基于Android智能終端的心電與呼吸監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

丁仲祥，龐宇，米俊英

（重慶郵電大學(xué)光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實驗室，重慶400065）

基于Android智能終端的心電與呼吸監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

丁仲祥*，龐宇，米俊英

（重慶郵電大學(xué)光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實驗室，重慶400065）

隨著移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備正逐步趨向于個性化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，本文設(shè)計了一種基于Android平臺的心電與呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集裝置、Android智能終端、遠(yuǎn)程服務(wù)中心組成，采集裝置經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線連接心電電極獲取心電與呼吸信號，Android智能終端通過OTG接口與采集設(shè)備建立連接，實時接收心電與呼吸數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理、分析、顯示與存儲，并通過移動網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)文件，以實現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)中心的信息交互。整個系統(tǒng)小巧、便攜、功耗低，有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)的智能性和移動性，運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計要求。

心電信號；呼吸信號；OTG接口；Android智能終端

引言

隨著人口老齡化的加劇，心血管疾病、慢性呼吸疾病等慢性疾病患病率及死亡率處于上升階段，占疾病死亡總?cè)藬?shù)的40%以上，為我國居民的首位死因［1］。目前移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及智能終端的普及，使得智能終端在移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。利用智能手機(jī)實現(xiàn)對人體心電與呼吸的實時監(jiān)測和分析，能夠及時預(yù)防心血管疾病等慢性疾病［2，3］。同時，借助無線網(wǎng)絡(luò)推送數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程服務(wù)中心，輔助醫(yī)護(hù)人員或醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷［4-6］。

當(dāng)前廣泛使用的監(jiān)護(hù)設(shè)備主要用于體征參數(shù)的采集與簡單分析，不能進(jìn)行智能檢測與異常預(yù)警，功能結(jié)構(gòu)單一、價格昂貴、可移動性差，且與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的融合較少。

針對以上問題，本文基于Android智能終端，設(shè)計了一種面向家庭的、便攜式的心電與呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)對人體的心電與呼吸進(jìn)行實時監(jiān)測和異常預(yù)警，利用遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺評估監(jiān)護(hù)者的健康狀況，使慢性病患者和亞健康狀態(tài)人群在家居環(huán)境下得到良好的監(jiān)護(hù)。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由以下三個部分構(gòu)成：采集裝置、Android智能終端以及遠(yuǎn)程服務(wù)中心。其中采集裝置負(fù)責(zé)從人體表面采集心電和呼吸數(shù)據(jù)，通過OTG線將數(shù)據(jù)傳輸至Android智能終端，完成數(shù)據(jù)的實時接收、處理、分析與存儲，實時顯示心電波形與分析結(jié)果，并通過移動網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)文件。遠(yuǎn)程服務(wù)中心對用戶上傳的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行HRV（心率變異性）分析后，存儲相關(guān)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫，并及時發(fā)送診斷報告至Android智能終端，同時提供記錄查詢服務(wù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall block diagram of the system

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)基于Android智能終端采集呼吸與心電信號，因此硬件的選型要滿足體積小、功耗低、便攜式等要求。硬件裝置主要由前端采集電路、主控制器電路、數(shù)據(jù)傳輸電路及電源管理電路組成，硬件總體框架如圖2所示。心電與呼吸信號經(jīng)電極提取后，通過雙極胸導(dǎo)聯(lián)線進(jìn)入采集芯片，然后經(jīng)SPI總線傳輸至主控制器。主控制器通過UART串口將數(shù)字化的信號傳輸給USB轉(zhuǎn)串口芯片，利用OTG線將數(shù)據(jù)傳輸至Android智能終端。

圖2　硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structural block diagrams of hardware circuits

2.1信號采集電路

采集電路采用專門的心電與呼吸信號采集芯片ADS1292R。心電和呼吸使用相同的兩個電極LA（正極）和RA（負(fù)極），信號的采集采用差分方式［7］。ADS1292R的兩通道同時采集兩路信號，其中通道一為呼吸信號，通道二為心電信號。信號經(jīng)過前置放大、A/D轉(zhuǎn)換（采樣率為500Hz）后，通過SPI總線傳輸至主控制器。

2.2主控制器電路

主控制器負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)字化和編碼?；诘凸?、運(yùn)算能力的要求，選用TI公司推出的MSP430系列的MSP430G2203芯片。芯片采用SPI通信模式獲取采集芯片采集的數(shù)據(jù)，通過UART串口將數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸至USB轉(zhuǎn)串口芯片。電路原理圖如圖3所示。

圖3　主控器電路圖Fig.3 The circuit diagram of host controller

2.3數(shù)據(jù)傳輸電路

數(shù)據(jù)傳輸電路采用芯片F(xiàn)T232BQ，該芯片具有并行FIFO雙向通信功能，兼容USB2.0標(biāo)準(zhǔn)。USB轉(zhuǎn)串口模塊采用UART串口與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通過OTG線與智能手機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、控制和供電。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c完整性，設(shè)計的串口數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。一個數(shù)據(jù)包有9個字節(jié)，其中幀頭為0xC0、0x00、0x00三個字節(jié)，中間3個字節(jié)為呼吸數(shù)據(jù)，最后3個字節(jié)為心電數(shù)據(jù)。

圖4　數(shù)據(jù)包格式Fig.4 The data-packet format

2.4電源管理電路

采集裝置由智能終端通過USB供電，由于USB提供的是+5V電壓，須經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片TLV70033DCK轉(zhuǎn)換為3.3V后為整個電路供電。電源電路如圖5所示。

圖5　電源電路圖Fig.5 The circuit diagram of power

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

Android軟件系統(tǒng)主要由串口通信模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、實時顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組成，通過串口連接采集裝置獲取實時心電與呼吸數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析與處理后，實時顯示心電波形與分析結(jié)果，并通過無線移動網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)文件至遠(yuǎn)程服務(wù)中心，獲取遠(yuǎn)程診斷報告。軟件總體設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6　基于Android系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖Fig.6 The software diagram based on Android system

3.1串口通信模塊

圖7　串口通信流程圖Fig.7 The flow chart of serial communication

Android軟件采用FTDI公司的D2XX串口驅(qū)動開發(fā)包，在工程創(chuàng)建之后，將D2xx.jar第三方工具包導(dǎo)入libs文件夾。當(dāng)USB設(shè)備連接手機(jī)時，Android系統(tǒng)發(fā)出廣播通知，程序調(diào)用相關(guān)函數(shù)完成設(shè)備識別、認(rèn)證與連接后，開啟數(shù)據(jù)讀取線程，實時接收心電與呼吸數(shù)據(jù)，串口通信流程圖如圖7所示。

3.2心電信號處理

3.2.1心電信號濾波

心電信號在采集過程中主要受到高頻噪聲、工頻干擾和基線漂移等［8］。為了減小后續(xù)分析診斷的誤差，需要對其進(jìn)行去噪處理。基于當(dāng)前Android手機(jī)終端的性能，濾波算法需要滿足運(yùn)算量小、實時性強(qiáng)等要求。因此，針對心電信號主要受到的高頻干擾與基線漂移，分別采用FIR低通濾波和形態(tài)學(xué)濾波［9］。

3.2.2心電檢測

本文采用基于斜率突變的判斷方法檢測心電QRS波群［10，11］，結(jié)合動態(tài)窗函數(shù)和差分閾值法［12］，識別心電R波。由于心電信號QRS波群中的R波上升或者下降時的斜率變化明顯，其中一階導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)位置即為R波的位置。因此，對去噪后的心電信號計算一階差分，再結(jié)合時間窗口和幅度閾值，就能準(zhǔn)確識別心電R波。圖8為心電信號在Android手機(jī)上的濾波及R波檢測結(jié)果。

圖8　心電信號濾波與檢測結(jié)果Fig.8 The filtering and detection results of ECG

心率是指心臟每分鐘搏動的次數(shù)，通過計算相鄰R波的時間間隔得到瞬時心率，計算公式為：HR=60/t（次/min）

式中，t表示該段時間內(nèi)的平均RR間期。當(dāng)HR>120次/min時，判定為心跳過速，實時顯示的心率值變?yōu)榧t色；HR＜40次/min時，判定為心跳過緩，心率值變?yōu)榛疑?；RR間期>平均間期的1.5倍時，判定為漏搏［13］。

3.3呼吸信號處理

針對呼吸信號主要收到的高頻干擾與基線漂移，本文采用FIR低通濾波、形態(tài)學(xué)濾波及平滑濾波去除噪聲。然后，根據(jù)差分閾值法檢測呼吸信號的波峰，通過計算相鄰波峰的時間間隔得到呼吸率［14］，計算公式為：BR=60/T（次/min）

式中，T表示該時間段內(nèi)平均波峰間期，當(dāng)波峰間期超過10s時，判定為呼吸暫停［15］，并進(jìn)行異常預(yù)警。呼吸信號濾波及檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9　呼吸信號濾波與檢測結(jié)果Fig.9 The filtering and detection results of respiration signal

3.4數(shù)據(jù)存儲

在Android手機(jī)上，采用File存儲模式保存心電與呼吸數(shù)據(jù)。程序開啟串口通信線程，將讀取的數(shù)據(jù)存儲至字節(jié)數(shù)組緩存中，將每個字節(jié)轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制字符，經(jīng)解析分離后得到心電與呼吸整形數(shù)據(jù)。待監(jiān)測結(jié)束后，開啟數(shù)據(jù)存儲線程，將心電與呼吸數(shù)據(jù)以TXT文本格式保存至手機(jī)SD卡。同時在手機(jī)端SQLite數(shù)據(jù)庫中添加文件和用戶的相關(guān)信息，數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1　“data_info”數(shù)據(jù)表Table.1 The data table named “data_info”

3.5Android智能終端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互

遠(yuǎn)程服務(wù)器采用Tomcat8.0容器和MySQL5.5數(shù)據(jù)庫搭建在阿里云上，手機(jī)客戶端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互基于HTTP協(xié)議，交互過程包括用戶登錄驗證、文件上傳和記錄查詢。程序調(diào)用開源框架AsyncHttpClient實現(xiàn)與服務(wù)端的異步通信，手機(jī)端以post方法發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求。登錄驗證后進(jìn)入監(jiān)測界面，待監(jiān)測結(jié)束，保存數(shù)據(jù)至手機(jī)SD卡，并通知網(wǎng)絡(luò)傳輸線程上傳數(shù)據(jù)文件，服務(wù)端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，及時將分析結(jié)果推送至手機(jī)端。手機(jī)客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互流程如圖所示。

圖10　手機(jī)客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互流程圖Fig.10 The flow chart of data alternation between client and sever

4　系統(tǒng)測試

本文設(shè)計的心電與呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)在Android手機(jī)上對心電與呼吸信號進(jìn)行處理與分析，實時顯示心電波形，每10秒計算一次實時呼吸率與心率，并進(jìn)行異常檢測。同時，將數(shù)據(jù)推送至服務(wù)器，獲取分析報告。系統(tǒng)客戶端界面如圖11所示。

圖11　系統(tǒng)客戶端界面Fig.11 The UI of system client

5　總結(jié)

該系統(tǒng)利用Android智能終端集成的豐富功能，實現(xiàn)在日常情況下對監(jiān)護(hù)者的心電與呼吸生理變化的實時監(jiān)測，為用戶提供更加便攜的、低成本的、智能的醫(yī)療服務(wù)，對面向家庭、社區(qū)的新型家用醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展具有重大的促進(jìn)作用。軟件系統(tǒng)實現(xiàn)將生理數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，為醫(yī)療信息系統(tǒng)的整合作出貢獻(xiàn)。

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Design of ECG and Respiratory Monitoring System based on Android Intelligent Terminal

Ding Zhongxiang*，Pang Yu，Mi Junying
（Optical sensing information Chongqing Key Laboratory and transmission technology CQUPT，Chongqing400065）

As mobile medical of monitoring equipment gradually tends to be personalized，intelligent and networked，this paper designs an ECG and respiration monitoring system based on Android platform. The system consists of acquisition device，the Android intelligent terminal and remote service center. The ECG and respiration signals are collected through ECG electrodes. Then the Android intelligent terminal，connected with acquisition device by OTG interface，receives real-time signals for further processing，analysis，display and storage. Finally，the files of data will be upload through mobile network for information interaction with remote service center. The whole system is compact，portable and low power consumption，which improves the intelligence and mobility of monitoring system. And the application results show that the system has stable performances and achieve the require of system design.

ECG； respiration signal； OTG interface； Android intelligent terminal

TP274［Document Code］ A

10.11967/2016140409

TP274

ADOI: 10.11967/ 2016140409

國家自然科學(xué)基金（61471075）。

作者：丁仲祥（1991-），男，湖南株洲人，碩士研究生。主要研究方向為生命體征信號處理與分析。

通訊地址：重慶市南岸區(qū)崇文路2號。

電話：13032363768。

E-mail：dingzhongxiang001@126.com。