率失常的個數，界面清晰，操作簡單，有較高的實用性。最終的應用程序界面如圖8所示。

圖7　移動心電監護系統實物圖Fig.7　Pictures of the mobile ECG monitoring system

圖8　Android應用程序的波形及參數顯示Fig.8　The wave and parameter display on Android app

本系統中使用的QRS波群識別方法，在R波沒有被淹沒的情況下，有較好的識別效果。圖9顯示了原始的心電信號經過算法處理后的輸出脈沖。表1為選取MIT-BIH心電數據庫中的幾組數據用本系統方法所做的測試結果。

4　結論

本文完成了基于低功耗片上藍牙系統CC2541的便攜式移動心電監護系統的設計，整個系統的PCB只有2 cm×2 cm大小，集成度高。通過對前端采集模塊、電源模塊、充電模塊、藍牙模塊的設計與選型，實現了便攜式移動心電監護功能，在安卓手機端可觀測心電波形及心率、RR間期等相關參數，并可檢測QRS間期和心率失常情況。此外，為下一步心電信號分析的需要，設計中還加入了基于ADXL345的加速度模塊。整個系統軟硬件結合，完整度高，實現了心電監護設備的微型化，并將主要計算功能移至智能手機終端，降低了硬件產品的成本，彌補了目前大多心電監護設備的不足。

圖9　QRS波群的識別輸出脈沖Fig.9　The output pulse of the QRS detecting algorithm

表1　QRS波群識別結果Tab.1　QRS complex detecting results

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Design of the Mobile ECG Monitoring System Based on Android 4.3

【 Writers 】ZHANG Shun, LIAN Yuxi, QIN Yajie, WANG Yuanyuan
School of Information Science and Engineering, Fudan University, Shanghai, 200433

To monitor and record Electrocardiograph (ECG) signals for 24 hours, a mobile ECG monitoring system is designed based on Android 4.3. In this system, domestic indigenous E9622A is used to acquire ECG signals and TI CC2541 is adopted to communicate with mobile phones. The program is implemented on the Android platform to display and process ECG signals. The whole system is integrated on a 2 cm×2 cm PCB. From experiments, it is shown that ECG signals can be obtained effectively when this system is worn, and clear ECG waveforms and parameters can be shown on the phones. With this system, arrhythmia can be diagnosed preliminarily. It is also shown that the system is low-power, low-cost, flexible and portable.

mobile ECG monitoring, bluetooth, Android

TH772.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.04.007

1671-7104(2015)04-0261-04

2015-01-30

上海市科委資助項目(13441902800)

張舜，E-mail: 14210720051@fudan.edu.cn