手機(jī)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

【作 者】于洋，劉靜,2＊

1 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京，100084

2 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京，100190

手機(jī)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

【作 者】于洋1，劉靜1,2＊

1 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京，100084

2 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京，100190

基于手機(jī)實(shí)時(shí)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，著重考察其在人群測(cè)試方面的實(shí)際價(jià)值，特別是應(yīng)用系統(tǒng)探索了幾類新穎的人體動(dòng)態(tài)心電問(wèn)題，如不同年齡、性別、身體條件、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的ECG特征，不同生活行為如飲酒、飲咖啡乃至不同心理狀態(tài)如興奮、緊張等對(duì)心臟ECG信號(hào)的影響，以及不同時(shí)段如清晨、午后及深夜的人體心電信號(hào)問(wèn)題。這些采用傳統(tǒng)儀器不易進(jìn)行的概念性研究案例展示了新系統(tǒng)在人體心臟疾病基礎(chǔ)研究與日常監(jiān)護(hù)方面的普適價(jià)值及應(yīng)用前景。

心電圖； 手機(jī)；人群測(cè)試；動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)；普適醫(yī)療

0 引言

人體是一個(gè)非均質(zhì)容積導(dǎo)體，心肌細(xì)胞產(chǎn)生的生物電活動(dòng)可以通過(guò)周圍的導(dǎo)電組織傳導(dǎo)到體表的任何部位，因此將電極放置于體表或體內(nèi)的某個(gè)部位，就可以記錄到相應(yīng)處的電位變化。通過(guò)描記心動(dòng)周期內(nèi)由心臟電位變化引起的體表兩個(gè)部位之間的電位差隨時(shí)間變化的圖形，就是心電圖(Electrocardiogram，ECG)，反映了心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的電生理活動(dòng)。由于ECG包含了心臟生理狀態(tài)的大量信息，所以一直是診斷心臟疾病、評(píng)價(jià)心臟功能的重要依據(jù)[1]。又由于其測(cè)量的無(wú)創(chuàng)、可靠和簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，ECG 在臨床上被廣泛應(yīng)用，成為心臟病臨床檢查中最重要的一種手段。但是現(xiàn)有的心電圖技術(shù)仍存在許多問(wèn)題：常規(guī)心電圖不易捕捉一過(guò)性失常，動(dòng)態(tài)心電圖（Holter）系統(tǒng)則成本昂貴。因此，尋求一種低成本連續(xù)心電監(jiān)測(cè)技術(shù)具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義，而手機(jī)心電獲取技術(shù)是其中頗為理想的途徑之一[2]。

在本文的第一部分里，我們研制出一套基于手機(jī)的實(shí)時(shí)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，其由一個(gè)獨(dú)立的心電采集端和手機(jī)接收端組成，采集端數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到一臺(tái)Windows Mobile智能手機(jī)并被予以實(shí)時(shí)顯示、處理和存儲(chǔ)。我們基于一系列綜合性能評(píng)估和校驗(yàn)，以及與商業(yè)心電設(shè)備的對(duì)比測(cè)試，證實(shí)了新系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為不少難以為傳統(tǒng)技術(shù)所探測(cè)的人體心電問(wèn)題研究提供了關(guān)鍵工具。

在上述硬件系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，本文將著重考察新系統(tǒng)在人群測(cè)試方面的實(shí)際價(jià)值。我們特別選擇和設(shè)計(jì)了幾類新穎的人體動(dòng)態(tài)心電問(wèn)題進(jìn)行探索，而這些內(nèi)容往往為傳統(tǒng)心電檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)或無(wú)法達(dá)到良好效果。文章通過(guò)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)展示了新系統(tǒng)在心臟疾病基礎(chǔ)研究與日常監(jiān)護(hù)方面體現(xiàn)出的普適應(yīng)用價(jià)值及前景。

1 人群應(yīng)用測(cè)試

心電監(jiān)護(hù)是身體檢查、健身、疾病診斷與治療評(píng)估等方面的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)人群心電測(cè)試，有助于發(fā)現(xiàn)不同年齡、性別、身體條件的心電存在的差別，從而作為分析生理與建立健康數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。受臨床條件所限，如下主要針對(duì)不同年齡段、不同性別的健康人采用本系統(tǒng)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的心電監(jiān)護(hù)，用以挖掘其特征與差別。

以下是人群測(cè)試實(shí)例，部分波形圖為實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在MATLAB上繪制得到。

(1) 兒童，男性，1位，11周歲，身體健康，模擬胸導(dǎo)聯(lián)，見圖1。

圖1 11歲男童10sECG波形Fig 1. ECG wave of a 11 years old boy at 10s

(2) 青年，男性，4位，22-23周歲，身體健康，模擬胸導(dǎo)聯(lián)。圖2為手機(jī)截屏心電圖，圖3為IOS波形。

圖2 4名青年男性的心電波形手機(jī)截屏Fig.2 ECG wave on mobile phone screen of 4 young men

(3) 青年，女性，1位，年齡24周歲，身體健康，雙極肢體I導(dǎo)聯(lián)，見圖4。

(4) 中年，男性，1位，41周歲，身體健康，模擬胸導(dǎo)聯(lián)，見圖5。

以上為不同年齡段人群使用者佩戴本系統(tǒng)進(jìn)行心電測(cè)量的記錄，從波形數(shù)據(jù)上我們可以對(duì)其心率、心電不同波群幅度、間期等參數(shù)進(jìn)行比對(duì)。限于本文主題，也由于受實(shí)驗(yàn)條件所限，未打算進(jìn)行大規(guī)模的人群測(cè)試，但從以上測(cè)試可以看到，本系統(tǒng)在采集并比對(duì)不同人群日常心電數(shù)據(jù)上已具有一定良好的拓展前景與應(yīng)用價(jià)值。

2 動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

手機(jī)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)一方面克服了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)心電（Holter）的高成本缺點(diǎn)，另一方面也使用戶在日常生活中可以隨時(shí)隨地獲取心電數(shù)據(jù)、進(jìn)行自我監(jiān)護(hù)成為可能。如下，我們進(jìn)一步通過(guò)所設(shè)計(jì)的幾個(gè)動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)以及初步的對(duì)比分析，來(lái)說(shuō)明新系統(tǒng)在心臟疾病研究與日常監(jiān)護(hù)方面的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景。

圖3 4名青年男性10 s波形Fig. 3 ECG wave of 4 young men at 10 s

圖4 青年女性10 s波形（I導(dǎo)聯(lián)）Fig. 4 ECG wave of 4 young women at 10 s

圖5 中年男性10 s波形Fig. 5 ECG wave of a middle aged at 10 s

2.1 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

對(duì)日常生活中不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以幫助用戶隨時(shí)了解自己的身體機(jī)能，也有助于發(fā)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的生理現(xiàn)象甚至潛在疾病，乃至輔助科學(xué)健身等。

眾所周知，典型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括低強(qiáng)度（如靜臥、靜坐）、中等強(qiáng)度（如走路）以及高強(qiáng)度（如跑跳、上肢鍛煉）等，利用心電圖監(jiān)測(cè)心率變化可以使用戶更加合理的選擇運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也有機(jī)會(huì)監(jiān)測(cè)到可能發(fā)生的病理性波形（如早搏）。

圖6是對(duì)一名受試者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與比較，受試者為一名22周歲男性。其中分別給出了靜臥、靜坐、俯臥撐及高抬腿跑時(shí)的波形，從中可以看到一些明顯的心率、波形等差別。對(duì)這些數(shù)據(jù)加以比對(duì)后，可以發(fā)現(xiàn)，受試者在不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下，心率均出現(xiàn)了明顯的不同，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大，心率也會(huì)越快，但整體仍處于一個(gè)比較正常的狀態(tài)。

圖6 受試者不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的10s心電波形Fig.6 ECG wave of different motion at 10s

2.2 生活習(xí)慣

日常生活中的一些嗜好，如飲酒、飲咖啡等，可能對(duì)不同人體造成不同影響，借助手機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)了解這一點(diǎn)。相應(yīng)技術(shù)途徑為認(rèn)識(shí)和評(píng)估有關(guān)食品或飲品產(chǎn)生的生理效果，乃至為副作用提供檢測(cè)手段。

如下實(shí)驗(yàn)以人飲用咖啡為例，考察在飲用咖啡后，心率及心電波形會(huì)出現(xiàn)何種變化。受試者兩名，均為22周歲健康男性，受試者A飲用咖啡前后波形對(duì)比如圖7，受試者B前后對(duì)比如圖8。

圖7 受試者A飲用咖啡前后60s波形Fig .7 ECG wave of participant A before and after drinking coffee at 60s

圖8 受試者B飲用咖啡前后100s波形對(duì)比Fig.8 ECG wave of participant B before and after drinking coffee at 60s

我們知道，飲品吸收進(jìn)血管一般只需要幾分鐘，從受試者A飲用前與飲用后10 min內(nèi)的60 s波形來(lái)看（見圖7），無(wú)論是心率、幅度均無(wú)明顯變化。這可能是因?yàn)榭Х戎饕饔糜谏窠?jīng)系統(tǒng)，對(duì)心臟機(jī)能影響不大，也有可能是受試者對(duì)咖啡本身不敏感。

飲用咖啡前后受試者B心率與幅度的變化同樣不大（見圖8）。但可以看出，飲用后心電的基線明顯變得穩(wěn)定了。從前面的研究可以知道，對(duì)基線的干擾主要來(lái)源于軀干肌肉的肌電，因此我們推測(cè)可能是咖啡的鎮(zhèn)靜作用使得受試者肌肉能夠更加放松，因而減少了肌電的干擾。

由于不具備臨床條件，本文沒(méi)有進(jìn)行更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)或更進(jìn)一步的分析，但可以看出的是，服用有鎮(zhèn)靜作用的咖啡，對(duì)于使受試者放松，減少肌電干擾可能會(huì)有很好的作用。

2.3 心理狀態(tài)

人在不同的心理狀態(tài)下，如興奮、緊張等時(shí)心臟的機(jī)能與狀態(tài)會(huì)有不同，對(duì)其中的規(guī)律進(jìn)行探測(cè)也是一個(gè)十分有趣的研究課題。

圖9所示是受試者（男性，22周歲）在兩種不同心理狀態(tài)下（平靜與緊張）測(cè)得的心電波形，可以看到心率有明顯差別，其波形也存在一些不同，S波的幅度有所增大，T波的幅度則有所減小。

圖9 受試者不同心理狀態(tài)的心電波形Fig.9 ECG wave of participant in different emotion

2.4 不同時(shí)段

人體生理機(jī)能存在著很多周期性特點(diǎn)，典型的如每日的周期及女性每月的生理周期等，借助手機(jī)心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)技術(shù)，用戶可以更好地了解自己在不同周期及時(shí)段中的身體狀態(tài)，并反過(guò)來(lái)依據(jù)心電的某種表現(xiàn)對(duì)自身生活予以及時(shí)調(diào)整及應(yīng)對(duì)。

圖10 受試者清晨、午后及深夜的心電波形Fig.10 ECG wave of participant in the morning, afternoon and midnight

由于按月為周期進(jìn)行測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，因此本實(shí)驗(yàn)僅監(jiān)測(cè)受試者（男性，22周歲）在一天不同時(shí)段的心電波形，受試者在各時(shí)段的測(cè)試始終處于清醒狀態(tài)，波形如圖10所示。雖然僅給出一名受試者的一段數(shù)據(jù)，但是以心率這一最直觀的指標(biāo)就可以看出不同時(shí)段，這一重要生理參數(shù)確實(shí)存在明顯差別，當(dāng)然進(jìn)一步的生理學(xué)解釋尚需時(shí)日。

3 小結(jié)

本文考察了所研制的手機(jī)無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在幾組新穎生理學(xué)試驗(yàn)方面的應(yīng)用情況，從而對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行了一個(gè)初步檢驗(yàn)。這些系列測(cè)試工作，初步揭示了若干有趣的人體動(dòng)態(tài)心電現(xiàn)象，而這些工作不易通過(guò)傳統(tǒng)試驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)。盡管受試者人數(shù)、數(shù)據(jù)量及生理或病理性分析尚十分有限，這些新穎實(shí)驗(yàn)仍然較充分的展示了本系統(tǒng)在心臟疾病基礎(chǔ)研究與日常監(jiān)護(hù)方面的靈活性和普適價(jià)值。對(duì)這一技術(shù)的充分應(yīng)用，將顯著推進(jìn)認(rèn)識(shí)人體的各類心臟疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，從而發(fā)展出高效的疾病預(yù)防和健康管理措施。

致謝：

感謝清華—裕元醫(yī)學(xué)科學(xué)研究基金及中國(guó)科學(xué)院低成本醫(yī)療技術(shù)研究項(xiàng)目的資助。

[1] 鄧玉林, 李勤. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007

[2] H. Wang, J. Liu. Mobile phone based health care technology[J]. Recent Patents on Biomedical Engineering. 2009, 2(1): 15-21.

[3] 于洋, 劉靜. 手機(jī)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)評(píng)[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械雜志, 2010, 34(6): 392-396.

Study on Mobile Phone Based Wireless ECG Monitoring Technology System Typical Demonstration Applications

【 Writers 】Yu Yang1, Liu Jing1,2＊
1 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing, 100084
2 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190

ECG, mobile phone, people test, dynamic ECG, pervasive medicine

R444

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.003

1671-7104(2011)01-0011-04

2011-09-21

劉靜，E-mail: jliubme@tsinghua.edu.cn

【 Abstract 】Based on the mobile phone platform with wireless real-time ECG monitoring system developed in our lab, this article is dedicated to evaluate its practical value in people test. A series of new conceptual experiments were designed and performed. Particularly, ECG characteristics under different age, gender, health and motion conditions are evaluated. Effects of living habits such as drinking wine, coffee including various psychological conditions such as excitation, anxiety etc. to the ECG response are investigated. The human ECG under different time in a day such as morning, afternoon and late-night was evaluated. These conceptual experiments, which are hard to conduct otherwise using conventional devices, demonstrate the pervasive merits of the new system for fundamental study of heart disease as well as daily healthcare.