基于Android的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 猛，呂 衛(wèi)，宋 垣

（1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.南京炮兵學(xué)院廊坊校區(qū)，河北 廊坊 065000）

當(dāng)今，隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，生活壓力日益增長(zhǎng)，心血管疾病發(fā)病率也逐漸升高，并且出現(xiàn)心血管疾病患者年輕化的趨勢(shì)。心腦血管疾病死亡率高、致殘率高、發(fā)病率高，在人類死亡病因中占最高比重，成為人類健康的頭號(hào)殺手。關(guān)注心臟狀況，預(yù)防和治療心血管疾病已成為社會(huì)研究熱點(diǎn)。心電圖對(duì)于監(jiān)控心臟活動(dòng)狀態(tài)具有重要作用，所以便攜式心電監(jiān)護(hù)儀在家庭中得到了廣泛應(yīng)用。

市面上已有的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀將數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊集成于一體，使得功耗、成本居高不下，并且相比可穿戴便攜設(shè)備略顯笨重。可穿戴式設(shè)備在不影響用戶正?；顒?dòng)的前提下，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)人體狀態(tài)，且具有較低的功耗，因此具有更好的市場(chǎng)前景。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于Android平臺(tái)的動(dòng)態(tài)心電圖顯示終端設(shè)計(jì)，其利用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)ECG數(shù)據(jù)的傳輸，并將處理后的心電波形實(shí)時(shí)顯示在Android終端。本系統(tǒng)與之相比，利用藍(lán)牙BLE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙BLE是藍(lán)牙低功耗版本，比傳統(tǒng)藍(lán)牙功耗更低，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。另外，本系統(tǒng)除采集ECG數(shù)據(jù)外，還能采集呼吸數(shù)據(jù)，檢測(cè)用戶的呼吸頻率是否正常。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)整體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程

1）數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從人體表面采集ECG數(shù)據(jù)和呼吸數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙BLE將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)Android設(shè)備。

2）為確保Android應(yīng)用軟件在后臺(tái)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的正常接收，在Service組件中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。同時(shí)，在此組件中完成耗時(shí)較多的一系列數(shù)據(jù)解析、處理，并將處理過(guò)的數(shù)據(jù)在文件中備份。

3）由于Service組件是不可見(jiàn)的，為實(shí)現(xiàn)心電圖的動(dòng)態(tài)顯示，需將處理好的數(shù)據(jù)暫存到Activity數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

4）通過(guò)繪圖線程，將ECG波形顯示于顯示屏上。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示，包括模擬前端ADS1292R、控制芯片CC2540、電池和SD卡。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊（照片）

ADS1292R采集電路具有高阻抗和高共模抑制比，適于采集微弱電信號(hào)；CC2540通過(guò)SPI接口讀取數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1292R采集到的呼吸和ECG數(shù)據(jù)并通過(guò)藍(lán)牙BLE傳輸給移動(dòng)Android設(shè)備，其集成度高，功耗低。在不需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的情況下，該模塊也可以將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地SD卡中。

2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

2.1 藍(lán)牙BLE簡(jiǎn)介

藍(lán)牙BLE技術(shù)是藍(lán)牙4.0的核心技術(shù)之一，是對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)牙BR/EDR技術(shù)的補(bǔ)充。與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比，BLE具有縮短無(wú)線開啟時(shí)間、快速建立連接、降低收發(fā)峰值功耗等特性，從而實(shí)現(xiàn)低功耗。傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的一個(gè)重要缺陷是耗電量大，它使用了32個(gè)廣播信道，而藍(lán)牙BLE技術(shù)[2]僅使用了3個(gè)廣播信道，且廣播模式啟動(dòng)時(shí)間也由傳統(tǒng)藍(lán)牙的22.5 ms減少到0.6～1.2 ms，極大地降低了因?yàn)閺V播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的待機(jī)功耗。此外，藍(lán)牙BLE技術(shù)將傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)改進(jìn)為深度睡眠狀態(tài)，深度睡眠狀態(tài)下功耗極低。廣播階段，藍(lán)牙BLE技術(shù)避免了重復(fù)掃描，設(shè)備連接過(guò)程可在3 ms內(nèi)完成，而傳統(tǒng)藍(lán)牙需100 ms以上。低功耗藍(lán)牙對(duì)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度進(jìn)行了更加嚴(yán)格的定義，支持超短（8～27 byte）數(shù)據(jù)封包，并使用了隨機(jī)射頻和增加了GFSK調(diào)制索引，大大降低了數(shù)據(jù)收發(fā)的復(fù)雜性，有效降低了峰值功率。

Android系統(tǒng)為藍(lán)牙BLE開發(fā)提供了專門的API。支持Android設(shè)備作為服務(wù)器或客戶端與遠(yuǎn)端藍(lán)牙BLE設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 Android設(shè)備與心電采集模塊通信流程

Android設(shè)備與心電采集模塊通信流程如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙BLE傳輸給Android設(shè)備，數(shù)據(jù)包括ECG數(shù)據(jù)和呼吸數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均以18個(gè)字節(jié)組成的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送。接收到數(shù)據(jù)首先根據(jù)標(biāo)志位判斷屬于哪類數(shù)據(jù)，分別做不同處理。對(duì)于ECG數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量比較大，發(fā)送頻率高，ECG數(shù)據(jù)包接收順序可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以接收到ECG數(shù)據(jù)后首先要根據(jù)數(shù)據(jù)包的序列號(hào)將數(shù)據(jù)調(diào)整為正確順序。由于ECG數(shù)據(jù)和呼吸數(shù)據(jù)都是24位精度，而數(shù)據(jù)包格式是以字節(jié)為單位的，因此要將字節(jié)型數(shù)據(jù)調(diào)整為整型。由于采集的數(shù)據(jù)中存在工頻干擾、基線漂移[3]等影響，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列濾波處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的ECG數(shù)據(jù)，然后將處理好的數(shù)據(jù)存入文件以備以后查看。以上操作運(yùn)算量較大、耗時(shí)較長(zhǎng)，是在Android應(yīng)用程序Service組件中運(yùn)行的，而Service組件是不可見(jiàn)的，這就需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄哂锌梢暬缑娴腁ctivity中。為使應(yīng)用程序具有較好的運(yùn)行性能，為Activity中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)定閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到閾值，將數(shù)據(jù)傳入繪圖線程，顯示給用戶。對(duì)于呼吸數(shù)據(jù)，由于不需要向用戶顯示呼吸曲線，只需在Service組件中將計(jì)算得到的呼吸率結(jié)果傳遞到Activity中顯示給用戶即可。另外，呼吸數(shù)據(jù)中會(huì)插入表示采集模塊狀態(tài)的狀態(tài)位，例如電量低、導(dǎo)聯(lián)脫落等信息；處理呼吸數(shù)據(jù)時(shí)，要檢查這些狀態(tài)位，并將狀態(tài)信息通過(guò)通知及時(shí)反饋給用戶。

圖3 通信流程圖

2.3 心電圖繪制模塊

開啟心電圖繪制線程[4]后，首先檢查是否收到結(jié)束線程命令，若收到結(jié)束命令，則結(jié)束繪圖線程，如果沒(méi)有，則判斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否大于5個(gè)，若大于5個(gè)，則以5個(gè)數(shù)據(jù)為單位在SurfaceView上繪制心電圖[5]，直到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)小于5個(gè)，否則睡眠50 ms，讓出CPU資源，在下次獲得CPU資源時(shí)，重復(fù)上述步驟。繪圖模塊流程圖如圖4所示。

圖4 繪圖流程圖

繪制心電圖時(shí)，若數(shù)據(jù)不足一屏，則原數(shù)據(jù)顯示位置不變，新數(shù)據(jù)加在原數(shù)據(jù)之后；若數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)超過(guò)一屏顯示個(gè)數(shù)，則舊的數(shù)據(jù)前移，新數(shù)據(jù)始終出現(xiàn)在屏幕最右側(cè)。心電圖繪制效果如圖5所示。

圖5 心電圖繪制效果（截圖）

3 測(cè)試結(jié)果與分析

該軟件的主要功能為接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊發(fā)送的心電波形數(shù)據(jù)，并將處理后的心電數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上；另外，可及時(shí)將計(jì)算出的心率和呼吸率等參數(shù)顯示出來(lái)，使用戶可以更直觀地了解身體狀態(tài)。

測(cè)試時(shí)，首先令數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)正弦波和方波，用Google公司的Nexus 7二代平板PC。經(jīng)測(cè)試，平板PC可以正確穩(wěn)定地接收數(shù)據(jù)而無(wú)丟包現(xiàn)象，并能夠?qū)⒔邮盏降牟ㄐ螖?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到顯示屏上。使用容量為800 mAh的充電電池做續(xù)航能力測(cè)試，數(shù)據(jù)采集模塊可以持續(xù)工作72 h以上。

初步測(cè)試成功后，利用數(shù)據(jù)采集模塊采集人體心電數(shù)據(jù)，繪制出心電圖如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)表明，Android設(shè)備能夠穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)，心電波形顯示清晰、流暢，心電采集模塊續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的。

圖6 實(shí)測(cè)人體心電圖（截圖）

4 結(jié)束語(yǔ)

心電監(jiān)護(hù)設(shè)備已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，正朝著實(shí)時(shí)性、便攜性、智能化的方向發(fā)展。與當(dāng)前現(xiàn)有的相關(guān)產(chǎn)品相比，本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙BLE的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，功耗低，續(xù)航能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性能良好，并且具有對(duì)心率、呼吸率是否正常的檢測(cè)功能，便于用戶使用。

[1] 楊德龍，褚晶輝，楊博菲，等.基于Android平臺(tái)的動(dòng)態(tài)心電圖顯示終端設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013（S2）：283-285.

[2] 范晨燦.基于藍(lán)牙4.0傳輸?shù)腁ndroid手機(jī)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[3] 李剛，劉巍，虞啟璉，等.抑制工頻干擾及基線漂移的快速算法[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2000，19（1）：99-103.

[4] 楊德龍.基于Android系統(tǒng)的藍(lán)牙無(wú)線動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2013．

[5] 崔浩然.基于Android平臺(tái)的手機(jī)游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安科技大學(xué)，2011.