便携家庭式远程定位ECG监测预警系统的设计与实现

2017-12-26赵开源

电子器件 2017年6期

关键词：心电电信号波形

王炜,赵开源,陈宏

(兰州大学信息科学与工程学院,兰州 730000)

便携家庭式远程定位ECG监测预警系统的设计与实现

王炜*,赵开源,陈宏

(兰州大学信息科学与工程学院,兰州 730000)

针对远程定位ECG监测预警系统的需求,设计了一套家庭式心电实时监测预警系统。系统包括远程监测平台与移动预警端,远程监测平台采用LabView编写了ECG波形显示与回放程序,并利用自主开发的心电采集设备实现了心电分析与监测预警等功能。移动预警端将ECG采集模块与Android手机相结合,实现了ECG信号的实时监控与远程定位等功能。实测结果表明,系统准确率在94%以上,携带方便,在出现心率紊乱等症状时,可及时发送报警信息,帮助患者得到医疗救助。

心电信号;远程定位;预警;实时监控;便携式

心血管病已成为人类健康的第一大杀手,发病率与致死率不断增高,在中国居民全因死亡构成中,心脏心血管病居各疾病之首,农村为44.60%,城市为42.51%[1]。由于其具有突发性、瞬时性和致命性的特点,要及时早期防治心脏病就必须对患者进行长时间的心电信号监测,对心率紊乱进行预警。再一方面,中国老年人口高龄化及城镇化进程的加速,心血管病危险因素流行趋势将更加明显,今后10年心血管患病人数仍将快速增长[1],所以一款家庭式心电监测与预警系统的应用是目前迫切需要开发的重要领域。

目前市场上现有的心电仪大致分为两类:一类是采用个人电脑对心电信号进行显示与分析的监测仪,这类心电仪体积较大、携带不便,不易对患者进行实时监控。另一类是采用专业的心电采集芯片,利用蓝牙、GPS、红外等进行手机通讯的便携式心电仪,此类心电仪具有体积小、易携带等特点,但其功能型单一,缺乏定位信息、实时求助等功能[2-3]。此外市场上大多数心电仪缺少自动预判与实时报警功能,患者大多数需要手动求助,若患者突发疾病无法进行自救时,患者的生命安全将不会得到保证。

针对上述心电监测系统存在问题与不足,设计了一套具有远程定位报警功能的便携式心电信号监测预警系统,分别部署到了PC端和Android智能手机移动端[4]。其中PC端作为远程医疗监测平台,用于医院监测患者心脏病情,在接收到患者心电数据时能第一时间观察到患者心电波形。手机移动端作为移动预警端,用于实时采集患者心电信息,在出现心率紊乱时系统自动定位出患者所在位置[5],并通过E-mail将患者位置信息与发病时的心电数据同时发送给求助手机端与远程医疗监测平台,达到双重报警的效果。患者也可手动保存发送心电数据方便患者更加全面的了解自身心脏状况。

系统为患者提供一款容易操作且成本低廉的健康心电设备,实现了家居环境下的心电监测,可实时监测患者病情,让患者能随时得知自身心电状况并及时作出反应,对设计家庭医院外心电监测预警系统有重要的应用价值。

1 心电系统的总体设计

系统由远程监测平台与移动预警端两部分组成,其中远程监测平台由自主开发的心电采集模块与使用LabView编写的心电显示分析模块组成,心电采集模块主要实现了心电信号的放大采集、电平抬升、模数转换等功能,便于显示分析模块进行心电信号分析。远程监测平台心电显示分析模块实现了心电数据信号显示、回放预警心电波形等功能,其主要用于医院监测患者心脏病情,在接收到患者心电数据时能第一时间观察到患者心电波形,方便医院更加全面的了解患者心电状况。

移动预警端将BMD101芯片控制下的心电采集模块与Android智能手机相结合,开发出了一款可以实现心电监控、远程患者定位、心率紊乱预警等功能的人机交互系统。其中心电采集模块可以实时地采集到患者心电波形[7],并通过蓝牙技术传送心电数据到Android智能平台上进行心电信号分析、显示心电波形。在专为本设计编写的Android应用APP中还加入了远程定位报警功能,让患者随时得知自身心电状况的同时,可通过E-mail将患者位置信息与患者实时心电数据同步传输到远程监测平台。通过监测预警信息,能及时的发现患者发病位置,便于患者得到医疗救治。ECG监测系统总体框图如图1所示。

图1 ECG监测系统结构图

2 硬件设计与实现

心电信号正常的幅值范围在10 μV～4 mV之间,典型值为1 mV。频率范围在0.05 Hz～100 Hz以内,而90%的ECG频谱能量集中0.25 Hz～35 Hz之间。根据心电信号特征,设计了一套适合采集人体心电信号的硬件系统,并将采集到的心电信号通过蓝牙或串口接收的形式传送到手机移动端或PC端进行心电信号分析。

2.1 PC测试端硬件部分

2.1.1 供电模块与信号调理电路

系统供电模块由信号采集芯片的供电范围决定,PC端选取的心电采集芯片供电范围较大,在±2.25 V～±18 V之间,因此,实验综合考虑芯片供电范围和电源选择的普适性,采用两块手机电池通过反向串接设计了一个正负5 V电源模块,实现供电功能。

信号调理电路主要负责采集人体心电信号。电路采用3个盘状金属电极作为信号采集点。在图2中电极1与电极2用于采集人体左右手心电差模信号,共模电极P1用于接收电路反馈的人体共模信号;U1采用仪表放大器INA128实现了信号的初级放大,基线高频滤波以及人体共模信号采样,其中U1的增益电阻由R1、R2、R3、C1串并连组成,R3和C1组成高频滤波电路,截止频率约为0.45 Hz左右。R1、R2的中间点取出人体共模信号,通过U3反馈到人体实现共模信号抑制;U2、U6采用贝塞尔开关电容滤波器MAX7405分别组成截止频率为45 Hz的低通滤波器。U4和U7分别为INA128与TLC071组成的51倍与1倍～20倍信号放大电路,通过本硬件系统可将毫伏级级心电信号放大至伏级。

电路板上调通远程监护平台调理电路,通过Protel DXP软件将信号调理电路进行了PCB板的绘制,制作PCB板进行了元器件的焊接组合,使之成为了一个整体的心电采集系统。利用得到的PCB板进行心电采集实验,实验在非屏蔽室中进行,采集电极使用不带屏蔽线的镀金盘状电极,皮肤接触面涂抹生理盐水,ECG信号采集时将两个差分输入电极置于受试者胸前左右两侧,共模抑制电极连接到左耳垂,通过滤波器观察信号发现设计电路完全可以实现对人体心电波形实时采集与放大功能。供电模块与信号调理电路如图2所示。

2.1.2 电平抬升电路与A/D采集模块

系统通过TLC072芯片组成的加法电路,实现了对采集的心电信号进行电平抬升,以便于在PC端可以无失真的A/D采集。在A/D采集模块中使用了DFRobot的Arduino开发板,此A/D模块的采样精度为10 bit,基准电压为5 V,最高采样率可达5 kbit/s,系统采样率设置为100 Hz,经过实验验证,此开发板可以进行心电数据的有效采集。电平抬升与A/D采集电路如图3所示。

图2 供电模块与信号调理电路

图3 电平抬升与A/D采集电路

2.2 手机移动端硬件部分

2.2.1 供电模块与BMD101心电模块

手机移动端心电采集系统中,供电系统采用单电源供电,实验中采用三节+1.5 V电池串接设计了一个+4.5 V电源模块,实现了供电功能。

手机移动端心电采集部分采用了NeuroSky(神念科技)的片上处理设备BMD101芯片。此芯片功耗仅为0.8 mA,大小仅为3 mm×3 mm,可以很稳定地采集人体心电信号,具有极低的系统噪声与可控增益,并使用16 bit高精度ADC模数转换器进行信号的模数转换[10]。通过手机监测客户端观察,BMD101心电模块可以准确采集人体心电数据。

2.2.2 蓝牙2.0模块

蓝牙模块是系统无线传输信号的核心,承载着数据通信的重任,系统所采用的HM-06蓝牙模块的主控IC为CSR BlueCore的BC417143芯片,通信协议为蓝牙V2.1+EDR版本。该协议的理论传输速度高达3 Mb/s,实际传输效率在2.1 Mbit/s左右。模块供电电压在3.3 V～4.5 V。该模块采用全贴片最小封装形式,核心模块尺寸大小仅为为:27 mm×13 mm×2 mm,通信距离约在8 m～10 m左右。蓝牙模块与手机进行配对将A/D转换后的心电数据传入手机客户端[9],从而实现移动预警端与Android智能手机之间的无线数据传输功能。

3 软件结构与功能设计

系统软件采用模块化的设计方法,使整个系统软件层次分明,逻辑清楚,便于软件的调试与维护,同时提高了系统的可靠性、灵活性。远程医疗监测平台主要实现心电数据波形显示、判断心率紊乱等功能,移动预警端系统主要实现实时显示心电波形、心率紊乱时发送心电数据到远程医疗监测平台等功能。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

3.1 远程监测平台信号预处理及异常报警

远程监测平台可直接通过PC串口采集心电信号,预处理时将字符串类型的心电信号转换两位一组的数值数据,通过创建数组、数组插入等操作,将数值数据转换成LabView波形创建模块可读的数组模式,生成初步波形,其经过低通滤波器滤波后可在波形图上显示心电波形。远程监测平台也可接收移动预警端发送的E-mail心电求助信息,通过由LabView开发工具编写的心电观测程序观测患者发病时的心电波形[8]。

在远程监测平台心电程序中,其自动获取最近心电波形的5点波峰值,计算其平均数作为判断R波峰值的阈值。波峰阈值检测可测算出相邻两段R波波峰时间差,其时间差的倒数乘以60 s计算出心率数值大小。同时,系统设置了心电报警程序,若出现心率紊乱时(心率大于100 bmp或者小于60 bmp)则系统给予心电报警。LabView心电显示界面异常报警框图如图5所示。

图5 LabView心电显示界面异常报警框图

3.2 移动预警端信号预处理及异常报警

移动预警端采用Eclipse工具编写了一款基于Android操作系统的APP心电应用软件,其通过手机蓝牙接口接收心电数据。

为保护心电数据在传输过程中出现信号丢失与信号紊乱,BMD101芯片将心电信号由数据包的形式发送,数据包主要由头信号、数据信号、校验信号等组成。手机移动端软件将心电信号进行解包处理,提取心电数据信号,校验信号在传输中未发生信号丢失。提取到的心电信号可直接用于显示心电波形。在接收显示心电数据的同时,程序测算相邻两段R波波形时间差,并计算出心率数值并显示心率数值。

如图6所示,若心率出现异常时,程序自动记录下心率紊乱时的心电数据,并调用百度地图API接口定位出患者当前位置(百度地图API为开发者免费提供的基于百度地图的应用程序接口,包括提供基本地图、位置搜索等功能,可及时方便的定位出患者位置),利用E-mail方便快捷等特点[6]将患者当前位置信息与患者实时心电数据自动发送给指定联系人或远程监测平台,帮助患者及时得到医疗救助。患者也可手动记录心电数据并发送给后台设置的手机端与远程监测平台,令患者可以全面的了解自身心电状况,更加合理的保护心脏健康安全。

图6 移动预警端界面及E-mail报警界面

移动预警端面及E-mail报警界面如图6所示。若患者出现其他病情紧急状况,患者还可按下APP内的SOS请求120急救按钮,程序将自动拨打120求助电话,向医务人员寻求帮助。通过无线报警功能,患者不必再为发病时得不到救助而担心,极大的提升了患者的安全感与舒适度,对于治疗患者的病情有极大的益处。

4 系统测试结果与分析

本系统主要目的是开发出一套可以便利的观察心电、测量心率的远程心电监测系统。根据以上分析,通过对ECG监测系统开发,继而开发出便携式远程定位ECG监测预警设备。在搭建的实验平台中对该ECG监测系统进行测试。远程监测平台主要测试采集心电信号的准确性,心率紊乱报警,系统的稳定性等功能。移动预警端主要测试Android APP绘制心电波形准确性,系统稳定性,远程定位报警等功能。

移动预警端的供电模块、心电采集模块、蓝牙模块等组合到一起较为杂乱,且携带不方便,因此,系统利用3D打印技术制作了一套适合移动预警端外观特点的心电盒子,在测试中还需测试心电盒子是否可实现安置器件的无差性,是否实现心电设备携带的便利性。

在对该心电系统进行测试中,利用人体实际心电数据验证整个系统的准确性和合理性。测试中利用心电系统对十名志愿者不同时间段的心率数据进行随机验证测试,利用移动预警端测试记录志愿者心率数据,并将测试后的心电数据远程传送于远程医疗平台进行心率数据测试,系统得出心率数据后与志愿者的标准心率作对比。在测试中一共测试了8组数据,每组10人,由统计学知识可知,样本的标准误差公式为:

式中:σ为标准误差,n为测量数据次数,为δ2测量值误差的平方和。测试心率的准确率为测试心率数值与标准心率数值相互之比。由表1可知测试中每组样本心率标准误差在1.31～3.50之间,测试心率与标准心率对比最低准确率在94%以上。其中2号、6号志愿者检出心率准确率较低,后期验证发现在心率信号采集时采集到了噪声信号,对R波产生了干扰,导致了系统在检测R波的时候出现误检测,从而影响了心率的计算。这一点通过改良心电采集电极可得到极大的改善。

由测试结果可知,该心电监测系统达到测试要求,可在允许误差范围内准确检测出患者心率数据。标准心率数据/移动预警端检出心率/远程医疗监测平台分别检出心率数据如表1所示。

表1 ECG监测预警系统心电监测结果

图7 远程医疗监测平台系统实物图

如图5、图7所示,远程医疗监测平台实现了心电波形的显示,其中心电P、Q、R、S、T波波形明显可见,可正常显示人体心率数值、保存数据及数据回放等功能也完全实现,心率紊乱时可以及时报警,系统运行稳定满足设计要求。程医疗监测平台系统实物图如图7所示。

由图6、图8可知,移动预警端在心电波形显示、心率计算、数据保存放面完全符合系统设计要求。心电各波段清晰可见,R波脉冲明显,心率实时正常显示。心电盒子在组装完心电采集器件后基本实现了器件的无差安装,比起传统的心电设备具有更强的便携性。移动预警端系统实物图如图8所示。

图8 移动预警端系统实物图

由图5、图6可知,当患者出现心率紊乱时(心率大于100 bpm或者小于60 bpm)移动预警端可准确无误的判断心率紊乱,并向远程监测平台发出心率紊乱报警数据,远程医疗监测平台LabView心电显示程序可无失真的回放患者发病时心电波形。在移动预警端还加入了紧急按钮,当按下SOS按钮后系统自动拨打120求助电话,以便患者可及时获得医疗救援。

5 结论

远程监测平台与移动预警端联调后运行良好,硬件采集电路工作稳定,软件分析结构可靠,通过最终的测试结果可知,系统对于心电波形的处理与开发完全符合ECG监测设计要求。远程监测平台与移动预警端配合良好,两者都可进行完整心电波形显示,远程定位预警功能健全完善,在患者出现心率紊乱时可以及时的发出预警信息。

此系统完全适合对家庭患者心电信号进行实时监测,预防危险的发生,在最大程度上保护患者生命安全。系统具有重量轻、成本少、功耗低、体积小等特点,加强了远程心电监测系统的实用性,降低了心电监测的体积与远程监测平台的人力资源压力,比起传统的心电设备具有更强的便携性,远程定位快速准确,心电波形清晰可见,患者出现心率紊乱时可及时发送报警信号。对于开发便携家庭式远程定位ECG监测预警系统具有重要的参考意义和应用价值。

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TheDesignandImplementationofPortableFamilyRemoteECGMonitoringwithEarlyWarningSystem

WANGWei*,ZHAOKaiyuan,CHENHong

(School of Information Science and Engineering,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

According to requirements of a remote ECG monitoring warning system,a set of family real-time ECG monitoring early warning system has been designed. The system mainly consists of two parts,the remote monitoring platform and the mobile warning port. The remote monitoring platform uses LabVeiw to implement ECG waveform displayand playback program,and also use the independent development of ECG acquisition device implements the ECG analysis and monitoring early warning function. It realizes the real-time monitoring and remote warning positioning function by combining the mobile warning ECG acquisition module and Android phones. Experiment verifies that the system can be carried around conveniently with the accuracy above 94%. When patients appear abnormal heart rate symptom,the system can timely send emergency alarm information to help patients medicare treatment.

ECG;remote;early warning;real-time monitoring;portable

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.048

2016-10-08修改日期2017-01-04

TP391

1005-9490(2017)06-1582-06