基于Android系統(tǒng)的心電傳輸與顯示系統(tǒng)設(shè)計

肖菊蘭，王嘉輝，曾麗君，黃欠平，陳仲本，周 酥

基于Android系統(tǒng)的心電傳輸與顯示系統(tǒng)設(shè)計

肖菊蘭，王嘉輝，曾麗君，黃欠平，陳仲本，周 酥

目的:設(shè)計一種基于Andriod平臺的心電監(jiān)護、無線傳輸與手機顯示系統(tǒng)，可用于家庭或社區(qū)范圍內(nèi)的心電監(jiān)測。方法:首先通過心電采集模塊提取被監(jiān)測者的心電信號，然后利用MSP430F149單片機進行A/D轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件適當處理后經(jīng)串口發(fā)送至藍牙模塊，再無線傳輸至智能手機，存儲在手機的安全數(shù)碼卡（secure digital memory card，SD）上。智能手機端通過設(shè)計藍牙的應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）開發(fā)類實現(xiàn)與下位機通信，可打開已存儲的心電數(shù)據(jù)文件并繪制成心電波形圖，觀察心電圖是否有明顯異常。結(jié)果:該系統(tǒng)能正常采集到人體心電信號并無線傳輸至手機進行顯示，無線傳輸距離為10 m。結(jié)論:該系統(tǒng)的設(shè)計有利于家庭其他成員或監(jiān)護人員及時了解患者的心電狀況，以實現(xiàn)對家庭患者的健康監(jiān)護。

MSP430F149；藍牙技術(shù)；無線傳輸；智能手機

0 引言

心電信號是人體最重要的生理信號之一，也是診斷心血管疾病的重要依據(jù)。臨床上常用的心電信號檢測手段為心電監(jiān)護。目前，心電監(jiān)護已從病床、醫(yī)院擴展到社區(qū)，并逐步進入亞健康人群家庭供個體使用，以滿足疾病早期診斷的需求。家庭式健康監(jiān)護對心電監(jiān)護儀的便攜性和傳輸準確性提出了更高的要求。在信號的傳輸方面，藍牙通信技術(shù)避免了傳統(tǒng)設(shè)備線纜傳輸?shù)木窒扌裕覍崟r性好、抗干擾能力強[1]，在醫(yī)學設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用；同時，移動設(shè)備的普及使得基于智能手機的心電監(jiān)護系統(tǒng)家庭化成為可能。因此，手機的便攜性和藍牙通信的實時性緊密結(jié)合應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備，將使監(jiān)護設(shè)備在便攜式、低功耗、智能化的方向上[2]有很好的發(fā)展前景，必將在家庭保健中發(fā)揮重要作用。

目前，關(guān)于這方面的研究包括：對常見心律失常進行智能診斷的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)；將智能手機與心電監(jiān)測模塊集成在一起，利用手機進行心電監(jiān)測；智能手機通過藍牙網(wǎng)絡(luò)接收來自心電監(jiān)護儀的數(shù)據(jù)，自動篩選不同級別的異常數(shù)據(jù)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸異常數(shù)據(jù)至中心服務(wù)器等。本設(shè)計以微處理器為控制單元，將心電采集與手機顯示模塊分開設(shè)計，降低硬件設(shè)計成本，采集的心電信號通過藍牙模塊無線傳輸至智能手機，通過手機端接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并顯示心電波形，可實現(xiàn)家庭成員或護理人員對被監(jiān)護者身體狀況的實時觀察。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

心電信號經(jīng)過電極傳送至心電采集模塊，經(jīng)放大、濾波處理后，獲得可檢測的模擬心電波形，以MSP430F149單片機為控制核心對心電信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并通過串口發(fā)送至HC-06藍牙模塊，最后將心電數(shù)據(jù)無線傳輸至智能手機進行顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 心電采集模塊

本設(shè)計采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次性軟電極[3]，檢測部分采用東星電子開發(fā)的型號為ESE_ECG_P1的心電采集模塊對原始心電信號進行濾波和放大，該模塊采用標準3電極導聯(lián)方案，可由3.7～5 V的電池（單節(jié)鋰電池或多節(jié)干電池）供電，功耗極低、集成度高、噪聲低，總增益約1 000倍。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 通信模塊

心電采集模塊輸出的心電信號被送入MSP430F149單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，并且通過連接的HC-06藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。MSP430F149單片機是TI公司推出的一款16 bit超低功耗混合信號處理器[4]，非常適用于由電池供電的便攜式儀器儀表。本文采用片上內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12實現(xiàn)心電信號采集，利用定時器A的輸出觸發(fā)A/D中斷以控制采樣頻率，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為使采集的信號不產(chǎn)生混疊，采樣頻率必須等于或高于信號最大頻率的2倍，因此采樣頻率下限為200 Hz[5]。A/D轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果存儲在相應(yīng)轉(zhuǎn)換存儲寄存器，即數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，需要進行計算處理時讀取即可。單片機和藍牙模塊之間以串行口連接，單片機通過UART0將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送至藍牙模塊，發(fā)送波特率為9 600 bit/s，藍牙模塊收到數(shù)據(jù)后會將數(shù)據(jù)發(fā)送給已配對的手機。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 微處理器程序設(shè)計

本設(shè)計中選用了IAR公司提供的開發(fā)調(diào)試環(huán)境IAR Embedded Workbench V5.50[6]，采用C語言編程，程序編譯后輸出的.TXT文件通過啟動加載程序（bootstrap loader，BSL）下載到單片機。在單片機的地址為0C00H-1000H的ROM區(qū)內(nèi)存放了一段引導程序，給單片機的特定引腳加上一段特定的時序脈沖，就可以進入這段程序，讓用戶讀、寫、擦閃存程序。

3.2 手機終端軟件設(shè)計

本部分采用Android4.0版本和Eclipse工具[7]進行開發(fā)，主要有二大功能模塊，即依賴藍牙技術(shù)的數(shù)據(jù)接收功能和讀取本地文件并繪制動態(tài)心電圖的功能。圖2為心電顯示軟件系統(tǒng)操作的流程圖。

圖2 軟件開發(fā)總體流程示意圖

3.2.1 藍牙基本操作的實現(xiàn)

在Android程序中開啟藍牙設(shè)備，需要在AndroidManifest.xml文件中聲明加入藍牙相關(guān)權(quán)限[8]。需要添加的權(quán)限有2個，分別是BLUETOOTH和BLUETOOTH_ADMIN，權(quán)限代碼如下：

＜uses-permission android：name="android.permission.BLUETOOTH"/＞

＜uses-permissionandroid：name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/＞

Android的藍牙開發(fā)有2個重要的類為BluetoothAdapter和BluetoothDevice，分別表示設(shè)備自身的藍牙設(shè)備和外部的藍牙設(shè)備。其中onStart方法需要重寫，用于判斷是否開啟藍牙[9]，并定義startActivityForResult返回數(shù)據(jù)。

3.2.2 調(diào)用數(shù)據(jù)文件功能的實現(xiàn)

在顯示界面中，用戶通過點擊“打開文件”按鈕，進入文件瀏覽器后選擇正確的文件格式即能繪制心電圖。因為顯示界面的主Java程序需要調(diào)用繪圖和文件瀏覽器這2個功能，無論是顯示還是選擇文件都涉及文件瀏覽和讀取，此時通過設(shè)計文件瀏覽器FlieActivity[7]來實現(xiàn)。在進行文件瀏覽和查詢時，為使瀏覽界面首先進入手機的安全數(shù)碼卡（secure digital memory card，SD）根目錄，在設(shè)計FileActivity時，定義一個變量來指定根目錄的地址，在這里定義：

private String root="/mnt/sdcard"；

通過以上程序設(shè)計，可以實現(xiàn)手機SD上數(shù)據(jù)文件的調(diào)用。

此外，Android手機在進程優(yōu)先級上，通話進程的優(yōu)先級和接入點的優(yōu)先級高于其他。考慮到手機端的特殊性，顯示功能的優(yōu)先級在進程上不能高于通話模塊的優(yōu)先級，否則會導致系統(tǒng)運行的混亂，解決辦法是服從Android默認的優(yōu)先級處理和中斷機制。同時，在顯示進程的設(shè)計上，實現(xiàn)了Runnable接口。Runnable接口的作用是實現(xiàn)新的獨立線程，防止因處理執(zhí)行時間過長而導致Android手機其他功能進程的執(zhí)行時間被延長。

4 結(jié)果測試

在搭建硬件平臺時，采用標準Ⅲ導聯(lián)連接方法，電極片分別連接人體右肩鎖骨下、左肩鎖骨下及左下腹部位，采集人體真實心電信號后輸出至單片機進行A/D采樣，最后數(shù)字信號經(jīng)過藍牙傳輸模塊傳輸至智能手機。整個系統(tǒng)經(jīng)過實驗室環(huán)境測試，用戶可以攜帶智能手機在距離藍牙模塊10 m的半徑范圍內(nèi)自由走動而不影響數(shù)據(jù)的接收。由于使用比較高的跳頻速率，使藍牙無線系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，使得信號傳輸時很容易穿透實驗室墻壁、鋁合金門等障礙物而不掉包，在10 m半徑范圍內(nèi)，心電信號可以穿透房門正常接收。此外，在實測過程中，用導電層較厚的醫(yī)用電極片能明顯地減少基線飄移和其他干擾信號的產(chǎn)生。

采集真實人體數(shù)據(jù)后由手機端軟件繪制的心電波形與同組數(shù)據(jù)的Matlab波形顯示對比如圖3所示。由波形圖對比發(fā)現(xiàn)，手機端軟件可以表現(xiàn)出心電基本規(guī)律，但在根據(jù)個體差異調(diào)整波形幅度方面有待改善。

圖3 由手機端軟件繪制的心電波形與同組數(shù)據(jù)的Matlab波形顯示對比

5 結(jié)語

本文的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)心電信號的無線傳輸，通過手機軟件藍牙串口調(diào)試助手接收采集到的心電數(shù)據(jù)并保存在智能手機的SD卡上，再利用Android提供的繪圖功能類庫設(shè)計心電繪圖軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用及心電波形的顯示。本設(shè)計還可以進一步拓展，如手機接收的心電波形顯示明顯異常時，可利用3G等移動通信技術(shù)[10-12]將接收到的心電數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)院服務(wù)器再進行算法識別，請醫(yī)生診斷異常情況，實現(xiàn)遠程心電監(jiān)護；還可擴展到多參數(shù)模塊的監(jiān)護，只要連接相應(yīng)采集模塊即可。由于手機存儲空間有限，可以考慮使用云技術(shù)來存儲實時監(jiān)測的心電信號和其他生理參數(shù)數(shù)據(jù)，并同時進行信號分析，進一步由醫(yī)生驗證診斷結(jié)果并給出治療建議，將遠程會診的結(jié)果反饋至用戶端，讓更多有需要的人享受高水平的醫(yī)療服務(wù)，促進醫(yī)療資源的均衡分布。

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（收稿：2014-10-21 修回：2015-01-20）

Design of ECG transmission and display system based on Android system

XIAO Ju-lan,WANG Jia-hui,ZENG Li-jun,HUANG Qian-ping,CHEN Zhong-ben,ZHOU Su
(Department of Biomedical Engineering,Xinhua College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510520,China)

ObjectiveTo design an ECG monitoring,wireless transmission and display system based on Android platform which could be used in the family or community for ECG monitoring.MethodsThe ECG signals obtained with acquisition module underwent A/D conversion with MSP430F149 SCM,and sent to Bluetooth module via a serial port after treatment, and then stored in the secure digital memory card(SD)of the smart cell phone.The communication was realized between the cell phone and the lower computer through application programming interface(API),then ECG waveform could be formed based on stored ECG data to determine the presence of ECG.ResultsThe system could realize ECG collection, wireless transmission and waveform display,with the wireless transmission distance being 10 meters.ConclusionThe system facilitates ECG monitoring for patient care at home.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：35-37]

MSP430F149;Bluetooth technology;wireless transmission;smart cell phone

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2015）06-0035-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.035

中山大學新華學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2013CX014）

肖菊蘭（1992—），女，研究方向為醫(yī)學電子儀器設(shè)計。

510520廣州，中山大學新華學院生物醫(yī)學工程系（肖菊蘭，王嘉輝，曾麗君，黃欠平，陳仲本，周 酥）

周 酥，E-mail:zhousuok@163.com