基于物聯(lián)網的社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)設計*

劉元建，李紅利，張榮華，柳 干，王舒歡，修春波

(天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津300387)

0 引 言

心臟疾病在人群中的發(fā)病率不斷增加，在老年群體中尤為突出，偶然性與突發(fā)性是心臟疾病的顯著特點［1］，這使得心電圖(ECG)監(jiān)護系統(tǒng)在臨床應用上具有重要價值。但是，傳統(tǒng)的心電監(jiān)測系統(tǒng)均采用有線監(jiān)護方式，使用導聯(lián)線把心電信號傳輸?shù)皆O備上，電路中使用大量的模擬電路，設備的體積大，移動不便，心電信號易受到干擾，一般僅適用于醫(yī)院。物聯(lián)網技術可以解決這個問題。物聯(lián)網是一種泛在網絡，是由麻省理工學院提出，是指信息傳感設備，如，紅外感應器、激光掃描器、射頻識別(RFID)裝置、全球定位系統(tǒng)(GPS)等設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。簡而言之，物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網”［2］?；谖锫?lián)網的社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)采用無線傳輸方式和大量的集成電路使設備體積變得小，方便移動。存儲于終端嵌入式系統(tǒng)中的心電分析算法，可以實時顯示和在線分析心電信號，實現(xiàn)心臟疾病的自動診斷和預測，指導患者及時用藥。Zig Bee 無線通信技術相比其他通信技術具有低功耗、易組網的特點［3］，非常適合在社區(qū)中使用。

本文設計了一種無線心電監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能準確、及時地對患者進行遠程監(jiān)測和提供幫助，大大提高救治效率，減少患者往返醫(yī)院的時間，降低意外事故發(fā)生，有助于醫(yī)療技術發(fā)展。

1 硬件設計

系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。圖1 建立了一個多節(jié)點的社區(qū)無線心電監(jiān)測網絡［4］，該網絡有兩種工 作模式:一是實時傳輸并顯示心電信號，二是終端對心電信號進行分析，如果心電異常則報警，并傳輸異常信號前后2min 的心電信號，對異常心電信號進行顯示和存儲。如果心電信號正常則不輸出心電信號。模式二減少了數(shù)據發(fā)送量，減輕了系統(tǒng)的負擔，更降低了功耗。每個用戶使用一個終端采集心電數(shù)據，通過無線傳輸技術發(fā)送到接收端。接收端通過無線路由把心電數(shù)據傳輸?shù)接嬎銠C、手機等設備上進行顯示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖Fig 1 Overall scheme diagram of system

1.1 心電信號采集電路設計

利用ADS1191 芯片采集心電信號，該芯片具有多通道同步采樣16 位Δ-∑A/D 轉換器，內建可編程增益放大器、內部參考和板載振蕩器，具有尺寸小、能耗低、成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點。ADS1191 包含了便攜式低功率醫(yī)療心電圖、體育運動和健身應用所需的所有特性。憑借其高度的集成性，能夠在大幅縮小尺寸、降低功耗與整體成本的同時，實現(xiàn)可擴展醫(yī)療儀表系統(tǒng)的創(chuàng)建。每通道提供高度靈活的輸入多路復用器，其可獨立連接至內部生成信號實現(xiàn)斷線檢測，其內部有12 個寄存器，只要通過寫寄存器命令就可以控制芯片的工作，簡單易行。

由于心電信號都是在mV 級，信號微弱且易被干擾。因此，在采集電路的前端放置低通濾波器減少信號的干擾。主控芯片采用傳輸模塊中的增強型51 單片機，使用其IO口模擬SPI 總線與采集電路進行通信和控制。ADS1191 具有16 位分辨率的特性，在電路設計時，為了保證信號的原始性，沒有使用放大電路［5］。

1.2 無線傳輸電路設計

無線傳輸采用CC2530 芯片，CC2530 是基于2.4 GHz，Zig Bee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)(system on chip，SOC)解決方案［6］，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節(jié)點，主要適合用于自動控制和網絡控制領域，可以嵌入多種設備，是一種價格低、功耗低的近距離無線組網通信技術。CC2530 結合了RF 收發(fā)器、增強型8051 CPU、系統(tǒng)內可編程閃存、8 kB RAM 等強大功能，具有不同的運行模式，運行模式之間的轉換時間短，確保了低能源消耗。

2 軟件設計

軟件設計包括采集電路控制軟件和無線通信軟件。采集電路控制軟件使用CC2530 中的增強型51 配置ADS1191中的寄存器。無線通信軟件實現(xiàn)大數(shù)據的發(fā)送與接收，避免丟包等現(xiàn)象。

2.1 心電信號采集電路軟件設計

采用Zig Bee 模塊中的增強型51 做主控芯片，由于ADS1191 使用的是SPI 通信協(xié)議，而51 是串口通信，所以，在進行通信時要編寫程序實現(xiàn)串口轉SPI。在初始化和參數(shù)配置后，向ADS1191 發(fā)出讀指令，電極就會不間斷地采集心電信號，經過A/D 轉換的處理生成一組2 進制數(shù)，當采集到足夠的數(shù)據后，信號(DRDY)變低，這時說明系統(tǒng)已經準備好數(shù)據的發(fā)送，可以與單片機進行數(shù)據傳輸。

2.2 無線傳輸電路軟件設計

無論是采集數(shù)據，還是發(fā)送控制命令，因為傳輸數(shù)據方案是無線的，所以，首先會遇到無線網絡的建立，即通信的問題。這些問題是在Zig Bee 協(xié)議棧的基礎上解決的［7］。Zig Bee 軟件設計還需考慮從采集部分接收采集數(shù)據并發(fā)送，通過無線傳輸傳至Zig Bee 的接收模塊。

首先在執(zhí)行任務事件前要對系統(tǒng)進行初始化，保證系統(tǒng)的正常運行。軟件編寫分為網絡形成、建立綁定和數(shù)據傳輸。在通信時會涉及到2 個設備，即下述的終端和協(xié)調器，所以，流程圖將被分成兩部分介紹。其中，協(xié)調器流程圖如圖2 所示。

圖2 協(xié)調器工作流程圖Fig 2 Work flow chart of coordinator

從協(xié)調器的算法中可看出:協(xié)調器它充當?shù)木褪且粋€搜索者的角色，捕獲數(shù)據并傳至后一級。一個網絡有一個協(xié)調器，協(xié)調器啟動后，讀取設備的邏輯類型。若讀為協(xié)調器，則形成網絡開始，觸發(fā)操作系統(tǒng)中的組網事件。網絡建立起來后，協(xié)調器將與終端建立綁定關系，這里采用的是目的地址未知的綁定，協(xié)調器會進入允許綁定狀態(tài)，需設置時間參數(shù)，對允許綁定的時間范圍進行限定。因為患者是自主的，系統(tǒng)中將時間設定為任何時候都允許綁定，在收到子節(jié)點的綁定請求后，協(xié)調器產生一個綁定成功標志。綁定完成后，標志數(shù)據的鏈路建立完成。在數(shù)據傳輸部分中，因為在操作系統(tǒng)中有消息來訪事件，只要節(jié)點有數(shù)據發(fā)出，協(xié)調器就會進入接收數(shù)據指示函數(shù)，通過判斷數(shù)據類型，在初始化函數(shù)中給相關寄存器賦初值，將串口中斷置位，然后循環(huán)判斷中斷標志位是否清零來判定一次發(fā)送是否結束。

終端釆集節(jié)點的流程圖與協(xié)調器類似。組網時，終端節(jié)點會開始尋找協(xié)調器，然后加入。綁定時，采集節(jié)點首先請求是否可以綁定，若發(fā)現(xiàn)可以綁定的協(xié)調器后，采集節(jié)點就會發(fā)出綁定裝置信號，若返回成功標記，則綁定完成。然后，判斷系統(tǒng)的工作模式，若工作在模式二，對信號進行分析;若有異常，則發(fā)送數(shù)據。

2.3 心電數(shù)據檢測報警

心電數(shù)據分析算法對采集的心電信號主要特征波形進行提取和標記，包括R 波的定位檢測，QRS 波群起始點，終止點的定位標記。因為采用的是增強型51 作為主控芯片，對算法的可行性提出了更高的要求，要求計算量小，易于在嵌入式環(huán)境下實現(xiàn)。

本文研究采用遞推平均濾波法對采集的心電信號做簡單的濾波處理，然后就是對心電信號的明顯特征進行定位，R 波是整個信號的極值且峰值很大。對于R 波的檢測可以采用極值判定法，求取心電信號的差分值，對差分值的正負變化趨勢進行分析判斷，找出R 波的可能位置，根據R 波的特征排除錯誤的位置，標記出R 波的正確位置，然后標記整個QRS 波群［8］，具體算法如圖3 所示。

圖3 QRS 波群定位流程圖Fig 3 Flow chart of QRS wave group localization

通過對心電信號QRS 波群的標記定位可以計算出RR間期RRi，RR 間期平均值rr，RR 間期差RRcha，QRS 時限qrs，心率HR。以心電圖學為主要依據，參考心電圖的波形特征，請教一些有臨床經驗的醫(yī)生并參考相關的資料作為診斷依據［9］，可以初步診斷一些心率失常癥狀，如發(fā)現(xiàn)異常會自動報警并發(fā)送心電信號進行顯示。診斷流程如圖4 所示。

圖4 心電診斷算法流程圖Fig 4 Flow chart of ECG diagnosis algorithm

在Matlab 上對算法進行了仿真，并驗證了可行性和準確性，在確定其可行性后把算法嵌入到底層程序中。圖5是使用設計算法對MIT—BIH 數(shù)據庫中的心電信號進行驗證的結果［10，11］。

圖5 Matlab 算法驗證圖Fig 5 Verification diagram of Matlab algorithm

2.4 社區(qū)心電監(jiān)護界面的設計

利用LabVIEW 平臺設計了系統(tǒng)的監(jiān)護界面［12］，方便社區(qū)醫(yī)生及時知道患者的心電情況。如果使用者心電異常，監(jiān)護界面上對應使用者的監(jiān)護界面會發(fā)出警報，醫(yī)生可以點擊詳情觀察心電異常信號，如圖6 所示。

圖6 社區(qū)心電監(jiān)護界面Fig 6 Community ECG monitoring interface

3 實驗結果與分析

如圖7 所示，為點擊監(jiān)護界面的系統(tǒng)詳情按鈕后得到的心電信號。從圖上可以看出信號存在噪聲干擾，主要包括兩種:隨機噪聲、工頻干擾。

圖7 人體心電信號Fig 7 ECG signal of human body

本系統(tǒng)中的干擾主要是工頻干擾。為了消除干擾，本文采用數(shù)字濾波的方法處理。經過濾波，可以有效地過濾掉噪聲和干擾，得到真實的心電信號，有利于病人病情的診斷。

4 結束語

本文研究應用心電檢測技術、無線通信技術和計算機技術，設計了一種社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)。測試表明:所設計的系統(tǒng)可以采集、實時顯示人體心電信號并進行監(jiān)測。系統(tǒng)結構簡單，易于擴展，采用無線通信傳輸數(shù)據，可以減少系統(tǒng)的各種連線，縮小設備的體積。該系統(tǒng)不僅可以滿足社區(qū)心電檢測的需要，實現(xiàn)心臟疾病的自動診斷和預測，也可以應用于康復中心和養(yǎng)老院等場合，為醫(yī)生診斷病情提供依據。

［1］ Shanthi Mendis，Pekka Puska，Bo Norrving.Global atlas on cardiovascular disease prevention and control［R］.Geneva:The World Health Organization，2011.

［2］ ITU Strategy and Policy Unit(SPU).ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things［R］.Geneva:International Telecommunication Union(ITU)，2005.

［3］ 鄭 凱，趙宏偉，張孝臨.基于Zig Bee 心電監(jiān)護網絡定位方法的研究［J］.計算機應用研究，2009，26(5):1816－1819.

［4］ 李鴻強，苗長云，張龍宇，等.心電醫(yī)療監(jiān)護物聯(lián)網關鍵技術研究［J］.計算機應用研究，2010，27(12):4600－4603.

［5］ 徐步威.基于Android 系統(tǒng)的心電采集顯示系統(tǒng)設計［D］.成都:電子科技大學，2013:12－15.

［6］ 王嘉慶，李鴻強，于曉剛，等.物聯(lián)網人體心電監(jiān)護系統(tǒng)軟件研究［J］.計算機工程，2011，37(16):273－278.

［7］ 閆 沫.Zig Bee 協(xié)議棧的分析與設計［D］.廈門:廈門大學，2007:29－41.

［8］ 吳慶玲.嵌入式實時心電診斷算法［D］.南京:南京大學，2011:41－43.

［9］ 陳麗珊.基于智能手機的心率失常遠程監(jiān)護平臺的軟件技術研究［D］.重慶:重慶大學，2011:26－27.

［10］徐效文，曾 超，崔松野，等.MIT—BIH 數(shù)據庫心電數(shù)據重采樣研究［J］.計算機工程與應用，2011，47(8):245－248.

［11］Ma J，Kockelman K M，Damien P.Bayesian multivariate poissonlognormal regression for crash prediction on rural two-lane highways［C］∥86th Annual Meeting of the Transportation Research Board，Washington D C，2007.

［12］陳真誠，陳曉俐.基于虛擬儀器的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的研制［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009，30(4):19－21.