服裝類可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉 騰 張士兵,2 王慧玲

(1.南通大學(xué)電子信息學(xué)院，南通, 226019； 2.南通先進(jìn)通信技術(shù)研究院，南通, 226019； 3.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通, 226019)

引 言

隨著人民生活水平的不斷提高，大眾對于服裝的要求不再只是局限于美觀、舒適等基本功能，而是進(jìn)一步要求其能夠?qū)崿F(xiàn)對穿戴者的實(shí)時健康監(jiān)護(hù)。在這樣的背景下，可穿戴技術(shù)近年來逐漸興起。像心血管疾病此類的高發(fā)病，具有長期性和偶然性特點(diǎn)，常規(guī)定期的健康檢查不能夠?qū)崿F(xiàn)有效的實(shí)時監(jiān)護(hù)，防止發(fā)生意外[1],因此功能性服裝的需求越來越迫切。

臨床上測量心電圖的設(shè)備體積龐大且價格不菲，達(dá)不到隨身攜帶和長期監(jiān)護(hù)的要求?？纱┐餍碾姳O(jiān)護(hù)服可以將監(jiān)測系統(tǒng)集成在衣物上，不但可以實(shí)現(xiàn)衣物的日常穿著功能，還可以實(shí)時監(jiān)測人體生理信號，從而可以在不影響穿戴者正常生活的情況下實(shí)施健康監(jiān)護(hù)，防止突發(fā)疾病帶來的嚴(yán)重后果。

由于可穿戴服裝的特殊性，其柔性化、微型化、智能化和集成化要求較高。目前，醫(yī)療監(jiān)測市場也出現(xiàn)了一些佩戴型設(shè)備產(chǎn)品?？紤]到服裝與人體的接觸最為密切和舒適，可穿戴服裝無疑是采集人體生理信號的最佳平臺[2,3]。面向家用的健康監(jiān)護(hù)，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了可穿戴心電監(jiān)護(hù)服。系統(tǒng)設(shè)計了靈敏度較高的柔性織物電極，選取導(dǎo)電性能良好的鍍銀紡織線完成心電信號的采集與傳輸。采集的心電信號經(jīng)處理后，發(fā)送至上位機(jī)顯示和監(jiān)測。

圖1 鍍銀導(dǎo)電紡線Fig.1 Silver-plated conductive thread

1 信號采集系統(tǒng)

1.1 柔性導(dǎo)聯(lián)線選擇

國際標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)體系雖然應(yīng)用已久，但不適用于家用的便攜式心電監(jiān)測。采用3導(dǎo)聯(lián)的方式即可以滿足日常使用的需要。臨床上多使用醫(yī)用導(dǎo)聯(lián)線和Ag/AgCl電極測量心電圖。顯然這些不能夠很好地與衣物相結(jié)合，不便應(yīng)用到可穿戴服裝中?？紤]到導(dǎo)電性能，首先想到選用金屬導(dǎo)電纖維來替代導(dǎo)聯(lián)線完成測量。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，該類纖維可紡性較差，且易斷、耐久性差，不適合作為導(dǎo)線的替代品。最終經(jīng)過市場調(diào)研和大量結(jié)合Ag/AgCl電極的實(shí)驗(yàn)測試，選定如圖1所示的鍍銀導(dǎo)電紡線。該類紡線不僅導(dǎo)電性能良好，而且易紡絲、耐洗耐磨，十分適合做柔性導(dǎo)聯(lián)線。

測試過程中還發(fā)現(xiàn)，紡線縫紉線跡的長度、寬度和面線張力的不同會影響到信號質(zhì)量。如圖2所示，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)的對比分析，選取其中信號質(zhì)量最好的心電波形(5號)。

其對應(yīng)的線跡類型即為最終選擇的縫紉方案。提取一個周期與臨床測量結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示。不排除人體生理狀態(tài)的影響下，除了R波峰值稍有減弱外，各波段特征明顯，驗(yàn)證了方案的可行性。

圖2 不同線跡類型測量得到的實(shí)時心電圖Fig.2 Real-time ECG obtained by measurement of different stitch types

圖3 不同導(dǎo)聯(lián)線測量結(jié)果對比圖 Fig.3 Comparison of measurement results of different wires

圖4 柔性織物電極Fig.4 Flexible fabric electrode

圖5 服裝實(shí)物圖和穿戴效果Fig.5 Physical picture and wearing effect of clothing

1.2 柔性干電極設(shè)計

選定了導(dǎo)電紡線后，接下來需考慮電極的設(shè)計。臨床上Ag/AgCl電極屬于濕電極，其測量雖然比較精確，但是每次使用都需更換新的電極，而且導(dǎo)電凝膠可能會引發(fā)人體皮膚的過敏。織物電極屬于干電極，作為一種柔性的新型電極，易與服裝集成于一體，具有紡織品的柔軟性和舒適性，也可水洗和循環(huán)使用，所以成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[4]。本系統(tǒng)織物電極的面料選定為青島某公司生產(chǎn)的浸銀導(dǎo)電織物[5]，相比鍍銀菱形格布和加厚針織布等測試結(jié)果更好。設(shè)計的電極實(shí)物圖如圖4所示，其中間部分為記憶海綿，可實(shí)現(xiàn)干電極與人體皮膚的親密接觸。類比一次性電極，并經(jīng)過阻抗測試，織物電極的半徑大小確定為4 cm。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

為了能夠采集到最佳的心電信號，本文選擇高彈面料制作了可穿戴的貼身背心。便攜式心電監(jiān)測設(shè)備通常采用3導(dǎo)聯(lián)來監(jiān)測心電活動狀態(tài)，適合日常使用。3個織物電極分別縫制在RA、LA和RL處?？紤]到穿戴者胖瘦不一，所以服裝在胸部和腹部設(shè)計有壓力調(diào)節(jié)帶，可以充分保證電極與人體的緊密接觸。導(dǎo)電紡線按照選定的線跡類型進(jìn)行縫紉。合理的線路設(shè)計既能夠保證信號的質(zhì)量，又不影響服裝的美觀。系統(tǒng)實(shí)物圖和穿戴效果如圖5所示，穿戴者無不適感。

2 信號處理系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計

圖6 心電監(jiān)測系統(tǒng)PCB板Fig.6 PCB board of ECG monitoring system

心電監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路包括AD8232集成模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、藍(lán)牙和電源，其PCB(Printed circuit board)和基本原理圖如圖6,7所示。該裝置體積較小，可戴在衣角處，既不會影響穿戴者的正常活動，也不會有不適的感覺。

系統(tǒng)使用本文設(shè)計的柔性織物電極，并選取導(dǎo)電性能良好的鍍銀紡織線完成心電信號的采集。信號處理部分使用AD8232芯片搭配的簡單電路完成?？紤]到心電信號幅值屬毫伏級，其95%的頻帶能量集中分布在0.05～40 Hz的范圍內(nèi)，且極易受到噪聲干擾[6]，因此采用AD8232信號調(diào)理模塊完成信號的放大、濾波等工作，并將心電信號電壓抬升至單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理范圍[7]。

圖7 心電監(jiān)測系統(tǒng)硬件基本原理圖Fig.7 Hardware schematic of ECG monitoring system

由于本系統(tǒng)的信號處理并不復(fù)雜，所以處理的核心部分選用STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)。該處理器內(nèi)部集成有12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)心電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后利用單片機(jī)串口和藍(lán)牙透傳模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到上位機(jī)的無線傳輸。

2.2 軟件設(shè)計

軟件Keil可用于單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。STM32的庫是由ST公司針對STM32提供的函數(shù)接口。開發(fā)者能夠調(diào)用這些函數(shù)接口配置所需的STM32寄存器，使開發(fā)人員可以不用進(jìn)行最底層的寄存器操作，具有快速開發(fā)、易于識別和修改等優(yōu)勢。因此我們選擇使用STM32的庫函數(shù)完成了整個單片機(jī)程序的編寫。

依據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了無失真地從采樣后的數(shù)字信號中恢復(fù)出模擬信號，需滿足采樣頻率大于等于信號最高頻率的2倍[8]。本系統(tǒng)中ADC(Analog-to-digital convert)觸發(fā)方式選用定時器觸發(fā)。設(shè)置信號的采樣周期為10 ms，即100 Hz，可以完整地恢復(fù)出原始波形。

上位機(jī)軟件監(jiān)測窗口使用MATLAB新建GUI進(jìn)行設(shè)計。GUIDE是專用于GUI程序設(shè)計的向?qū)гO(shè)計器，通過GUIDE可以設(shè)計出各種滿足要求的圖形用戶界面[9]。設(shè)計過程中，需設(shè)置圖形對象的Tag和String選項。MATLAB的所有控件事件響應(yīng)都是依靠回調(diào)函數(shù)(Callback function)來完成的，設(shè)置好GUIDE時點(diǎn)擊保存，將自動生成程序文件和圖形文件[10]。程序文件中的每一個對象已經(jīng)自動寫好其回調(diào)函數(shù)的名稱和相關(guān)參數(shù)，程序員需在函數(shù)中編寫要進(jìn)行的處理。本系統(tǒng)設(shè)計的圖形文件界面上半部分顯示區(qū)接收藍(lán)牙發(fā)送的心電信號數(shù)據(jù)，下半部分為波形顯示區(qū)，實(shí)時監(jiān)測人體心電信號。使用時待所有工作準(zhǔn)備就緒，需點(diǎn)擊“打開串口”控件。MATLAB語句：instrhwinfo (‘Bluetooth’); instrhwinfo(‘Bluetooth’,‘HC-05’); scom=Bluetooth(‘HC-05’,1)可以尋找周圍的藍(lán)牙設(shè)備，連接完成后通過虛擬串口可建立通信。使用str2num函數(shù)將顯示區(qū)接收到的字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)值后，通過plot語句便可在波形顯示區(qū)進(jìn)行實(shí)時繪圖。同時，將海量心電信號數(shù)據(jù)保存為.mat文件，方便后續(xù)的處理與分析。圖8即為使用Ag/AgCl電極和醫(yī)用導(dǎo)聯(lián)線測量得到的實(shí)時心電圖?？梢姼鞑糠植ǘ吻逦勺R別，與傳統(tǒng)設(shè)備測量結(jié)果相當(dāng)。從而表明整個監(jiān)測系統(tǒng)具備有效性和準(zhǔn)確性，并可用于可穿戴心電監(jiān)護(hù)服的實(shí)驗(yàn)測量。

圖8 傳統(tǒng)設(shè)備測量得到的實(shí)時心電圖Fig.8 Real-time ECG measured by conventional equipment

3 運(yùn)動偽跡干擾抑制算法

傳統(tǒng)醫(yī)用設(shè)備對人體心電信號的測量，往往要求測量對象靜止不動才能完成，目的是為了測得平穩(wěn)的心電圖信號。對于可穿戴心電監(jiān)護(hù)服，若穿戴者進(jìn)行大幅度的運(yùn)動，難免會發(fā)生織物電極的移位，不可避免的帶來運(yùn)動偽跡的干擾，使得基線偏離正常軌跡，嚴(yán)重影響R波的識別，從而無法準(zhǔn)確地進(jìn)行心率檢測等。運(yùn)動偽跡作為采集心電信號時主要的干擾，是一種非平穩(wěn)的隨機(jī)信號，具有動態(tài)的頻率范圍。運(yùn)用硬件濾波的方法很難達(dá)到理想的效果[11]。所以本文提出了一種基于主成分分析(Principal component analysis， PCA)的方法，完成對運(yùn)動偽跡的抑制。PCA處理的對象是多通道的數(shù)據(jù)，故需要將上位機(jī)采集得到的單通道心電信號數(shù)據(jù)分解成為多個通道信號。

圖9 EMD分解得到的不同IMF Fig.9 Different IMFs obtained by EMD decomposition

3.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical mode decomposition,EMD)是常用的信號分解處理方法之一。EMD的整個過程是自適應(yīng)的，其基函數(shù)直接從原始信號中產(chǎn)生，得到的信號分量數(shù)量有限且每一個信號分量都包含相應(yīng)的物理信息?；谶\(yùn)動偽跡的時域瞬態(tài)性和心電信號固有周期性的特點(diǎn)[12]，選擇該種信號分解方法較為合適。

EMD將原始心電信號分解為多個不同的固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic mode function，IMF)[13-14]。各種模態(tài)都將會根據(jù)其自身的特征尺度進(jìn)行分解，分解后的每種模態(tài)無相關(guān)性。EMD的實(shí)質(zhì)即對信號進(jìn)行平穩(wěn)化處理，將心電信號按不同的頻率和幅值映射到不同的時間尺度。使用時需在MATLAB中安裝EMD工具箱。安裝完成后，便可對包含運(yùn)動偽跡干擾的心電信號進(jìn)行分析：load(‘walk.mat’); imf=emd(data); emd_visu(data,1:length(data),imf);

其中emd_visu函數(shù)可以將不同時間尺度的IMF繪制出來，如圖9所示。可見EMD將單通道心電信號數(shù)據(jù)分解為8通道(舍棄Res部分)。對于8通道數(shù)據(jù)，便可使用PCA對其進(jìn)行處理。

3.2 主成分分析

PCA 可以從多個參數(shù)指標(biāo)中提取出少量綜合指標(biāo)，即主成分。每一成分都反映了原始變量的大部分信息，且包含的信息相互不重復(fù)，所以PCA在數(shù)據(jù)的降維方面應(yīng)用廣泛[15]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，PCA除了可以用于減少數(shù)據(jù)的維數(shù)，在信號濾波方面也能夠發(fā)揮其應(yīng)有的作用。人體心電信號可以看成是由不同頻率和幅值構(gòu)成的函數(shù)之和，這其中包含有用的生理信號和噪聲干擾。有用信號即為主成分，所占能量較多。而噪聲信號即為其他成分，且與有用信號的相關(guān)性較小。若讓二者之間維度不相關(guān)，并將主成分提取出來，便可實(shí)現(xiàn)對噪聲干擾的抑制。首先加載包含運(yùn)動偽跡干擾的一段心電信號數(shù)據(jù)到MATLAB工作區(qū)。經(jīng)EMD分解后，原始數(shù)據(jù)可按各通道組成8行1 000列的矩陣f(取樣本采樣點(diǎn)數(shù)為1 000)。接下來便可使用工具函數(shù)對其進(jìn)行PCA處理，相關(guān)步驟如下：

(1) 使用zscore函數(shù)對矩陣f中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；

(2)計算其協(xié)方差矩陣，C=(f*f′)/ 1 000;

(3)使用“princomp”函數(shù)計算該協(xié)方差矩陣的特征根與特征向量。計算可產(chǎn)生4個變量。其中變量“score”為生成的新的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)按貢獻(xiàn)率的大小進(jìn)行排列。變量“l(fā)atent”是一維列向量，每一個數(shù)據(jù)與變量“score”中各維度的貢獻(xiàn)率相對應(yīng)；

(4)計算累積貢獻(xiàn)率，提取主成分。數(shù)學(xué)上累積貢獻(xiàn)率一般為0.85～0.95，常取0.85。將主成分各行數(shù)據(jù)相加便可重構(gòu)出新的心電信號數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下面對系統(tǒng)的有效性進(jìn)行實(shí)測。接通電源，電路指示燈亮。藍(lán)牙LED燈閃爍，即為未連接。上位機(jī)監(jiān)測界面點(diǎn)擊“打開串口”，待藍(lán)牙LED燈常亮，即已連接，監(jiān)測界面可實(shí)時循環(huán)顯示人體心電圖。圖10中分別為坐立、站立和快走狀態(tài)下的心電波形。柔性材料與服裝集成后，測得的R波峰值相比各部分獨(dú)立實(shí)驗(yàn)時效果更佳。如圖10(c)所示，穿戴者大幅運(yùn)動時，心電波形中最重要的QRS群波依然清晰可識別。其帶來的運(yùn)動偽跡可使用算法抑制。該案例中，各成分貢獻(xiàn)率如圖11所示，曲線為累積貢獻(xiàn)率。圖12為使用該方法重構(gòu)出的心電信號?？梢娺\(yùn)動偽跡被很好地抑制，基線軌跡平穩(wěn)。另一方面，本文對采集的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差運(yùn)算，結(jié)果見表1。顯然快走狀態(tài)下的心電數(shù)據(jù)方差偏大，而經(jīng)PCA處理后方差與兩種靜止?fàn)顟B(tài)下的方差接近，驗(yàn)證了算法的有效性。

圖10 人體在不同狀態(tài)下的實(shí)時心電圖Fig.10 Real-time ECG of human body in different states

圖11 各成分貢獻(xiàn)率 Fig.11 Contribution rate of each component

表1 心電信號數(shù)據(jù)方差

圖12 使用PCA重構(gòu)得到的心電圖及波形對比Fig.12 Comparison of ECG and ECG obtained by PCA reconstruction

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的可穿戴心電監(jiān)護(hù)服使用柔性織物電極和3導(dǎo)聯(lián)的測量方式，可以有效實(shí)時監(jiān)測人體在不同狀態(tài)下的心電圖。該系統(tǒng)硬件電路功耗低、續(xù)航能力強(qiáng)、方便攜帶。上位機(jī)軟件監(jiān)測界面使用MATLAB的GUI進(jìn)行設(shè)計，可操作性強(qiáng)、界面友好，能夠?qū)崟r存儲海量的心電信號數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的處理和分析。對于穿戴者大幅運(yùn)動所帶來的運(yùn)動偽跡，本文提出了一種基于主成分分析的算法，能夠很好地去除運(yùn)動偽跡，對心電信號進(jìn)行平穩(wěn)化處理。與同類系統(tǒng)相比，該可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了與服裝的緊密結(jié)合，而且成本較低，并可面向不同群體。心電監(jiān)護(hù)服主要面向家用的健康監(jiān)護(hù)，在日常生活中可應(yīng)用于人體的心率檢測，也可以為心電圖的診斷提供重要的輔助信息。

為了產(chǎn)品能夠應(yīng)用到更多的場合，在進(jìn)一步研究中將考慮設(shè)計一款應(yīng)用軟件，在移動終端實(shí)時顯示和處理心電信號，并在波形異常時發(fā)出警示信息，及時地與醫(yī)療中心取得聯(lián)系。