手機心電圖機的研究進展

賈孟哲，畢訊，閆慶峰

海南醫學院第一附屬醫院 a.普通外科；b.心臟外科，海南 海口 570102

引言

隨著人們衣食住行水平的提高，高鹽、高糖、高脂飲食及工作生活壓力使心血管病發病率與死亡率迅速攀升。《中國心血管病報告2018》指出，我國約2.9億人患心血管病,死亡率為各種疾病首位[1]。心血管疾病已成為威脅構建人類衛生健康共同體的危險因素之一[2]，也是全球醫學界的難題。心電圖機是對心血管疾病早期篩查與檢測的有效手段[3]，對降低心血管疾病的死亡率有重要價值。醫院普遍使用的是常規心電圖機和Holter心電圖機，這兩種心電設備發展成熟，但存在的問題也愈加明顯。常規心電圖機體積大、攜帶困難，仍然采取導線連接，其探頭需要涂電導液，操作過程復雜，很難實現對心血管疾病突發患者的及時檢測，而且在此過程中患者處于被動地位，只能等醫生做心電圖，這樣有可能延誤搶救時機，導致患者死亡率的增加。Holter監護儀只能做到連續監測1～2 d，原因是凝膠濕電極不適合長期與皮膚接觸，容易引起皮膚紅腫等過敏反應，電極片易皺、易脫落，各種導線纏在身上，非常不便。再加上近期新型冠狀病毒肺炎疫情已在全世界蔓延[4]，新冠肺炎也會造成患者的心臟損傷，方艙醫院的隔離患者也需要一種新型的便攜式心電圖機。

近年來，隨著智能手機普及和人工智能（Artificial Intelligence，AI）的發展[5]，手機心電圖機受到廣泛關注。它利用AI技術預測疾病風險并協助臨床診斷，提高診斷效率[6-7]。其中深度學習技術提高了心電監測水平[8]。它的長程連續監測也對構建心臟疾病的預警模型提供了幫助[9]。若手機心電圖機能像體溫計一樣走進千家萬戶，那么就能解決醫療資源如醫用心電圖機不能解決的問題[10]。此外，手機心電圖機的隔離功能對居家隔離、傳染病院及方艙醫院的監護有重大意義。

1 手機心電圖機

1.1 基本概念

便攜式手機心電圖機是一種面向大眾，預防和診斷心臟疾病的重要儀器, 它具有便攜式、傻瓜式操作等特點，能夠及時對ECG信號進行采集、存儲、處理、人工智能分析、上傳和下載[11-12]。

典型的手機心電圖機的工作原理如圖1所示，病人戶外或家中發病時，及時拿出手機心電圖機檢測心電，然后上傳云端進行AI初步診斷，再由后臺專家再次診斷。若診斷心臟疾病，后臺系統自動向急救中心報警，急救中心可及時收到診斷，縮短了病人的搶救時間。用戶、手機心電圖機、醫院、醫生，形成良好的四方交互，還可進一步建立個體化心電云端數據庫,實現疾病的篩查、早期診斷及動態跟蹤管理[13-14]。

圖1 手機心電圖機的治療流程

1.2 發展歷程

1902年，荷蘭生理學家Einthoven發明了弦線電流計，并用它記錄到清晰的心電波形，又在1908年將其改進為弦線式心電圖機，Einthoven也因為對心電圖學的開創性工作于1924年被授予諾貝爾生理學和醫學獎[15-16]，從此Einthoven被稱為“心電圖之父”。這是第一代心電圖機。

隨著人們對心臟疾病的認識，有些疾病須要連續長程檢測心電。美國生物物理學家Holter在1961年發明出一種便攜式心電監測裝置，它可以記錄長達數十小時的心電數據，這使在院外記錄心電圖成為了可能[17-18]。第二代心電圖機就此誕生。

進入21世紀，基于智能手機與互聯網的普及，科學家開始研制手機心電圖機[19]。2013年，中國赫米茲（Humeds）公司研發了CARDEA-3手機心電圖機。它通過了國際SIQ認證、中國CMA檢驗，融合了三導聯、干電極、無線傳輸、云系統、人工智能AI等技術，實現了連續150 h的長程監測，相較于一二代心電圖機，手機心電圖機的優勢更加明顯[20]。心電圖機大致經歷了以上3代變化，詳見圖2。表1為3代心電設備典型特征對比。

圖2 心電發展中3代典型設備

表1 3代心電設備典型特征對比

2 核心技術

2.1 無線性

如圖3所示，目前國內外大多數心電圖機仍然是導線連接，探頭需涂導電液，不是無線心電圖機[21]。我們的Humeds手機心電圖機運用無線傳輸方式，操作便捷，適用范圍廣，可在任何時候，任何環境包括沒有GPRS信號及Wi-Fi網絡的情況下記錄心電圖，滿足了國內外個人、家庭、社區、醫院的需求。

圖3 需要導電膠、導電液

2.2 干電極

電極是心電圖機的一種重要元件。目前臨床上常用Ag/AgCl濕電極，需涂導電膠與皮膚接觸,可暫時獲取穩定的信號波形[22]。但是導電膠使用數小時后會風干凝固，易脫落；另外，導電膠與皮膚較長時間的接觸，可能引起皮膚過敏。此外，若患者急救時，涂抹導電膠浪費的時間會大大增加患者的死亡率。因此，傳統的濕性電極并不是最優選擇。

Humeds團隊根據圓盤電極、紐扣電極、干電極的特點，發明了肢體電極、胸導聯電極集一身的具有特色的心電圖檢測用氧化銀干電極。用ABS塑料塑性圓盤紐扣電極，電鍍氧化銀，克服了成本高和耐磨性差的缺點，詳見圖4。這種干電極利用了固態技術，將放大器與電極組合，使用時無需導電膏且波形穩定。

圖4 氧化銀干電極

圖5是干、濕電極對應的電極-皮膚等效電路模型[23]。兩者等效模型的主要不同點在于電極和表皮之間的介質：濕性電極為導電膏凝膠，而干性電極則為空氣間隙。對于濕性電極，凝膠在一定時間之內未風干前保持恒定阻值R1；對于干性電極，空氣間隙可以等同于接觸阻抗R1與接觸電容Ct的并聯。因此，干電極的接觸阻抗一般更大。

圖5 干電極與濕電極等效電路模型的對比

2.3 技術指標

圖6是Humeds手機心電圖機的實拍圖。它的通道數是3個，機身有四個氧化銀干電極，使用時將之放在心窩正中，四個電極與皮膚緊貼；它能夠響應和顯示幅度峰值為6 mV、變化率為125 mV/min的差分信號；手機心電圖機的耐極化電壓為±300 mV；對于10 Hz正弦波信號，它的輸入阻抗大于10 MΩ；靈敏度誤差為±5%；定標電壓是1 mV±5%；在1～40 Hz，≤±3 dB的頻率可響應；共模抑制比大于60 db；心率檢測范圍是30～240 bpm；心率分辨率為1 bpm；心率檢測精度：±2 bpm或±2%(兩者取大值)。

圖6 Humeds手機心電圖機

2.4 心電導聯

心電導聯是指采集心電信號時電極在體表放置的部位及電極與設備的連接線路。臨床常用的標準12導聯心電包括3個雙極肢體導聯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，3個單極加壓肢體導聯aVL、aVR、aVF和6個單極胸導聯V1～V6[24]。不同導聯功能不同，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導聯適用于診斷左前分支傳導阻滯等心律失常；Ⅱ、Ⅲ、aVF導聯適合探測非特異性ST、T段的改變，對心絞痛、冠心病等判斷具有一定價值[25]；aVR導聯可判斷竇性心律、心室肥大、陣發性室上性心動過速、室性心動過速等[26]。目前常見的手機心電圖機主要有單導聯、三導聯和十二導聯系統。Humeds手機心電圖機是單次三導聯，比單導聯設備獲得的信息更為豐富，比十二導聯設備更加便捷，可分析大部分的心律失常。它可分別測量V1～V9導聯和肢體導聯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，測量比較全面，可以完成心臟的三維立體定位，診斷簡單明了。

2.5 傳輸與儲存

手機心電圖機的通訊接口有多種，一般分成有線傳輸和無線傳輸兩類。有線傳輸是相對老舊的傳輸方法，較為繁瑣，現在幾乎不使用[27]。

無線傳輸可分為兩類：短距離無線傳輸與長距離無線傳輸。短距離無線傳輸以前是通過調頻發射電路將信號發至接收端。接收端再通過互聯網把ECG數據上傳給醫院。遠距離無線傳輸是通過GPRS及4G、5G無線通信模塊把ECG數據傳輸給醫院[28]。

隨著科技與網絡的飛速發展，手機心電圖機的藍牙、GPRS網絡、Wi-Fi傳輸已成為時代的主流。Humeds手機心電圖機的傳輸方式也緊隨時代的潮流。它的監護系統由手機終端、醫院監護中心服務器和人工智能平臺支持三部分組成[29]。手機端的數據通過GPRS或Wi-Fi傳輸AI平臺進行初步診斷，有心臟疾病預兆的還會向醫院服務器發送預警及心電圖，院內醫生即可接診及開立醫囑[30]。

儲存方面，手機心電圖的儲存方式已逐漸從儲存卡過渡為云端儲存。Humeds團隊成功研制出了無限容量云端心電圖數據庫，使用Humeds手機心電圖機時，除了可在手機APP中儲存500條心電記錄之外，還可將心電圖上傳到云端，且沒有長度和條數的限制，可以隨時上傳、下載、分享，實現了疾病的篩查、早期診斷、動態跟蹤管理及宏觀調控，是使用者一生的守護，也是未來社區健康管理的堅實基礎。

2.6 AI

隨著近些年人工智能的大力發展，手機心電圖機的AI智能診斷及on-chip端的數據實時處理已成為當下發展的趨勢[31-32]。Humeds團隊制作的AI診斷系統可應用MIT-BIH心電數據庫和深度學習人工智能技術迅速自動分析診斷出心律失常等數十種心臟疾病信息。如今，Humeds手機心電圖機已經利用AI系統進行房顫二分類（房顫，非房顫）診斷，通過MIT-BIH Atrial Fibrillation Database數據庫以及小波變換+卷積神經網絡算法，平均準確率已經高達99%。對于房顫四分類[正常，房顫，其他疾病（非房顫），噪聲]，AI診斷的平均準確率現在還在評估中[33]。表2對國內外目前便攜式心電圖機的技術情況做了比較，這些設備在AI診斷方面還存在很多本質的差異。

表2 國內外便攜式心電圖機對比

3 手機心電圖機與心臟急救的聯系

3.1 心臟急救應用

心臟病發病具有突發性和易過性特點。心臟病患者（尤其是早期）發病時常常不在醫院，記錄不到當時的心電圖，從而難以檢測出病因[34]。因此一部可隨身攜帶、隨時檢測的手機心電圖機，會對心臟病人的急救提供很大的幫助。比如Humeds手機心電圖機，它開機且連接手機藍牙需要5 s，放在測量位置需要1 s，發病6 s就可測心電圖，這對患者的急救相當重要，甚至因為這幾秒鐘就可以挽救患者的生命。它的長程監測可長達150 h，對患者心臟疾病的預防也是一個保障。手機心電圖機適合院外、社區、家庭、個人急救使用，若它能像溫度計一樣普及到千家萬戶，那么心臟病的搶救成功率將會大大提高[35]。

如今，人們的工作壓力增加、飲食不規律、缺乏運動，很容易誘發心臟疾病，如心律失常、房顫、心梗等。如果在院外發病，人們很容易忽視心臟病的前兆癥狀，久而久之，心臟疾病最終會爆發。如果能給每個家庭普及一臺便攜式手機心電圖機，讓人們出現癥狀時及時給自己進行一次心電圖篩查，那么心臟病的早期診斷率將會明顯增高，死亡率會隨之降低。

3.2 傳染病隔離應用

2019年12月以來，我國新冠肺炎疫情爆發，嚴重威脅廣大人民生命安全和身體健康[36-37]，新冠肺炎疑似病例及確診病例需要隔離觀察。其中輕癥患者常因氣促、發熱、心悸等癥狀需要及時鑒別心臟疾病，醫護人員推著笨重的傳統心電圖機來回穿梭，非常不便。Humeds手機心電圖機解決了新冠肺炎病人心電監護的難題，它操作方便，經過培訓的成人患者可自我檢查，非常適合隔離狀態下使用。每位隔離患者一人一機，自測后上傳信息，由醫生進行結果判讀、診斷，避免接觸性感染。心內科醫生甚至可以在家利用手機或電腦幫助監護診斷，不用去隔離現場就可完成，是隔離型心電監護的上乘之策。手機心電圖機是建立方艙醫院、傳染病院的理想設備及平臺。新冠肺炎的心臟監護，需要發動群眾，群策群力，利用先進的科學技術阻斷傳播途徑，即使以后又有新的傳染病，手機心電圖機依然可完成隔離式監護，為今后的傳染病防治工作以及習近平總書記提倡的人類衛生健康共同體奠定了基礎。

4 總結與展望

手機心電圖機研發的不斷進步與完善，是中國心血管疾病患者的最大福音。尤其是在農村基層，醫療設備嚴重缺乏的地方，手機心電圖機的普及能很大程度上改善我國心血管疾病死亡率逐年增高的狀況，為廣大人民提供了健康保障。Humeds手機心電圖機已解決了干電極、5G無線傳輸、無限容量云端儲存、人工智能AI實時分析、遠程專家世界會診以及重大傳染病疫情隔離式監護等問題。歐美等發達國家已經建立了主要針對西方人類的心電數據庫，例如MIT-BIH數據庫等，而我國心電數據庫的研究起步相對較晚，盡管有研究機構、學者嘗試過建立心電數據庫，但大多是小樣本數據,缺少嚴謹的科學設計以及廣泛的樣本代表性，導致我國手機心電圖機仍然在使用西方人的數據庫。研究建立開源、標準的適用于中國人群的便攜式手機心電數據庫，對于手機心電圖機的臨床應用及普及有著十分重要的意義。此外，在未來，手機心電圖機有望將血氧飽和度、體溫、血糖、呼吸和血壓等參數也囊括進來，成為家用多功能手機監護儀。隨著手機心電圖機的作用愈發重要，它將為構建精準的人工智能醫療模式做出巨大貢獻，也為共同構建人類衛生健康共同體打下堅實的基礎。