柔性石墨烯電極片的便攜式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

梁 鐵, 李兆朋, 李瑞凱, 婁存廣, 劉秀玲

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 河北 保定 071002)

0 引 言

心腦血管疾病在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為影響人類(lèi)生命健康的重要疾病，其發(fā)病率和死亡率已經(jīng)躍居世界第一位。我國(guó)的心腦血管疾病發(fā)病率也呈逐年上升態(tài)勢(shì)[1]。心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)與預(yù)防對(duì)提高患者生存幾率具有重要意義，心電圖作為反映心臟電生理特性的重要手段，在心血管疾病檢測(cè)與診斷中發(fā)揮著重要作用[2-3]。

傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備體積大重量沉，導(dǎo)線繁多，攜帶不方便，往往需要專(zhuān)業(yè)人員操作，且設(shè)備價(jià)格昂貴，檢測(cè)結(jié)果無(wú)法遠(yuǎn)程隨時(shí)查看，不利于個(gè)人身體健康狀況的及時(shí)了解和居民電子健康檔案的建立[4-6]。隨著科技的發(fā)展，利用移動(dòng)通信技術(shù),移動(dòng)醫(yī)療能夠提供隨時(shí)隨地、高效便捷的醫(yī)療資訊和服務(wù)成為可能。在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，人們對(duì)醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量要求日益提高，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的無(wú)線便攜式智能心電檢測(cè)設(shè)備有著迫切的社會(huì)需求[7-9]。特別地，我國(guó)正日趨進(jìn)入老齡化社會(huì)，老年人逐年增加且缺少監(jiān)護(hù)人日常照護(hù)，對(duì)于這些老人群居的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，如何便捷地做好老人們的健康照護(hù)，提高機(jī)構(gòu)服務(wù)質(zhì)量成了全社會(huì)迫在眉睫的事情。

本文開(kāi)發(fā)了便攜式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)平臺(tái)，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的微型化心電信號(hào)采集終端，老人足不出戶即可將通過(guò)一鍵式采集的心電數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行分析處理，用戶可隨時(shí)隨地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看心電檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，進(jìn)一步方便個(gè)人或養(yǎng)老機(jī)構(gòu)進(jìn)行服務(wù)對(duì)象健康檔案的建立。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，終端微型化的心電檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集用戶心電數(shù)據(jù)，并經(jīng)內(nèi)置的微處理器初步濾波降噪處理后，通過(guò)藍(lán)牙方式上傳系統(tǒng)配置的平板電腦。平板電腦安裝了自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的APP，具備了數(shù)據(jù)上傳功能可實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)及時(shí)傳至云端服務(wù)器，從而方便利用相關(guān)信號(hào)處理算法對(duì)上傳心電數(shù)據(jù)進(jìn)一步智能分類(lèi)與分析。用戶可通過(guò)PC查詢網(wǎng)站或安卓手機(jī)APP查詢分析結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要針對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)老人心電快速檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。采集終端設(shè)備具有采集時(shí)間靈活，使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，且充分利用云平臺(tái)的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析優(yōu)勢(shì)，為心血管疾病的理想治療模式：早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防和早治療提供技術(shù)支撐。

2 心電設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片選擇

本平臺(tái)是針對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)健康管理和遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)開(kāi)發(fā)的，要求信號(hào)采集芯片低功耗、小體積且有較強(qiáng)的抗干擾能力。通過(guò)對(duì)比其他解決方案，本文選擇了ADI公司推出的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)前端芯片AD8232。

AD8232是一款用于ECG及其他生物電測(cè)量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊。該器件設(shè)計(jì)用于在具有運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生的噪聲的情況下提取、放大及過(guò)濾微弱的生物電信號(hào)。該設(shè)計(jì)使得超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或嵌入式微控制器能夠輕松地采集輸出信號(hào)。通過(guò)模擬輸出，AD8232可與分立式ADC配對(duì)，或與具有嵌入式ADC的微控制器配對(duì)，它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了較好的靈活性[8]。特別地，該芯片提供了創(chuàng)新的快速恢復(fù)模式，用戶在運(yùn)動(dòng)或其他活動(dòng)過(guò)程中暫時(shí)斷開(kāi)電極連接，當(dāng)導(dǎo)聯(lián)重連后，此芯片可以快速自動(dòng)恢復(fù)心電信號(hào)，從而顯著提高最終用戶體驗(yàn)的質(zhì)量[9]。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端采集設(shè)備的硬件電路主要由采集電路、微處理控制電路、藍(lán)牙傳輸和充電電路組成，如圖2所示。

圖2 硬件電路組成

系統(tǒng)終端由AD8232采集單導(dǎo)心電模擬信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)單片機(jī)MSP430F149處理后通過(guò)CC2541藍(lán)牙模塊上傳。MSP430F149作為一款低功耗低電壓的微處理器，承擔(dān)著整個(gè)硬件電路的控制和數(shù)據(jù)濾波處理。

針對(duì)實(shí)際監(jiān)護(hù)時(shí)老人進(jìn)出房間易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接不穩(wěn)定的特點(diǎn)，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)加入了Mini TF存儲(chǔ)單元，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步備份，數(shù)據(jù)采取先進(jìn)先出方式，確保數(shù)據(jù)在藍(lán)牙信號(hào)穩(wěn)定時(shí)第一時(shí)間完整上傳。為方便用戶長(zhǎng)時(shí)間佩戴監(jiān)測(cè)，電路采取輕巧化的3.7 V鋰電池供電，相應(yīng)地設(shè)計(jì)加入了CN3068充電電路和Tps73601穩(wěn)壓電路。

目前，由于極低的功耗，強(qiáng)大穩(wěn)定的可連接性以及可靠的一對(duì)多數(shù)據(jù)傳輸特性，藍(lán)牙4.0技術(shù)在可穿戴式設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本系統(tǒng)選用了TI公司的低功耗藍(lán)牙芯片CC2541。CC2541單芯片集成了MCU和RF，配置了256 kB的嵌入式閃存，用戶憑借TI的BLE-Stack協(xié)議棧能夠進(jìn)行高效靈活的低功耗藍(lán)牙解決方案設(shè)計(jì)[10-11]。

3 石墨烯電極片的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)心電設(shè)備一次性Ag/AgCl電極片長(zhǎng)期佩戴會(huì)對(duì)測(cè)試者身體黏貼部位產(chǎn)生不同程度腐蝕。在用戶需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)使用情況下，一次性電極片總成本較高，廢棄后對(duì)環(huán)境也有污染[12]。養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的老人本身屬于特殊照護(hù)群體，容易因傳統(tǒng)電極片的上述問(wèn)題產(chǎn)生抵觸情緒，從而影響檢測(cè)效果。針對(duì)此情況，本文充分利用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性、柔韌性和無(wú)腐蝕性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了柔性石墨烯織物心電電極片，如圖3所示。

(a)(b)

圖3 柔性石墨烯電極

柔性石墨烯織物電極采用石墨原材料，利用氧化還原制備石墨烯并通過(guò)真空抽濾法將石墨烯附著到柔性聚酯纖維(織物)基底上。材料柔軟對(duì)皮膚無(wú)刺激感，生物兼容性好，便于用戶長(zhǎng)期穿戴，可反復(fù)多次清洗，克服了傳統(tǒng)Ag/AgCl電極的生物毒性。

通過(guò)與傳統(tǒng)的Ag/AgCl 電極片進(jìn)行心電信號(hào)采集對(duì)比實(shí)驗(yàn)，石墨烯柔性織物電極對(duì)于心電信號(hào)有較高的靈敏度，實(shí)測(cè)波形與傳統(tǒng)電極片所測(cè)基本一致，完全能夠滿足用于心電信號(hào)檢測(cè)，如圖4所示。

圖4 石墨烯織物電極與Ag/AgCl電極在心電信號(hào)采集的對(duì)比

考慮到老人佩戴舒適性和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)將基于石墨烯電極片的心電檢測(cè)終端制作于緊身背心，進(jìn)一步提高電極與人體貼合度，確保老人活動(dòng)狀態(tài)下采集心電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件功能

整個(gè)心電檢測(cè)系統(tǒng)從軟件功能上可以分為終端心電信號(hào)采集存儲(chǔ)、藍(lán)牙通信、云端數(shù)據(jù)分析處理和用戶數(shù)據(jù)查詢四部分，如圖5所示。

圖5 軟件功能劃分

上述的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和藍(lán)牙通信主要通過(guò)系統(tǒng)配置的平板電腦實(shí)現(xiàn)。平板電腦作為心電數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器的中繼設(shè)備，內(nèi)置了自主開(kāi)發(fā)的APP。通過(guò)調(diào)研養(yǎng)老機(jī)構(gòu)實(shí)際使用場(chǎng)景，每個(gè)房間最多居住3位老人，因此系統(tǒng)配置在每個(gè)房間的平板電腦可支持3個(gè)老人的心電數(shù)據(jù)采集。誰(shuí)檢測(cè)，就相應(yīng)地點(diǎn)選對(duì)應(yīng)的頭像，一鍵式即可完成心電數(shù)據(jù)采集和上傳，如圖6所示。

圖6 平板APP界面

4.2 微處理器流程圖

終端采集設(shè)備上電運(yùn)行后，系統(tǒng)首先檢測(cè)判斷設(shè)備所處工作模式、SD卡是否有數(shù)據(jù)以及藍(lán)牙開(kāi)啟狀態(tài)，自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)連接后按照先發(fā)尾后發(fā)頭的方式進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。若檢測(cè)SD卡遺留有上次采集周期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)未及時(shí)上傳，系統(tǒng)將按照先進(jìn)先出方式完成SD卡數(shù)據(jù)續(xù)傳。微處理器工作詳細(xì)流程圖如圖7所示。

圖7 單片機(jī)程序流程圖

4.3 云端服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為方便隨時(shí)接收各地實(shí)時(shí)上傳的心電檢測(cè)數(shù)據(jù)，滿足用戶第一時(shí)間查詢檢測(cè)結(jié)果進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤心臟健康狀況的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了云端服務(wù)平臺(tái)。

云端服務(wù)平臺(tái)基于Java開(kāi)發(fā)，滿足了系統(tǒng)跨平臺(tái)需求。同時(shí)考慮到心電連續(xù)檢測(cè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)選用oracle，oracle強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能也為日后平臺(tái)的功能及數(shù)據(jù)的擴(kuò)展堅(jiān)實(shí)了基礎(chǔ)[13-15]。針對(duì)目前人們生活習(xí)慣和日益普及的智能移動(dòng)終端，平臺(tái)在配備了健康查詢門(mén)戶網(wǎng)站的同時(shí)，還設(shè)計(jì)了基于安卓系統(tǒng)的APP，用戶通過(guò)智能移動(dòng)終端或PC端就可便捷的查詢歷次心電檢測(cè)結(jié)果。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)已成功搭建并試用于簽約養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)采集的心電數(shù)據(jù)經(jīng)省級(jí)三甲醫(yī)院心內(nèi)科主任醫(yī)生鑒定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，能夠滿足臨床分析需要；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的用戶查詢頁(yè)面(PC端和移動(dòng)手機(jī)端)界面友好，功能設(shè)計(jì)合理，符合人們?nèi)粘Ｊ褂昧?xí)慣，滿足便捷查詢的需求；通過(guò)大量測(cè)試，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和便攜性方面能夠滿足養(yǎng)老機(jī)構(gòu)日常照護(hù)檢測(cè)需求。系統(tǒng)實(shí)測(cè)如圖8～10所示。

圖9 用戶查詢界面

圖10 手機(jī)客戶端頁(yè)面

6 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)圍繞微型化低功耗的AD8232芯片進(jìn)行心電檢測(cè)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，針對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)健康檢測(cè)功能需求，利用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性、柔韌性和無(wú)毒性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于石墨烯的柔性電極，將其應(yīng)用于穿戴式緊身衣，搭建了基于云端的健康服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集上傳、顯示、查詢等功能。通過(guò)大量養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的實(shí)測(cè)，經(jīng)專(zhuān)業(yè)醫(yī)護(hù)人員查看分析，本系統(tǒng)硬件終端所采集的心電數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，穩(wěn)定性較好，設(shè)備抗運(yùn)動(dòng)干擾能力強(qiáng)，能夠滿足養(yǎng)老機(jī)構(gòu)日常心電監(jiān)護(hù)用途，具有一定的社會(huì)推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 張瑞祥.心腦血管病發(fā)病率上升的警示[J]. 中國(guó)中醫(yī)藥圖書(shū)情報(bào)雜志,2014,38(1):30-31.

[2] 劉滿晉.抗干擾的便攜式心電監(jiān)測(cè)儀的研究[D].北京：北京理工大學(xué),2015.

[3] 王 兵.動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)診斷冠心病的臨床價(jià)值探討[J].基層醫(yī)學(xué)論壇,2016,20(18)：2529-2530.

[4] 張 洲.基于ARM7的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀及心電分析的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2005.

[5] 盧潭城,劉 鵬,高 翔，等.基于AD8232芯片的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(3):113-117.

[6] Zhang Yan, Tian Yi, Wang Zhaobin,etal. An ECG Intelligent Monitoring System with MSP430 Mirocontroller[C]//Internation-al Workshop on Systems, Sigonl Processing and their Applications.IEEE WOSSPA,2013:214-219.

[7] 李 萍,王 瑞,鉏振偉,等. 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究的發(fā)展與展望[J]. 當(dāng)代醫(yī)學(xué),2011,17(22): 18-20.

[8] 鄭 凱，趙宏偉，張孝臨，等． 基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[J]． 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(9):1908-1911．

[9] 王金海,國(guó)海丁,王慧泉,等. 互聯(lián)網(wǎng)+下的云健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2016,37(12):88-93.

[10] Analog Devices, Inc. Single-Lead, Heart Rate Monitor Front EndAD8232[EB/OL].[2012-02-06].http: //www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8232.pdf．

[11] 王 瑩.低成本、低功耗、小尺寸心率監(jiān)護(hù)儀功能模塊[J].電子產(chǎn)品世界,2012(10):20-23．

[12] 趙修芬,陳 文,楊淑紅. 老年病人使用一次性電極片的皮膚護(hù)理[J]. 全科護(hù)理,2012(10)：2446.

[13] Tetzlaff T, Boor M, Witkowski U,etal.Low power network node for ambient monitoring and heart rate measurement[C]//Education and Research Conference (EDERC), 2014 6th European Embedded Design in. IEEE,2014:75-79.

[14] TEXAS INSTRUMENTS,Inc.CC2540 and CC2541 Bluetooth low energy Software Developer’s Reference Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru271g/swru271g.

[15] 陳功鎖.基于JavaEE的健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：復(fù)旦大學(xué),2012.