基于智能手機(jī)的Holter系統(tǒng)

朱宇，齊樂

（西安科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著生活節(jié)奏地加快，人們的身體的機(jī)能也在不斷地退化。尤其是心腦血管疾病的患者與日俱增，而當(dāng)今醫(yī)學(xué)也無法根除這種疾病，但是只要在發(fā)病前的得到及時的救治就可以大大降低患者的死亡率。

目前，普遍采用基于PC機(jī)平臺的心電監(jiān)護(hù)儀體積龐大，成本較高，功能全面，主要存在于醫(yī)院使用。但心腦病的發(fā)病通常是突發(fā)性和隨機(jī)性的，僅僅依靠醫(yī)院一次的心電檢查，不足以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來為患者進(jìn)行治療。自從Holter（一種動態(tài)心電圖）的出現(xiàn)，極大方便的使心血管患者自己進(jìn)行監(jiān)測心電圖的趨勢。同時，為了更加方便的使患者時時刻刻掌握自己近期心電圖的變化，以及進(jìn)一步縮小Holter的體積，設(shè)計出了一種基于智能手機(jī)的動態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，利用智能手機(jī)便可充當(dāng)顯示屏幕[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于智能終端的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由4個部分組成：心電信號采集放大電路，存儲設(shè)備，無線WIFI傳感器，患者的智能手機(jī)。工作方式如圖1所示。心血管病患者隨時利用便攜式動態(tài)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)護(hù)，并通過WIFI無線發(fā)送，患者手機(jī)通過無線WIFI來接收設(shè)備所傳遞過來的心電圖，并通過手機(jī)屏幕顯示出測試結(jié)果。

同時，智能手機(jī)還能夠?qū)⑿碾姕y試結(jié)果進(jìn)行保存與管理，可以以曲線的形式直接顯示出近七天的心電圖測試結(jié)果?；颊呖梢岳肁ndroid智能手機(jī)的截圖功能將數(shù)據(jù)通過短信方式或者GPRS的移動網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送自己的主治醫(yī)生或者醫(yī)院，從而獲得適當(dāng)?shù)脑\斷結(jié)果與治療意見。手機(jī)使用小米2S，心電采集的核心是以S3C6410為CPU的mini6410 ARM開發(fā)板與WIFI傳感器模塊等構(gòu)成，通過WIFI來連接Android智能手機(jī)。

2 心電采集電路設(shè)計

心電信號采集電路是整個系統(tǒng)最重要的部分包括了心電采集、前置心電放大、低通濾波電路、高通濾波電路、以及50 Hz的陷波器等構(gòu)成[2]。

圖1 系統(tǒng)工作模式Fig.1 Working mode diagram of the system

心電采集框圖由圖2所示。由于心電信號作為生物電信號在人體中表現(xiàn)的十分微弱，其頻率范圍為0.05～100 Hz，電壓范圍為0～5 mv，信號源的阻抗從數(shù)千歐到數(shù)百千歐，并且存在大量的噪聲，所以收集到的心電信號是否有效完全取決于心電采集電路設(shè)計是否合理。顯然，心電信號是典型的小信號，所以心電儀的前端電路實現(xiàn)的是一個高精度的放大、濾波的功能。又由于通過皮膚表面的電位測量而得到的心電信號，會存在很多的干擾。因此要實現(xiàn)這個系統(tǒng)，就必須解決其面對的各種干擾問題。

圖2 心電采集模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ECGacquisition module diagram

首先對由電極采集到的心電信號通過前置放大電路將微弱的心電信號放大至1 000倍，這里選用儀表放大器為AD620，這是一款低成本、低功耗、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至1 000。接著，為了使輸出信號更好的進(jìn)行A/D采集，可以選擇低功耗的穩(wěn)壓管LM385來抬高信號的電壓水平，使得所有數(shù)據(jù)都為正值。如上文所介紹，心電信號的頻率范圍為0.05～100 Hz，因此，必須采取高通濾波電路和低通濾波電路和陷波電路來選取信號頻段。針對不同的頻率干擾我們可以選擇不同的解決方案。對于由芯片電源供電所引起的50 Hz工頻干擾，采用的是屏蔽驅(qū)動電路以及50 Hz的陷波電路，其中陷波電路選則經(jīng)典的雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器；對于由金屬界面產(chǎn)生極化電壓而引起的電極噪聲，采用增加隔直電容或高通網(wǎng)絡(luò)；而對于無線電波或者高頻設(shè)備的干擾，則可以增加低通濾波電路來抗干擾。通常，高通濾波器的截止頻率為0.03 Hz低通濾波器的截止頻率為100 Hz。右腿電路由運(yùn)放和電阻電容組成，再由一個對稱電阻取出人提共模電壓，經(jīng)AD705運(yùn)算放大器組成反向驅(qū)動放大器施加給人體的右腿，抵消共模干擾。

3 心電數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊設(shè)計

以三星公司出的S3C6410為核心的系統(tǒng)來實現(xiàn)心電信號的A/D轉(zhuǎn)換，并通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)端。這里使用的是廣州友善之臂公司的Mini6410，其主頻最高可達(dá)677 MHz，內(nèi)置1G的 Nand Flash和128M的 DDR RAM，另外片內(nèi)還集成了定時器、看門狗，UART串行口以及一個A/D接口，并具有豐富的外圍接口控制器，完全可以滿足本系統(tǒng)的需求。采用S3C6410片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換接口來實現(xiàn)心電信號的采集。利用定時器輸出來觸發(fā)A/D中斷，以達(dá)到控制采樣頻率的目的，定義采樣頻率為250 Hz。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的心電數(shù)據(jù)被存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。Mini6410是以串口的方式與WIFI模塊進(jìn)行連接，系統(tǒng)會通過UART0將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送至WIFI模塊，發(fā)送波特率為12 800 bps[3]。主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow chat of system control

4 Wifi無線模塊驅(qū)動設(shè)計

WIFI模塊采用的是海華科技公司的AW-HW381，由于其內(nèi)部已經(jīng)集成了WLAN&Bluetooth SoC-88W8688，而且采用SDIO接口與S3C6410進(jìn)行連接，因此只需要對88W8688及其SDIO接口進(jìn)行驅(qū)動升級即可。在LINUX2.6.39.4內(nèi)核驅(qū)動中已經(jīng)完美支持了88W8688。因此，只需在內(nèi)核中進(jìn)行一些配置即可。

S3C6410通過mmc0與AW-HW381進(jìn)行連接，需要設(shè)置檢測方式和對應(yīng)管腳，對s3c_hsmmc0_def_platdata進(jìn)行如下修改：

struct s3c_sdhci_platdata s3c_hsmmc0_def_platdata={

.max_width=4，

.host_caps=（MMC_CAP_4_BIT_DATA|

MMC_CAP_MMC_HIGHSPEED MMC_CAP_SD_HIGHSPEED），

.clk_type=S3C_SDHCI_CLK_DIV_INTERNAL，

.cd_type=S3C_SDHCI_CD_GPIO，

.ext_cd_gpio=S3C64XX_GPL（12），

}；

5 手機(jī)平臺上的功能設(shè)計

系統(tǒng)是基于Android智能手機(jī)的開發(fā)[4-5]，使用的JAVA開發(fā)平臺編寫的心電監(jiān)護(hù)程序。該程序是檢驗之前心電采集的重要標(biāo)準(zhǔn)，包括了與心電采集模塊的自動配對、數(shù)據(jù)實時接收、實時顯示與存儲，以及發(fā)送至醫(yī)院云監(jiān)護(hù)中心或主治醫(yī)生手機(jī)上等功能。當(dāng)程序啟動后，打開手機(jī)上的WIFI功能，程序?qū)詣拥臋z測周圍的WIFI熱點。通過與系統(tǒng)的WIFI模塊連接便可進(jìn)入心電監(jiān)護(hù)主界面，如圖4所示。

圖4 手機(jī)端程序界面Fig.4 Mobile program interface

心電數(shù)據(jù)的分析包括了去除極限漂移和50 Hz工頻干擾、QRS波實時監(jiān)測等算法[6-7]。本文采取零相位IIR濾波算法來消除基線濾波。零相位IIR濾波主要思路是先確定濾波初始條件，然后將原序列的首位進(jìn)行擴(kuò)展，把擴(kuò)展后的序列通過濾波器，接著，將所得結(jié)果進(jìn)行反轉(zhuǎn)再次通過濾波器，最后去掉首位擴(kuò)展部分，這時便可得到零相位濾波后的輸出序列。這種方法可使心電圖在ST段的失真控制在最小范圍。對于工頻干擾，這里采取的是中心頻率為50 Hz的自適應(yīng)陷波器。自適應(yīng)陷波器對對工頻干擾有很強(qiáng)的抑制作用，能夠根據(jù)干擾頻率和幅度的變化，取得較高的信噪比。

6 心電監(jiān)護(hù)中心的設(shè)計

為了便于患者在病房中可以及時將某一階段的心電信息傳遞給醫(yī)院方，特意設(shè)計出一套病房中的無線傳輸系統(tǒng)。由便攜式心電監(jiān)測器將采集到的數(shù)據(jù)通過WIFI模塊傳遞到病房探測器，病房探測器采用通訊總線與計算機(jī)系統(tǒng)連接，再通過計算機(jī)將各個病房以及床位信息進(jìn)行匯總。如圖5所示，醫(yī)院可采用整體監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過一臺主機(jī)作為服務(wù)器連接到各個科室的分機(jī)，而各個科室的分機(jī)又分別連接到各個病房內(nèi)的探測器，這時，此探測器可以作為每一個病房的WIFI熱點，從而構(gòu)成一個共享性的WIFI網(wǎng)絡(luò)[8]。這樣，每一個科室的醫(yī)生都可在計算機(jī)中隨時查看每個病人的心電情況，從而迅速的對每一位患者的身體情況進(jìn)行判斷，同時提出醫(yī)護(hù)方案。

圖5 心電監(jiān)護(hù)中心Fig.5 ECG monitor center

7 結(jié)束語

本文是依靠智能手機(jī)平臺，設(shè)計了一個便攜式的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并充分利用了目前最為流行的WIFI技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行終端之間的交流。該系統(tǒng)輕巧方便，操作簡單，病人只需要一個心電采集盒，即可利用智能手機(jī)完成整個心電數(shù)據(jù)的觀測。并且能夠更方便的使主治醫(yī)生了解每一位病人的情況，即使病人在家中，也通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生，成為醫(yī)生有效診斷病情的一個有力依據(jù)。現(xiàn)如今可穿戴技術(shù)已成為各國專家所青睞的科技前沿之一，尤其是對于醫(yī)療界，可穿戴健康設(shè)備的出現(xiàn)更加能夠幫助更多的患者及時的了解病情同時來彌補(bǔ)自身的缺陷。因此，智能設(shè)備的出現(xiàn)會逐漸成為醫(yī)療界重要角色。

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