基于可穿戴傳感器的實(shí)時(shí)心電檢測(cè)方法研究

孟 瑤

(遼東學(xué)院 信息工程學(xué)院，遼寧 丹東118000)

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和人們對(duì)高質(zhì)、高效保健的更多需求，可穿戴傳感器技術(shù)在健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用備受關(guān)注[1]。 可穿戴健康系統(tǒng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備的局限性，提供有關(guān)個(gè)人的長(zhǎng)期健康狀況反饋，乃至健康威脅警報(bào)[2]，因此有望變革醫(yī)療保健，實(shí)現(xiàn)對(duì)健康隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決、疾病的有效預(yù)防以及慢性病的更好理解和自我管理[3]。

該類系統(tǒng)通常使用集成在可穿戴設(shè)備中的微型傳感器來(lái)測(cè)量諸如心電圖(ECG)、血壓、活動(dòng)、溫度等生物信號(hào)，并據(jù)此反饋與佩戴者及其所處環(huán)境相關(guān)的生理和情境信息[4]，其強(qiáng)調(diào)低生理負(fù)荷甚至無(wú)負(fù)荷的信息采集，對(duì)機(jī)體的日常活動(dòng)基本沒(méi)有干擾，可應(yīng)用于臨床監(jiān)護(hù)、家庭保健、體育訓(xùn)練等領(lǐng)域[5]。 例如，劉遠(yuǎn)柯[6]針對(duì)老年人的日常監(jiān)護(hù)，設(shè)計(jì)了一套人體生理信息及姿態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了心電、心率、體溫和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供心電異常和意外跌倒的識(shí)別與報(bào)警；洪巖等[7]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于智能服裝的人體生理指標(biāo)與服裝微氣候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其通過(guò)體溫和心率反映人體的生理狀況，通過(guò)濕度和溫度了解身體舒適度；李正明等[8]設(shè)計(jì)了一種生理健康監(jiān)控系統(tǒng)，采用溫度、脈搏等傳感器進(jìn)行前端感知，利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)終端的通信，智能手機(jī)接收、處理和存儲(chǔ)生理參數(shù)，并通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)向監(jiān)護(hù)人和醫(yī)療組織提供數(shù)據(jù)監(jiān)控；李金明[9]設(shè)計(jì)了一種多參數(shù)心臟遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集單元負(fù)責(zé)信號(hào)采集和藍(lán)牙通信，Android 客戶端實(shí)現(xiàn)心電、心音和脈搏信號(hào)的波形顯示、存儲(chǔ)、刪除及上傳，云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)三種生理信號(hào)的云端存儲(chǔ)；占峰松[10]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款可穿戴心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和處理心電信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行特征提取和參數(shù)計(jì)算，并基于預(yù)置或自定義規(guī)則實(shí)時(shí)檢測(cè)心電異常；李潤(rùn)川等[11]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其借助可穿戴心電檢測(cè)儀采集心電信號(hào)，傳輸至云平臺(tái)供醫(yī)生查看和診斷，并將結(jié)果派發(fā)給手機(jī)端顯示；高鵬彪[12]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 可檢測(cè)人體血壓、體溫、心率、體脂率等生物信號(hào)，并通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)移動(dòng)端通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。

心電圖是心臟隨時(shí)間變化的電活動(dòng)記錄。 這種常見(jiàn)的非侵入性測(cè)量通常是通過(guò)將電極固定在受試者胸部區(qū)域來(lái)獲得的[13]。 可穿戴傳感器采集的ECG 大多是在人體動(dòng)態(tài)條件下記錄的，信號(hào)受到了各類噪聲和偽影的影響[14]，因此相較傳統(tǒng)ECG 監(jiān)護(hù)儀，可穿戴ECG 的處理更具難度。 本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于可穿戴傳感器的實(shí)時(shí)心電檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)穿戴胸帶內(nèi)嵌的傳感器，采集佩戴者的心電信號(hào)并傳輸至移動(dòng)設(shè)備。 安裝于移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用程序接收心電信號(hào)，使用自適應(yīng)心電檢測(cè)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，顯示心電信號(hào)及實(shí)時(shí)心率。 實(shí)地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性與可行性。

1 可穿戴心電檢測(cè)系統(tǒng)

該可穿戴心電檢測(cè)系統(tǒng)包括可穿戴胸帶和移動(dòng)應(yīng)用程序兩部分。 可穿戴胸帶包括傳感器模塊、電路模塊、通信模塊和電源模塊。 傳感器模塊使用心電傳感器采集心電信號(hào)；電路模塊匯集和控制信號(hào)；通信模塊使用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)胸帶和移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線通信；電源模塊用于供能。 移動(dòng)設(shè)備(如智能手機(jī)、平板電腦等)安裝有專門的應(yīng)用程序，其接收和處理心電信號(hào)，并實(shí)時(shí)展示心電信號(hào)和心率。

1.1 可穿戴胸帶

如圖1 所示，可穿戴胸帶使用3 個(gè)內(nèi)置ECG 傳感器(采樣率240 Hz)來(lái)感知佩戴者心臟活動(dòng)。 傳感器信號(hào)通過(guò)數(shù)字紗線發(fā)送至信號(hào)調(diào)節(jié)電路，無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 該過(guò)程降低了運(yùn)動(dòng)偽影和測(cè)量噪聲，提高了心電圖的穩(wěn)定性和QRS 波群的檢測(cè)率。

1.2 移動(dòng)應(yīng)用程序

移動(dòng)應(yīng)用程序接收可穿戴胸帶傳輸?shù)男碾娦盘?hào)，于其界面顯示心電信號(hào)和采用自適應(yīng)心電檢測(cè)算法提取的實(shí)時(shí)心率，如圖2 所示。

圖1 可穿戴胸帶

圖2 心電信號(hào)和心率

2 自適應(yīng)心電檢測(cè)算法

采集自心電傳感器的信號(hào)波形類似標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)II 心電圖，故對(duì)文獻(xiàn)[15]開發(fā)的QRS 檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)本系統(tǒng)心電信號(hào)。 為滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的需求，算法以重疊滑動(dòng)窗口的方式，對(duì)輸入的心電信號(hào)進(jìn)行分段處理，具體包括以下步驟：

(1)設(shè)置滑動(dòng)窗口的起始位置，窗口大小缺省值為512，獲取窗口內(nèi)的原始心電信號(hào)(圖3(a))。

(2)對(duì)窗口內(nèi)信號(hào)應(yīng)用均值濾波器和帶通濾波器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行平滑降噪(圖3(b))。

(3)對(duì)濾波后的信號(hào)依次進(jìn)行微分(圖3(c))、逐點(diǎn)平方(圖3(d))和移動(dòng)窗口積分(圖3(e))。

(4)基于積分波形的峰值，導(dǎo)出閾值，據(jù)此檢測(cè)QRS 波群的R 波(圖3(f))。

(5)計(jì)算當(dāng)前R 波和前一個(gè)R 波之間的位置間隔，即RR 間隔。

(6)基于過(guò)去5 個(gè)RR 間隔和R 波峰值的平均值，計(jì)算自適應(yīng)閾值；當(dāng)不足5 個(gè)時(shí)，使用所有已知RR 間隔和R 波峰值；閾值初始值為0。

(7)根據(jù)RR 間隔和R 波峰值的自適應(yīng)閾值以及當(dāng)前RR 間隔和R 波峰值，評(píng)估當(dāng)前R 波的合法性。

(8)若當(dāng)前R 波合法，結(jié)合采樣率，計(jì)算當(dāng)前心率(次/分鐘)。

(9)根據(jù)當(dāng)前R 波結(jié)束位置，確定下一個(gè)窗口的起始位置。

(10)重復(fù)以上步驟，直到處理完所有信號(hào)。

3 實(shí)地實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)和自適應(yīng)心電檢測(cè)算法的性能，設(shè)計(jì)和實(shí)施了實(shí)地實(shí)驗(yàn)。

3.1 方法

8 名受試者參與了實(shí)地實(shí)驗(yàn)， 其身體特征的描述性統(tǒng)計(jì)信息(均值、標(biāo)準(zhǔn)差和范圍)如表1 所示。受試者佩戴胸帶，使用跑步機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

3.2 結(jié)果

為了評(píng)估心電檢測(cè)算法性能，將算法檢測(cè)到的R 波數(shù)量與其實(shí)際數(shù)量進(jìn)行了比較。 表2 顯示了每名受試者的實(shí)際R 波數(shù)量、檢測(cè)R 波數(shù)量和檢測(cè)錯(cuò)誤率。 在8 名受試者中，2 名受試者檢測(cè)誤差絕對(duì)值在0 ～1%之間；2 名受試者檢測(cè)誤差絕對(duì)值在1%～2%之間；3 名受試者檢測(cè)誤差絕對(duì)值在2%～3%之間；1 名受試者檢測(cè)誤差絕對(duì)值在3%～4%之間(圖4)。

表1 8 名受試者身體特征

表2 算法性能

圖4 R 波檢測(cè)錯(cuò)誤率

表3 顯示了檢測(cè)錯(cuò)誤率的描述性統(tǒng)計(jì)信息。 其中錯(cuò)誤率均值為-1.99%，均值在95%置信水平的置信區(qū)間為(-2.86%，-1.11%)，中值為-1.98%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.05，最小值為-3.66%，最大值為-0.52%，范圍為3.14%。

3.3 討論

為了探討受試者身體特征對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采用Spearman 相關(guān)分析了年齡、身高、體重以及BMI與錯(cuò)誤率之間的關(guān)系。 如表4 所示，受試者體重與錯(cuò)誤率的相關(guān)系數(shù)為-0.755(p＜0.05)，說(shuō)明受試者體重與錯(cuò)誤率之間存在高度負(fù)相關(guān)。

為了分析R 波檢測(cè)錯(cuò)誤成因，對(duì)比了實(shí)際R 波數(shù)量和檢測(cè)R 波數(shù)量。 如圖5 所示，所有受試者都產(chǎn)生了低估R 波數(shù)量的情況，這主要是由于人體活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影和測(cè)量噪聲，從而導(dǎo)致了R 波漏檢現(xiàn)象。 圖6 展示了出現(xiàn)該類情況的心電信號(hào)，在下標(biāo)4 000～4 600 之間遺漏了若干R 波，因此低估了從該段信號(hào)獲得的瞬時(shí)心率。 當(dāng)這種漏失現(xiàn)象頻繁發(fā)生時(shí)，R 波總數(shù)量可能會(huì)被低估。

表3 描述性統(tǒng)計(jì)信息

表4 身體特征與錯(cuò)誤率相關(guān)性

圖5 低估R 波數(shù)量

因此，該算法可以在正常步行情況下表現(xiàn)良好，但是運(yùn)動(dòng)偽影和測(cè)量噪聲對(duì)算法性能的降低起到了一定作用，意味著在高強(qiáng)度活動(dòng)中可能會(huì)獲得降低的性能，因?yàn)樵谶@些活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生更多的偽影和噪聲。

圖6 R 波漏檢

4 結(jié)論

本文提出了一種基于可穿戴胸帶和移動(dòng)應(yīng)用程序的心電檢測(cè)方法，其提供與心電信號(hào)相關(guān)的實(shí)時(shí)反饋。 移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了自適應(yīng)心電檢測(cè)算法，其利用胸帶內(nèi)嵌的心電傳感器采集的信號(hào)，檢測(cè)瞬時(shí)心率。 招募了8 名受試者進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)和算法性能進(jìn)行了測(cè)試。 結(jié)果表明，檢測(cè)R 波數(shù)量錯(cuò)誤率為-1.99%，檢測(cè)到了96%以上的R 波。下一步研究可擴(kuò)大受試者范圍以更全面地測(cè)試算法性能，也可改進(jìn)算法以降低錯(cuò)誤率。