基于生物反饋技術的可穿戴式心電監測系統的設計

李金霞 張立強

基于生物反饋技術的可穿戴式心電監測系統的設計

李金霞①張立強②

目的：設計一種可穿戴式心電監測系統，實時監測患者的心電變化。方法：基于生物反饋技術，引入生物反饋訓練，設計具有放松療法和行為療法功能的可穿戴式心電監測系統。該系統采用射頻識別(RFID)的物聯網技術，實現心電數據的無線傳輸，并應用矩陣實驗室(MATLAB)軟件簡單實現了心電數據的家庭化分析。結果：系統實現了可穿戴式的無線心電監測，可更好地調動患者的主觀能動作用，使其自發地進行心理、生理活動的內在調節，進而達到預防疾病或治療疾病的目的。結論：應用生物反饋技術和基于RFID的物聯網技術設計的可穿戴式心電監測系統具有較強的實用性，可推廣應用。

心電監測；生物反饋；可穿戴式；矩陣實驗室

[First-author’s address] Department of Pediatrics, General Hospital of Lanzhou Military Area Command, Lanzhou 730050, China.

心電監測廣泛應用于臨床與康復護理中，能夠實時監測患者的心電變化，且監測設備能夠及時、自動地給予患者一定的指導，使患者能夠有意識地自主調節神經系統功能，進而調節其內部生理狀態，其效果良好[1-2]。而能夠實現無線數據傳輸的簡便，家用可穿戴式心電監測系統及其具有一定專家指導功能的配套軟件有著廣闊的應用前景。本研究應用基于無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)的物聯網技術，設計實現了可穿戴式心電監測系統；借助普通個人計算機(personal computer，PC)，充分發揮矩陣實驗室 (matrix laboratory，MATLAB)軟件的強大數據分析處理能力，便于在MATLAB環境中實現心電監測數據的分析。通過本系統，患者不但可以在不被限制自由的情況下實現一定范圍的遠程心電監測，還可以在PC機上自助分析其心電信號，進行簡單的參數檢測和波形檢測。

1 生物反饋技術及生物反饋訓練

1.1 生物反饋技術

心理活動和生理活動之間存在著緊密的內在聯系，這是無意識的生理活動置于有意識的意識控制之下的物質基礎。生物反饋技術即通過有意識地訓練，使患者意志可以在一定條件和范圍內支配原來認為不能隨意支配的平滑肌、心肌以及許多植物神經支配的器官的功能[2]。通過傳感器將患者正常意識不到的身體功能，如心電、腦電、肌電及血壓等加以處理和放大，及時轉換成其熟悉的視覺信號或聽覺信號顯示出來，使患者實實在在地“感覺”到自己內臟器官的活動情況；患者通過學習和訓練，學會在一定范圍內通過調節其自身的中樞神經系統的高級機能來糾正、恢復或者穩定其內臟器官活動，進而達到防治疾病的目的。生物反饋的實現，需要患者機體各系統的參與，受控部分不斷發出的反饋信息通過中樞神經系統的識別、理解，調動各系統參與生理、心理功能的調節，進而形成反饋信息—調節環路，使患者機體不平衡的心理、生理狀態向相對平衡狀態轉化，以保持身心健康。

生物反饋療法充分反映了心身的不可分割性和心身統一的整體觀。作為行為療法的發展，自20世紀60年代末，隨著行為主義理論的建立以及系統論、控制論和信息論的興起而出現以來，在心理學、生理學、臨床醫學和現代電子學等諸學科發展的基礎上，順應“生物→心理→社會”醫學模式的發展，以其無損傷、無痛苦、無藥物不良反應、方法簡便及療效滿意等優點在預防醫學、康復醫學、臨床醫學和其他領域中得到了越來越廣泛的應用。

1.2 生物反饋訓練

生物反饋訓練重在患者機體行為(生理和心理行為)的調節和矯正，是心理和生理發展的過程，強調持之以恒，生物反饋的作用機制如圖1所示。

圖1 機體行為調節過程框圖

生物反饋治療效果如何，與患者自身參與程度有密切關系。治療過程中患者須真正認識到生理、心理的發展性，明白生物反饋治療裝置可以提高訓練效果，但不能替代訓練，患者須自覺調動自身潛力，積極參與到治療中來。經過一定時間的訓練，患者可以不再使用生物反饋治療裝置也可達到良好的放松效果和對特定內臟器官的一定控制。如果僅僅注重行為的訓練，忽視生理和心理治療，療效將不會持久。將行為訓練和生理治療、心理治療相結合，能夠使治療效果更加穩定、持久。

具有良好的抗應激效果的生物反饋放松訓練，不僅可以使患者克服由于病痛帶來的負面情緒和精神創傷，而且通過訓練能夠使痙攣和緊張的肌肉逐漸放松，加強對病痛部位生理信息的感知和控制，鼓勵患者增加康復的信心，能夠使其從精神痛苦中解脫出來。患者在放松狀態時表現為呼吸頻率和心頻的減慢、血壓下降，全身骨骼肌張力下降，并有四肢溫暖，頭腦清醒，心情輕松愉快，全身舒適的感覺。生物反饋放松訓練可單獨使用，也可與藥物或其他心理療法配合，從而達到減少藥物用量，甚至縮短療程的目的。

2 基于生物反饋技術的可穿戴式心電監測系統的設計

隨著計算機技術、傳感器技術的發展，可穿戴設備逐漸成為研究熱點。可穿戴遠程醫療能夠為患者提供低負荷、非接觸及長期連續的生理檢測，作為新一代醫療監護模式，被認為是最有效和最實際可行的監護手段[3-4]。本研究應用基于RFID的物聯網技術，并引入生物反饋技術，建立可穿戴式的心電監測系統，在實現患者心電參數的連續、長時間監測的同時，輔以專家指導功能，指導患者有意識地進行生物反饋訓練。

2.1 可穿戴式心電監測系統的硬件結構及原理

利用心電電極從人體提取微弱的心電信號，濾除干擾信號后進行放大，將取得的模擬信號經調理電路處理后，通過RFID無線傳輸至485總線，數據由485總線送入PC機并存入網絡數據庫(如圖2所示)。

圖2 心電采集系統框圖

RFID通過射頻信號自動識別并獲取相關數據，數據識別速度快、容量大、可同時識別多目標以及運動目標且操作方便快捷。RFID系統包括電子標簽、讀和(或)寫卡器、數據處理軟件平臺等3大部分。RFID電子標簽存儲容量可達兆字節，亦可以重復讀寫，可隨時存取設備信息[5]。

為了實時掌握可穿戴式心電監測系統的使用狀況，在其上固定粘貼有源RFID標簽；在一定范圍的患者自由活動區域分布安裝RFID讀卡器，其安裝范圍越廣，則患者可自由活動區域越大，讀卡器的電子編碼可對應相應的患者活動區域身份(Identity，ID)標識。帶有主動式RFID的可穿戴式心電監測裝置只要在分布安裝有RFID讀卡器的一定范圍的區域內，即可被該區域內的RFID讀卡器識別，RFID對應的可穿戴式心電監測裝置信息以及采集的心電數據通過485總線傳輸給上位PC機，上位PC機根據所獲得的信息將RFID編碼與相應心電監測裝置即相應患者ID對應，即可自動跟蹤、監控該心電監測裝置的運行，并后臺存儲數據于網絡數據庫中；如果需要，還可以實時在上位機屏幕顯示采集到的心電圖[6-7]。而醫生或患者也可以通過互聯網訪問該網絡數據庫，并依據患者ID提取對應的心電數據，進而應用配套的系統軟件隨時監測相應心電圖[8-9]。

2.2 可穿戴式心電監測系統的軟件設計

系統軟件讀取采集來的心電數據，可在計算機上實時動態顯示心電信號，并應用MATLAB的小波分析工具箱，對實時采集的心電信號進行簡單的參數檢測和波形檢測。系統采用標準的Windows窗口界面風格，主要由系統設置、心電采集、心電分析及幫助等功能模塊組成。進入系統后可以隨時對被監測患者的基本信息資料進行查詢、修改、保存及打印等操作。

2.2.1 心電采集及分析模塊

實現心電信號的采集、預處理以及分析顯示。小波變換非常適用于分析心電信號這種非平穩信號，應用MATLAB的小波分析工具箱，對實時采集的心電信號進行簡單的參數檢測和波形檢測[10-13](如圖3、圖4所示)。

圖3 心電信號動態顯示界面圖

圖4 心電信號分析界面圖

2.2.2 幫助模塊功能

可穿戴式心電監測系統的幫助模塊功能分為下述3部分。

(1)操作說明及在線幫助。能夠對本系統進行較詳盡的操作說明，并給予使用者在線幫助。

(2)專家咨詢功能。利用數據庫技術開發心電監測及生物反饋訓練問答系統，系統可以調用相關chm文件，使普通使用者可詳盡了解心電監測及生物反饋訓練的相關理論知識，以做好生物反饋訓練[14-15]。在使用本系統之前患者可在醫生指導下針對其心電狀況進行一段時間的有意識的生物反饋訓練，通過訓練，學會在一定范圍內通過調節其自身的中樞神經系統的高級機能來糾正、恢復或者穩定其心電。經多次訓練后使患者能夠自發地對反饋信息通過中樞神經系統的識別、理解，調動其自身機能系統參與生理、心理功能的調節，形成反饋信息—調節環路，使患者保持身心健康，進而達到防治疾病的目的。在使用過程中患者可隨時借助系統幫助模塊指導其訓練。

(3)數據庫管理。可在線對系統的網絡數據庫進行數據查詢、修改、保存及打印等操作[16]。

3 結語

生物反饋療法作為防治各種心身疾病的新思路，仍有諸多不完善之處，如尚未完全掌握其治療機制以及缺乏操作簡便而能定量評價訓練效果的生物反饋裝置等，均有待于進一步地研究。本研究設計的基于生物反饋技術的可穿戴式心電監測系統，是生物反饋技術應用的有益探索和嘗試，經試用表明具有一定的推廣應用價值。隨著研究的深入，生物反饋技術將擁有越來越廣泛的應用前景。

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Design of wearable ECG monitoring system based on biofeedback technology

LI Jin-xia, ZHANG Li-qiang
China Medical Equipment,2015,12(6):34-36.

Objective: A wearable ECG monitoring system is designed. Methods: By biofeedback technology and biofeedback training, a wearable ECG monitoring system with functions of relaxation therapies and action therapies comes true. By technology of RFID-based internet of things, wireless data transmission is obtained. And with MATLAB, the analyses of ECG data at home are attained simply. Results: The system realizes the wearable ECG monitoring. It can promote sufferers’subjective initiative effectively to make his spontaneous physiologic and mental regulations, and the prevention or healing will be achieved. Conclusion: The wearable ECG monitoring system by technologies of biofeedback and RFID-based internet of things, with strong practicability, can be widely applied.

Electrocardiogra monitoring; Biofeedback; Wearable; Matrix laboratory

李金霞,女,(1976- ),本科學歷，主管護師。蘭州軍區蘭州總醫院兒科，從事新生兒護理工作。

1672-8270(2015)06-0034-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.011

2014-09-22

①蘭州軍區蘭州總醫院兒科 甘肅 蘭州 730050

②蘭州理工大學溫州泵閥工程研究院 浙江 溫州 325105