基于樹莓派的實(shí)時(shí)心臟病輔助診斷

顏芳 禹素萍 許武軍

摘 要：依據(jù)心電圖特征參數(shù)R峰面積與S峰面積比，對正常、異常心電圖進(jìn)行快速二分類以提高心電分類效率和準(zhǔn)確率。通過MIT-BIH數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)分析，正常心電圖R峰面積與S峰面積比遠(yuǎn)大于異常心電圖中的面積比值。在QRS波群檢測中，改進(jìn)QRS波群起止點(diǎn)檢測算法，將移動(dòng)窗口積分法、距離最大值法與斜率突變法3種方法加權(quán)平均結(jié)果作為QRS起止點(diǎn)最終檢測結(jié)果，彌補(bǔ)單一算法的不足，提高起止點(diǎn)檢測精確度，為面積比計(jì)算及后續(xù)心臟病輔助診斷提供可靠前提。基于低功耗、便攜的樹莓派平臺(tái)實(shí)現(xiàn)算法，以樹莓派Raspbian系統(tǒng)自帶的Python為工具，構(gòu)建了一個(gè)便攜、實(shí)時(shí)的心電輔助診斷平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：面積比;樹莓派;心電圖;心臟病輔助診斷

DOI：10. 11907/rjdk. 182448

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）006-0101-05

Abstract：In this paper， the area ratio of R peak and S peak in electrocardiogram （ECG） is presented to distinguish normal ECG and abnormal ECG quickly， and improve the efficiency and accuracy of ECG diagnosis. According to the statistics of MIT-BIH database data， the ratio of R peak area to S peak area in normal ECG is far greater than which in an abnormal ECG. In QRS complex detection， the algorithm of detecting the starting and ending point is improved. The result of weighted average of three methods including ?moving window integration， maximum distance method and slope mutation is used as the final detection result of the starting and ending point of QRS complex， which provides a reliable premise for the calculation of area ratio and the subsequent auxiliary diagnosis of heart disease. The implementation of the algorithm is based on the low power and portable raspberry Pi platform. The algorithm implementation tool is Python which is a system software in Raspbian system， a portable and real-time auxiliary ECG diagnosis platform is constructed.

Key Words： area ratio; Raspberry Pi; ECG; auxiliary diagnosis of heart disease

0 引言

心臟病是人類健康頭號(hào)殺手。全球約1/3人口死亡是因心臟病引起的，而我國每年死于心臟病的患者達(dá)幾十萬人。現(xiàn)有心臟疾病防治醫(yī)療模式以疾病治療為核心，然而研究結(jié)果表明，心臟疾病的病程具有不可逆性，因此心臟疾病預(yù)防和早期干預(yù)治療是目前公認(rèn)的降低心臟疾病死亡率、減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)的最有效手段。所以研制可實(shí)時(shí)監(jiān)控心臟情況并作出診斷和預(yù)警的心電圖（electrocardiogram，ECG）診斷系統(tǒng)尤為重要。

心電圖診斷系統(tǒng)在臨床中有良好的應(yīng)用前景，其中可穿戴心電圖診斷系統(tǒng)的應(yīng)用前景尤被看好。Holter是早期遠(yuǎn)程心電監(jiān)控系統(tǒng)[1]，但沒有遠(yuǎn)距離傳輸功能，僅限于在醫(yī)院回顧心電監(jiān)護(hù)信息，無法進(jìn)行心電診斷。經(jīng)電話傳送的心電圖監(jiān)測（Transtelephonic ECG monitoring，TTM）[2]不受時(shí)間、地域限制，但當(dāng)患者劇烈活動(dòng)、干擾較大時(shí)無法有效工作。遙測心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[3]實(shí)時(shí)性有所改進(jìn)，但患者活動(dòng)受限，不適于長期心電監(jiān)測。基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[4]將采集的心電信號(hào)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將心電數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院心電監(jiān)護(hù)工作站進(jìn)行分析，但是數(shù)據(jù)傳輸是有線傳輸，患者活動(dòng)受限，而且用戶須有PC機(jī)且傳輸過程受網(wǎng)絡(luò)影響很大，用戶一旦增多，系統(tǒng)就無法正常工作。基于移動(dòng)通信的遠(yuǎn)程心電監(jiān)控系統(tǒng)[5]不是有線傳輸，可給患者提供更大活動(dòng)范圍，增加患者體驗(yàn)舒適度。在心電診斷部分，對于心電信號(hào)診斷方面，研究學(xué)者也做了大量研究工作[6-10]。

如圖1所示，心電圖診斷系統(tǒng)通常包括兩部分：心電圖采集部分和心電診斷部分。目前可穿戴心電診斷系統(tǒng)已可以人性化地進(jìn)行自動(dòng)心電診斷，如趙儒哲等[6]提出的EPIC可穿戴心電診斷系統(tǒng)，EPIC ECG采集設(shè)備防水，可隔著衣物檢測心電信號(hào)，因而能長期采集心電信號(hào)，信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸?shù)絇C端進(jìn)行診斷。但是由于其采集的心電信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸?shù)絇C端進(jìn)行心臟病診斷時(shí)，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可能延誤病情;另外由于數(shù)據(jù)傳輸受距離和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度等因素影響，如藍(lán)牙傳輸，降低了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。本文從診斷系統(tǒng)的角度出發(fā)，采用功耗低、可攜帶的樹莓派代替電腦端，將其直接和心電信號(hào)采集系統(tǒng)一起穿戴在身上，對采集到的心電信號(hào)可隨時(shí)處理，而且不受距離影響，使可攜帶的實(shí)時(shí)心電圖診斷成為可能，便于心臟實(shí)時(shí)監(jiān)控與及時(shí)預(yù)警。本文還提出特征參數(shù)R峰面積與S峰面積比，使心電診斷更加類似于臨床診斷方法，從而獲得更加準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，且改進(jìn)了QRS波群檢測算法，為心臟病診斷提供了一個(gè)可靠前提。