基于智能手机终端的心电自动监护系统设计

韩 伟，李飞星，张爱爱，宋建英，张宝慧，李方江

（1.河北北方学院附属第一医院，河北张家口 075000；2.张家口医学院，河北张家口 075000）

随着全球老龄化程度进一步加深，心血管疾病的发病率呈现增长趋势，而年轻人由于生活作息等问题，心血管疾病的患病率也逐渐增加。由于心脏的疾病症状具有一过性，当症状出现时无法及时获取，则很难在事后再次检查出来，易出现漏诊问题。而由于临床治疗使用的心电监护设备，存在体积大和价格高等问题，并且监测结果也需要专业人士进行解读，并不适用于普通人群的日常生活，需要设计一款便携式的心电监护系统。

目前针对心血管疾病的诊断，主要依靠观察患者的心电图，该数据为心脏电位活动的表征，包含了丰富的生理和病理信息。心脏在各个部分的生物电，均可以反映在心电图中，可以通过观察心电图来初步监测心脏是否发生异常情况。而由于医疗资源的限制，大量患者不能及时得到有效治疗，且心血管疾病存在一定的潜伏期，需要定期监测才能够发现。该文以智能手机为媒介，设计便携式心电监护系统，为患者实现自我诊断提供技术支持。

1 便携式心电监护系统硬件设计

1.1 基于智能手机构建心电监护框架

该项研究目标为设计一款便携式心电监护系统，以此满足患者的长时间心电监护需求，在智能手机的功能应用上，将其与监护装置进行连接[1]。由于智能手机的界面较为友好，且交互性好，基本上均可以连接蓝牙模块，因此使用蓝牙通信收款，在手机端进行心电信号的处理和分析，具体结构如图1 所示。图中包括心电采集模块和智能手机端两个部分。通过电极与人体连接，在逆变器和控制器下获取信号，并利用蓝牙通信传递给智能手机。智能手机端在收到心电信号后，能够绘制出实时波形图，同时对心电信息做出分析，一旦发现心律失常问题，直接发出预警。

图1 心电监护系统结构图

1.2 设计短距离蓝牙通信模块

采用蓝牙作为通信手段，能够在短距离内进行无线传输，支持手机端与人体心电数据的交换。其作为目前大部分智能手机的标配，将其嵌入至心电模块中，并在手机端完成通信传输[2]。选择HM-13蓝牙模块，并配合ARM 单片机，能够针对实际需求配置设备名称。重新设计蓝牙传输电路，如图2 所示。图中，TX、RX 引脚可以直接与模块进行连接，当模块为iOS 设备时，内部单个数据包含128 个字节；当模块为Android 设备时，包含30 个字节。HM-15蓝牙模块分为BLE 和SPP 通信模式，各自收发距离分别为80 m 和40 m。通过BLE 传输速度选择下限，合理切换两种工作模式。

图2 蓝牙传输电路

1.3 选择心电信号传感器芯片

心电监护需要考虑到血氧值，而计算盖子需要两路心电信号数据，采用MAXIM公司研制的MAX30210传感器模块，通过内置的红外和近红外两路LED，采集两路心电信号数据[3]。该芯片体积较小，能够应用于便携式穿戴设备中，具体如图3 所示。图3 中，该芯片包含14 组引脚，其中主要引脚为PIN2/3/5/6/9/10/13。引脚2 和3 为芯片连接通信接口的数据线和时钟线引脚，引脚5 和6 为红外及近红外驱动引脚，引脚9 和10 为供电引脚，引脚13 为终端控制引脚。其中信号处理模块可以直接获取传感器采集的心电信号数据，需要了解总体线路的通信协议，实现总线空闲状态和通信起始状态以及信号传输状态的任意切换。

图3 两路心电信号传感器芯片

2 心电监护系统软件设计

2.1 基于智能手机建立心电数据传输信道

在手机端的心电监护软件中，采用蓝牙与嵌入的心电采集模块进行连接，使其接收人体发出的心电数据，且平台中对蓝牙的支持均位于Android.Bluetooth 数据包中[4]。建立蓝牙连接的心电数据传输通路，不同蓝牙类别下的功能描述范围如表1 所示。根据表1 中内容，从Android 平台中开始蓝牙网络协议，能够对远程的设备进行控制，以一组连接点为基础，将发送端和接收端构成一条心电数据的传输通路。

表1 建立Android蓝牙通路功能类型

应用基于智能手机平台对蓝牙提供的通信技术，在操作API 的前提下实现蓝牙设备的通信，包括开启和搜索以及连接和指向性数据传输，具体流程如图4 所示。在调试蓝牙前需要对使用者增加权限，在Android 平台中加入使用口令[5]。配置本机的蓝牙模块，获取默认蓝牙实例进行启动，打开本机设备并设置本机可见。设定蓝牙搜索时间，使用start-discovery 方法创建连接对象，完成数据通信组建。

图4 蓝牙连接流程

图5 交互界面

2.2 获取便携式心电监护信号节点距离

智能手机平台可以支持蓝牙的连接，通过智能手机建立便携式心电监护系统，主要是将收集端和心电采集端进行连接，而两个模块之间的通信需要有蓝牙模块才能实现[6]。心血管疾病的发病速度较快，需要及时救治，因此必须对心电监护的各个监测节点进行测量，获取信号节点距离。在获取到信号到达的时间之后，计算盲节点(x,y)到各个锚节点(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)的距离。表达式为：

式中，到各个锚节点的距离分别为p1、p2、p3。

将上式两两相减并整理后，得出：

进一步推导上式，该方程解即为盲节点坐标：

将智能手机发出的蓝牙信号以不同的传播速度向节点进行传输，构成双曲线定位轨迹[7]。当锚节点和盲节点存在夹角时，设置盲节点(x,y)到锚节点(x1,y1)的夹角为γ、到(x2,y2)的夹角为μ。两夹角正切值计算公式如式（4）所示：

采用正切函数进行夹角定位，并通过余弦换算转化为：

通过节点直线的信号强度，能够计算收发点之间的距离，但在传输能力不断衰减的情况下，会受到噪声等因素干扰，因此需要加入一个高斯分布白噪声进行过滤，完成信号通路距离测算。当监护设备不断接收心电信息时，采用中值滤波法进行基线漂移处理，设置中值滤波窗口的长度，并对所有获取数据进行排列，计算实时心率。

2.3 计算实时心率判断心电监护情况

在监护系统中必须设置心率计算模块，将缓冲区的数据进行分析，计算方式为：

式中，q为人体心率。we为心电采样频率。

某时段中的心电信号R 波数量为tR[8-9]。该时段内第一个R 波位置为rR0，最后一个R 波位置为rR1。将其进行简单转化，表示为：

在一个良好的R 波监测算法下，能够直接采用上述公式对心率进行计算。即在二阶差分算法下，计算心电数据，公式为：

式中，原始心电数据的序列为q(i)[10-11]。对应的二阶差分序列为u(i)。在监测区对应的最大原始距离值即为检测的R 波具体位置。

根据数据计入原则，在接入心电数据时，将其直接连接到队列尾部，下一步则是重新对队列数据进行排序。若采用最近波段内的R 波参数，对实时的心率进行计算，则结果为实时心率[12-14]；若从监护开始对R 波参数进行阐述，则计算结果为平均心率。心电监护的最终目的为判断人体心率情况，在此基础上建立心律失常模块，对五种常见的心律失常情况进行自动诊断。常见类别和判断条件如表2所示。心电监护系统能够自动诊断的心律失常类型，共设置成五组。根据实时心率数据，可以判断如下情况：当心率超过120 次或者不足40 次量级时，连续监测数据呈现3 次相同设定，则可提示为心动过缓和心动过速[15-16]。至此完成便携式心电监护系统设计。

表2 心律失常类型及判断条件

3 性能测试结果与分析

通过智能手机建立便携式心电监护系统，主要目的是为人们提供更加方便的就诊跟踪和心电记录。为保证新系统具有应用效果，采用实验测试的方法进行论证。

3.1 展示交互界面

选择iOS 智能手机端口与用户进行交互，用于后续的心电波形检测和查询，在用户登录主界面时，会弹出信息菜单，对应各部分应用功能。交互界面可显示心率、血氧、血压和心律失常结果检测。且含有5 个菜单选项，用户可利用相应菜单在此输入身份信息，可以学习对应的健康知识，建立相关联系人，搜索蓝牙设备和查看历史数据。

在此基础上增添用户信息，该用户具备心律不齐病症就诊记录，设置其联系人和用户信息，如图6所示。用户需要输入自己的姓名、年龄、性别，以区别其他用户，并录入紧急联系人，当诊断结果出现异常，会通过该联系方式发送短信通知。

图6 建立用户档案

3.2 显示心电诊断结果

将电极片两端连接在系统中，进行连续6 天的跟踪监测，时间为7 月10 日-15 日，为方便用户观察自身信息，心电波形会直接显示在网格内。对15 日正在采集的心电数据进行监测，结果如图7 所示。心电信号被直接显示在网格图纸上，包含当下时刻心率和血氧以及血压的监测结果，并对心律失常症状进行诊断，具有良好的应用效果。

图7 心电波形监测结果

3.3 搜索历史记录

心电监护系统不仅需要完成当下时刻的监测，还需要具备历史查看功能，方便用户就诊时提供有效数据信息。10 日-14 日的历史数据验证结果如图8 所示。根据图8 中内容可知，该界面展示了跟踪测试5 天的历史数据，均完成了心律失常诊断。该数据主要为后续的就诊提供了依据，通过“开始”和“停止”键，可以控制心电波形，提供具有依据的应用效果。

图8 看心电波形

3.4 验证短信提醒功能

上文监测结果中，用户出现过室性早搏现象，但用户的测量信息为异常时，有时难以察觉或者不在意，而家属不可能随时在身边，因此新系统需要具备短信提醒功能，可以对家属进行告知。调取该用户家属手机内短信内容，查看12 日短信来源，结果如图9 所示。系统发送的短信内容，且时间与诊断时间非常接近，即在出现病症时直接对家属进行通知，具有及时性。

图9 查看短信内容

4 结束语

心脑血管疾病是危害人体健康的首要疾病，心电图作为主要技术手段，可以对患者是否出现心脏异常作出判断。通过心电监护系统的构建，对人体的实时心电情况进行监测，反映人体最基本的心脏活动。且在实际功能实验中具有良好的效果。但个人知识水平有限，该文仍存在不完善的地方，只实现了手机端的病症分析，后续可以加入患者的历史就诊记录，实现医院和家庭的对接。