基于智能手機終端的心電自動監護系統設計

韓 偉，李飛星，張愛愛，宋建英，張寶慧，李方江

（1.河北北方學院附屬第一醫院，河北張家口 075000；2.張家口醫學院，河北張家口 075000）

隨著全球老齡化程度進一步加深，心血管疾病的發病率呈現增長趨勢，而年輕人由于生活作息等問題，心血管疾病的患病率也逐漸增加。由于心臟的疾病癥狀具有一過性，當癥狀出現時無法及時獲取，則很難在事后再次檢查出來，易出現漏診問題。而由于臨床治療使用的心電監護設備，存在體積大和價格高等問題，并且監測結果也需要專業人士進行解讀，并不適用于普通人群的日常生活，需要設計一款便攜式的心電監護系統。

目前針對心血管疾病的診斷，主要依靠觀察患者的心電圖，該數據為心臟電位活動的表征，包含了豐富的生理和病理信息。心臟在各個部分的生物電，均可以反映在心電圖中，可以通過觀察心電圖來初步監測心臟是否發生異常情況。而由于醫療資源的限制，大量患者不能及時得到有效治療，且心血管疾病存在一定的潛伏期，需要定期監測才能夠發現。該文以智能手機為媒介，設計便攜式心電監護系統，為患者實現自我診斷提供技術支持。

1 便攜式心電監護系統硬件設計

1.1 基于智能手機構建心電監護框架

該項研究目標為設計一款便攜式心電監護系統，以此滿足患者的長時間心電監護需求，在智能手機的功能應用上，將其與監護裝置進行連接[1]。由于智能手機的界面較為友好，且交互性好，基本上均可以連接藍牙模塊，因此使用藍牙通信收款，在手機端進行心電信號的處理和分析，具體結構如圖1 所示。圖中包括心電采集模塊和智能手機端兩個部分。通過電極與人體連接，在逆變器和控制器下獲取信號，并利用藍牙通信傳遞給智能手機。智能手機端在收到心電信號后，能夠繪制出實時波形圖，同時對心電信息做出分析，一旦發現心律失常問題，直接發出預警。

圖1 心電監護系統結構圖

1.2 設計短距離藍牙通信模塊

采用藍牙作為通信手段，能夠在短距離內進行無線傳輸，支持手機端與人體心電數據的交換。其作為目前大部分智能手機的標配，將其嵌入至心電模塊中，并在手機端完成通信傳輸[2]。選擇HM-13藍牙模塊，并配合ARM 單片機，能夠針對實際需求配置設備名稱。重新設計藍牙傳輸電路，如圖2 所示。圖中，TX、RX 引腳可以直接與模塊進行連接，當模塊為iOS 設備時，內部單個數據包含128 個字節；當模塊為Android 設備時，包含30 個字節。HM-15藍牙模塊分為BLE 和SPP 通信模式，各自收發距離分別為80 m 和40 m。通過BLE 傳輸速度選擇下限，合理切換兩種工作模式。

圖2 藍牙傳輸電路

1.3 選擇心電信號傳感器芯片

心電監護需要考慮到血氧值，而計算蓋子需要兩路心電信號數據，采用MAXIM公司研制的MAX30210傳感器模塊，通過內置的紅外和近紅外兩路LED，采集兩路心電信號數據[3]。該芯片體積較小，能夠應用于便攜式穿戴設備中，具體如圖3 所示。圖3 中，該芯片包含14 組引腳，其中主要引腳為PIN2/3/5/6/9/10/13。引腳2 和3 為芯片連接通信接口的數據線和時鐘線引腳，引腳5 和6 為紅外及近紅外驅動引腳，引腳9 和10 為供電引腳，引腳13 為終端控制引腳。其中信號處理模塊可以直接獲取傳感器采集的心電信號數據，需要了解總體線路的通信協議，實現總線空閑狀態和通信起始狀態以及信號傳輸狀態的任意切換。

圖3 兩路心電信號傳感器芯片

2 心電監護系統軟件設計

2.1 基于智能手機建立心電數據傳輸信道

在手機端的心電監護軟件中，采用藍牙與嵌入的心電采集模塊進行連接，使其接收人體發出的心電數據，且平臺中對藍牙的支持均位于Android.Bluetooth 數據包中[4]。建立藍牙連接的心電數據傳輸通路，不同藍牙類別下的功能描述范圍如表1 所示。根據表1 中內容，從Android 平臺中開始藍牙網絡協議，能夠對遠程的設備進行控制，以一組連接點為基礎，將發送端和接收端構成一條心電數據的傳輸通路。

表1 建立Android藍牙通路功能類型

應用基于智能手機平臺對藍牙提供的通信技術，在操作API 的前提下實現藍牙設備的通信，包括開啟和搜索以及連接和指向性數據傳輸，具體流程如圖4 所示。在調試藍牙前需要對使用者增加權限，在Android 平臺中加入使用口令[5]。配置本機的藍牙模塊，獲取默認藍牙實例進行啟動，打開本機設備并設置本機可見。設定藍牙搜索時間，使用start-discovery 方法創建連接對象，完成數據通信組建。

圖4 藍牙連接流程

圖5 交互界面

2.2 獲取便攜式心電監護信號節點距離

智能手機平臺可以支持藍牙的連接，通過智能手機建立便攜式心電監護系統，主要是將收集端和心電采集端進行連接，而兩個模塊之間的通信需要有藍牙模塊才能實現[6]。心血管疾病的發病速度較快，需要及時救治，因此必須對心電監護的各個監測節點進行測量，獲取信號節點距離。在獲取到信號到達的時間之后，計算盲節點(x,y)到各個錨節點(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)的距離。表達式為：

式中，到各個錨節點的距離分別為p1、p2、p3。

將上式兩兩相減并整理后，得出：

進一步推導上式，該方程解即為盲節點坐標：

將智能手機發出的藍牙信號以不同的傳播速度向節點進行傳輸，構成雙曲線定位軌跡[7]。當錨節點和盲節點存在夾角時，設置盲節點(x,y)到錨節點(x1,y1)的夾角為γ、到(x2,y2)的夾角為μ。兩夾角正切值計算公式如式（4）所示：

采用正切函數進行夾角定位，并通過余弦換算轉化為：

通過節點直線的信號強度，能夠計算收發點之間的距離，但在傳輸能力不斷衰減的情況下，會受到噪聲等因素干擾，因此需要加入一個高斯分布白噪聲進行過濾，完成信號通路距離測算。當監護設備不斷接收心電信息時，采用中值濾波法進行基線漂移處理，設置中值濾波窗口的長度，并對所有獲取數據進行排列，計算實時心率。

2.3 計算實時心率判斷心電監護情況

在監護系統中必須設置心率計算模塊，將緩沖區的數據進行分析，計算方式為：

式中，q為人體心率。we為心電采樣頻率。

某時段中的心電信號R 波數量為tR[8-9]。該時段內第一個R 波位置為rR0，最后一個R 波位置為rR1。將其進行簡單轉化，表示為：

在一個良好的R 波監測算法下，能夠直接采用上述公式對心率進行計算。即在二階差分算法下，計算心電數據，公式為：

式中，原始心電數據的序列為q(i)[10-11]。對應的二階差分序列為u(i)。在監測區對應的最大原始距離值即為檢測的R 波具體位置。

根據數據計入原則，在接入心電數據時，將其直接連接到隊列尾部，下一步則是重新對隊列數據進行排序。若采用最近波段內的R 波參數，對實時的心率進行計算，則結果為實時心率[12-14]；若從監護開始對R 波參數進行闡述，則計算結果為平均心率。心電監護的最終目的為判斷人體心率情況，在此基礎上建立心律失常模塊，對五種常見的心律失常情況進行自動診斷。常見類別和判斷條件如表2所示。心電監護系統能夠自動診斷的心律失常類型，共設置成五組。根據實時心率數據，可以判斷如下情況：當心率超過120 次或者不足40 次量級時，連續監測數據呈現3 次相同設定，則可提示為心動過緩和心動過速[15-16]。至此完成便攜式心電監護系統設計。

表2 心律失常類型及判斷條件

3 性能測試結果與分析

通過智能手機建立便攜式心電監護系統，主要目的是為人們提供更加方便的就診跟蹤和心電記錄。為保證新系統具有應用效果，采用實驗測試的方法進行論證。

3.1 展示交互界面

選擇iOS 智能手機端口與用戶進行交互，用于后續的心電波形檢測和查詢，在用戶登錄主界面時，會彈出信息菜單，對應各部分應用功能。交互界面可顯示心率、血氧、血壓和心律失常結果檢測。且含有5 個菜單選項，用戶可利用相應菜單在此輸入身份信息，可以學習對應的健康知識，建立相關聯系人，搜索藍牙設備和查看歷史數據。

在此基礎上增添用戶信息，該用戶具備心律不齊病癥就診記錄，設置其聯系人和用戶信息，如圖6所示。用戶需要輸入自己的姓名、年齡、性別，以區別其他用戶，并錄入緊急聯系人，當診斷結果出現異常，會通過該聯系方式發送短信通知。

圖6 建立用戶檔案

3.2 顯示心電診斷結果

將電極片兩端連接在系統中，進行連續6 天的跟蹤監測，時間為7 月10 日-15 日，為方便用戶觀察自身信息，心電波形會直接顯示在網格內。對15 日正在采集的心電數據進行監測，結果如圖7 所示。心電信號被直接顯示在網格圖紙上，包含當下時刻心率和血氧以及血壓的監測結果，并對心律失常癥狀進行診斷，具有良好的應用效果。

圖7 心電波形監測結果

3.3 搜索歷史記錄

心電監護系統不僅需要完成當下時刻的監測，還需要具備歷史查看功能，方便用戶就診時提供有效數據信息。10 日-14 日的歷史數據驗證結果如圖8 所示。根據圖8 中內容可知，該界面展示了跟蹤測試5 天的歷史數據，均完成了心律失常診斷。該數據主要為后續的就診提供了依據，通過“開始”和“停止”鍵，可以控制心電波形，提供具有依據的應用效果。

圖8 看心電波形

3.4 驗證短信提醒功能

上文監測結果中，用戶出現過室性早搏現象，但用戶的測量信息為異常時，有時難以察覺或者不在意，而家屬不可能隨時在身邊，因此新系統需要具備短信提醒功能，可以對家屬進行告知。調取該用戶家屬手機內短信內容，查看12 日短信來源，結果如圖9 所示。系統發送的短信內容，且時間與診斷時間非常接近，即在出現病癥時直接對家屬進行通知，具有及時性。

圖9 查看短信內容

4 結束語

心腦血管疾病是危害人體健康的首要疾病，心電圖作為主要技術手段，可以對患者是否出現心臟異常作出判斷。通過心電監護系統的構建，對人體的實時心電情況進行監測，反映人體最基本的心臟活動。且在實際功能實驗中具有良好的效果。但個人知識水平有限，該文仍存在不完善的地方，只實現了手機端的病癥分析，后續可以加入患者的歷史就診記錄，實現醫院和家庭的對接。