基于智能手機(jī)的可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉炳言，李 瑩，王振中，李昱釗，楊麗芳

（北京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，北京 100083）

基于智能手機(jī)的可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉炳言，李 瑩，王振中，李昱釗，楊麗芳

（北京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)傳統(tǒng)心電設(shè)備的移動(dòng)不便性以及穿戴局限性，自行設(shè)計(jì)了基于智能手機(jī)的可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)分為心電采集模塊和心電處理顯示模塊，通過(guò)AD8232芯片、單片機(jī)、安卓平臺(tái)等高科技手段實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的微型化與智能化。并基于不同人的形態(tài)特征，設(shè)計(jì)了一套具有通用性的可穿戴物理設(shè)備，擺脫了個(gè)人身高和體形的限制，富有創(chuàng)新性。

心電監(jiān)護(hù)；單片機(jī)；智能手機(jī)；可穿戴設(shè)計(jì)

1　前 言

隨著科技的迅猛發(fā)展，醫(yī)療儀器也逐漸向著“微型化、智能化、個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化”的方向過(guò)渡。在這樣的背景下，可穿戴便攜式醫(yī)療檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)被提上日程。而在眾多的醫(yī)療儀器中，心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的小型便攜化尤為迫切。

傳統(tǒng)的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)儀器的體積大且價(jià)格昂貴，不利于病人隨身攜帶和進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，成本高昂，加重了病人負(fù)擔(dān)?？紤]到這些因素并結(jié)合目前智能終端設(shè)備迅猛發(fā)展的趨勢(shì)，基于Android平臺(tái)智能手機(jī)的可穿戴心電監(jiān)護(hù)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

可穿戴式心電監(jiān)測(cè)設(shè)備可以方便地穿在用戶身上，在不影響其正常生活的情況下能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)用戶的心臟情況。近幾年，國(guó)內(nèi)外在穿戴式心電監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用儀器的研究方面取得了很大進(jìn)展，其中具有代表性的研究成果有：AMON腕式健康與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)儀器，MyHeart心血管疾病監(jiān)測(cè)智能穿戴系統(tǒng)以及LifeShirt生命衫等。

但是，目前這種應(yīng)用還存在很多局限性，尤其是在使用服裝一類的可穿戴設(shè)備時(shí)，由于個(gè)人身高和體形的限制，使得可穿戴服裝必須按照個(gè)體設(shè)計(jì)，并且只限于其本人使用?；诖?，設(shè)計(jì)了一種可適應(yīng)不同身高體型的人使用，基于智能手機(jī)終端的，便于家庭使用的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備。

2　手機(jī)端心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的基本組成

手機(jī)端心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括兩大部分：心電信號(hào)采集模塊和心電處理顯示的手機(jī)模塊，具體如圖1、圖2所示。

圖1 心電信號(hào)采集模塊

2.1 心電信號(hào)采集模塊

心電信號(hào)采集模塊主要包括模擬放大和濾波，ADC轉(zhuǎn)換。

模擬放大和濾波采用AD8232生物電傳感器為核心芯片。AD8232內(nèi)部?jī)x表運(yùn)放（IA）的放大倍數(shù)固定為100倍，配置OPA （AI）放大倍數(shù)為4倍，因此，心電信號(hào)放大倍數(shù)為400倍，并將心電信號(hào)偏置電壓REFIN設(shè)計(jì)為1.65V。配置0.3Hz的雙極點(diǎn)高通濾波器和37Hz的雙極點(diǎn)低通濾波器，能夠有效濾除干擾，保留心電數(shù)據(jù)的主要信息，獲得失真最小的心電波形。

圖2 心電處理顯示的手機(jī)模塊

ADC轉(zhuǎn)換選擇宏晶科技公司的STC15系列單片機(jī)中的STC15F2K60S2作為主控芯片并對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換。

2.2 心電處理與顯示的手機(jī)模塊

心電處理與顯示的手機(jī)模塊主要包括藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸以及智能終端的顯示。

藍(lán)牙傳輸部分選擇的硬件模塊是BMX-03A，它是一款藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，可以通過(guò)串口來(lái)和單片機(jī)以及主控芯片連接，版本為2.0。該模塊采用CSR BlueCore芯片，配置有8Mbit的軟件存儲(chǔ)空間，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改設(shè)備名稱、主從模式、配對(duì)密碼、串口波特率等參數(shù)，使用起來(lái)非常的靈活。

智能終端的顯示部分主要是安卓平臺(tái)的搭建及實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序包含1個(gè)主線程和3個(gè)子線程，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)功能圖

最終設(shè)計(jì)的安卓界面如圖4所示。

3　可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 基本組成及原理

該系統(tǒng)主要包括可穿戴服裝、心電監(jiān)測(cè)單元、智能手機(jī)終端，可穿戴服裝包括前片及后片，前片內(nèi)側(cè)設(shè)置有五個(gè)圓形電極片安裝板，5個(gè)電極片安裝板分別對(duì)應(yīng)心電監(jiān)護(hù)導(dǎo)聯(lián)的左上、左下、中間、右上、右下位置，每個(gè)電極片安裝板的邊緣處設(shè)置有穿過(guò)前片的螺栓，前片外側(cè)設(shè)有與螺栓對(duì)應(yīng)的緊固旋鈕，心電監(jiān)測(cè)單元固定在前片外側(cè)，心電監(jiān)測(cè)單元通過(guò)穿過(guò)前片的心電導(dǎo)聯(lián)線連接五個(gè)心電電極片，5個(gè)心電電極片分別固定在五個(gè)電極片安裝板上，所述心電監(jiān)測(cè)單元包括心電傳感器、藍(lán)牙無(wú)線模塊，心電傳感器連接心電導(dǎo)聯(lián)線，無(wú)線通訊模塊與智能手機(jī)終端無(wú)線通訊連接。

圖4 應(yīng)用程序顯示界面

通過(guò)可穿戴服裝上設(shè)置電極片安裝板，通過(guò)電極片安裝板的轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)大了心電電極片對(duì)應(yīng)人體的范圍，使得不同身高體型的人都可以準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)心電監(jiān)護(hù)導(dǎo)聯(lián)的各個(gè)身體位置，心電電極片為銅或銅合金或可導(dǎo)電生物結(jié)構(gòu)材料制成，避免了傳統(tǒng)的一次性貼片型式的心電電極片使患者產(chǎn)生不適或皮膚過(guò)敏的問(wèn)題，藍(lán)牙通訊模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給智能手機(jī)終端，不須配置專門的PDA終端設(shè)備，節(jié)約了成本。

3.2 設(shè)計(jì)的詳細(xì)構(gòu)思及使用方法

如圖5、圖6所示，一種基于智能手機(jī)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備包括可穿戴服裝1、心電監(jiān)測(cè)單元2、智能手機(jī)終端3，可穿戴服裝1包括前片4及后片5，前片4內(nèi)側(cè)設(shè)置有五個(gè)圓形電極片安裝板6，五個(gè)電極片安裝板6分別對(duì)應(yīng)心電監(jiān)護(hù)導(dǎo)聯(lián)的左上、左下、中間、右上、右下位置，每個(gè)電極片安裝板6的邊緣處設(shè)置有穿過(guò)前片的螺栓7，前片4外側(cè)設(shè)有與螺栓7對(duì)應(yīng)的緊固旋鈕8，心電監(jiān)測(cè)單元2固定在前片4外側(cè)，心電監(jiān)測(cè)單元2通過(guò)穿過(guò)前片的心電導(dǎo)聯(lián)線9連接五個(gè)心電電極片10，五個(gè)心電電極片10分別固定在五個(gè)電極片安裝板6上，如圖3所示，心電監(jiān)測(cè)單元2包括心電傳感器、處理器、藍(lán)牙通訊模塊，心電傳感器連接心電導(dǎo)聯(lián)線9，藍(lán)牙通訊模塊與智能手機(jī)終端3無(wú)線通訊連接。

圖5 可穿戴設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)圖

圖6 可穿戴設(shè)計(jì)外側(cè)圖

使用時(shí)，使用者先穿上可穿戴服裝1，將緊固旋鈕8放松，旋轉(zhuǎn)電極片安裝板6，使得心電電極片10對(duì)準(zhǔn)心電監(jiān)護(hù)導(dǎo)聯(lián)的準(zhǔn)確位置，然后旋緊緊固旋鈕8，扣好按扣11，打開電源開關(guān)，就可以開始心電監(jiān)測(cè)了，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙通訊模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給智能手機(jī)終端3。

4　結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域，基于單片機(jī)、手機(jī)終端等高科技設(shè)備，設(shè)計(jì)了一套可穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備。該設(shè)備功耗低、體積小、方便攜帶，并可適應(yīng)不同身高體型的人使用，靈活性高。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，這種可便攜穿戴設(shè)備與智能終端的結(jié)合應(yīng)用必將成為醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的主流。

主要參考文獻(xiàn)

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.10.102

TP277

A

1673-0194（2016）10-0147-02

2016-04-02