基于移動互聯(lián)網(wǎng)的心電脈搏信號動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)*

吳 濤，李里亞

(1.河南工程學院 藝術設計學院，鄭州 451191；2.東華理工大學長江學院 信息工程系，江西 撫州 344000)

我國人口結構正在進入老齡化階段，而在老齡人中心血管疾病的發(fā)病率呈明顯上升態(tài)勢[1].現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，人體的心電(ECG)和脈搏信號中包含著與病理信息緊密相關的各類參數(shù)，能夠準確地反映出心血管系統(tǒng)的生理變化[2].傳統(tǒng)醫(yī)療設備在對患者的健康檢查上雖然精準度高，但是就診繁瑣，不利于個人化、家庭化和網(wǎng)絡化.隨著傳感器技術和集成電路的快速發(fā)展，各種可穿戴的心電檢測裝置接踵而至.其中，用于心電檢測的背心可以將采集到的心電數(shù)據(jù)保存在存儲器中，然而要對其進行分析就必須再從存儲器中讀取出來，不易實現(xiàn)信息共享.目前，國內(nèi)外風靡的智能手表可在本地顯示和記錄佩戴者的心率和運動量等信息，但存在檢測精度低，且依然沒有解決健康數(shù)據(jù)實時共享的問題[3-5].在全球都在實施大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的背景下，移動醫(yī)療的發(fā)展將是解決這一問題的有效途徑.本文借助移動互聯(lián)網(wǎng)和OneNET云平臺，設計了心電脈搏信號遠程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)集定位、脈搏與心電信號的采集處理、顯示和4G通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸于一體，與云服務器OneNET進行數(shù)據(jù)實時交互，聯(lián)動醫(yī)療團隊和救援機構，便于及時發(fā)現(xiàn)心腦血管患者的病情，縮短救治時間.

1 系統(tǒng)整體設計

基于移動互聯(lián)網(wǎng)的心電脈搏信號動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由低功耗的監(jiān)控終端、云服務器、健康數(shù)據(jù)監(jiān)測中心、醫(yī)療救援中心和緊急聯(lián)系人組成[6].為了對每位佩戴監(jiān)控終端的患者數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，且得到及時的處理和監(jiān)控，本文系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)開放的OneNET平臺作為數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)結構如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結構

監(jiān)控終端實時采集佩戴者心電和脈搏信息，并將采集到的數(shù)據(jù)和位置信息通過4G模塊接入到互聯(lián)網(wǎng)，遵循MQTT協(xié)議實時上傳到云服務器OneNET平臺上，OneNET平臺為每個監(jiān)控終端分配專屬的數(shù)據(jù)空間，用來存儲和共享生理特征數(shù)據(jù).健康數(shù)據(jù)監(jiān)測中心通過API接口監(jiān)測用戶上傳的心電和脈搏數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動與該用戶之前的歷史數(shù)據(jù)進行比對分析，確定用戶為突發(fā)疾病后，請求與監(jiān)控終端進行通話確認，如果呼叫三次沒有應答，則獲取監(jiān)控終端的GPS位置，并將相關信息發(fā)送給醫(yī)療救援機構去現(xiàn)場進行救援.另外，如果監(jiān)控終端的佩戴者在有意識的情況下，也可以主動向醫(yī)療救援中心或者緊急聯(lián)系人通過預置短消息或者電話呼叫的形式發(fā)出求救信號.

2 穿戴式監(jiān)控終端

監(jiān)控終端采用腕帶式設計，集脈搏與心電信號的采集、處理、顯示和4G數(shù)據(jù)傳輸于一體，可以隨時隨地監(jiān)測心電和脈搏，計算相關生理參數(shù)信息，并實時顯示.設計的監(jiān)控終端主要由微處理器ADuCM350、脈搏采集電路、心電采集電路、華為4G通信模塊、GPS定位模塊，顯示屏、外部存儲、語音通話接口、按鍵和電源等單元組成.監(jiān)控終端結構框圖如圖2所示.

圖2 監(jiān)控終端結構框圖

采用微處理器ADuCM350芯片作為監(jiān)控終端的核心，主要控制各模塊間的協(xié)調(diào)工作，可方便融合接入包括心電、運動、生理阻抗測量等多種模擬和數(shù)字輸出的各類傳感器[7].壓電陶瓷感應脈搏的振動壓力變化，將振動壓力轉換為模擬電壓信號輸出；同時AD8232芯片采集人體的心電信號并進行窄帶濾波，輸出模擬電壓信號[8]；微處理器ADuCM350通過片內(nèi)集成的AD轉換對經(jīng)過濾波、放大預處理后的心電和脈搏信號以500 Hz采樣頻率采樣，將模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號進行處理計算，并實時在終端上顯示，供佩戴者了解自己的身體狀態(tài).另外，還會通過異步串口發(fā)送AT指令控制4G網(wǎng)絡通信單元建立網(wǎng)絡連接，并將佩戴者的心電、脈搏和定位等數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器OneNET平臺上，以便健康數(shù)據(jù)監(jiān)測中心進行分析和診斷.

2.1 脈搏處理電路設計

通過壓電陶瓷獲取的脈搏信號屬于微小信號，電壓通常為毫伏級，往往還存在干擾信號，為了獲取高精度的脈搏數(shù)據(jù)，需要對信號進行處理，包括基線保持、低通濾波、放大及分壓調(diào)節(jié)等[9].脈搏信號處理電路框圖如圖3所示.由于脈搏信號屬于非平穩(wěn)信號，所以基線漂移是脈搏信號采集中最常見的噪聲干擾，使得輸出信號的波形不在同一基準線上.消除基線漂移的算法有很多，如小波去噪、中值濾波、卡爾曼濾波等，但對微處理器的運算能力要求較高，本文通過采用串聯(lián)高精密電阻分壓的方式，為脈搏傳感器的輸出提供基準線壓，解決了基線漂移的問題.

圖3 脈搏信號處理電路

采用四路運算放大器TLC2254A設計了二階有源低通濾波，濾除帶外噪聲后，再對信號進行放大，大大改善了信噪比.最后，為了便于調(diào)節(jié)輸出信號的幅度，利用數(shù)字電位器X9313進行分壓，通過微處理器ADuCM350產(chǎn)生計數(shù)脈沖，改變輸出電阻RW，從而改變輸出電壓，即

(1)

式中：Vpout為微處理器ADuCM350可直接采樣的脈搏電壓信號；RH為數(shù)字電位器的總電阻；VH-VL為輸入電壓脈搏信號，VL=0；Again為運放電路的增益.

2.2 心電信號處理電路設計

相對于脈搏信號，原始心電信號更加微弱，通常在0.5～5 mV之間，為滿足微控制器ADuCM350的采樣要求，需要對原始心電信號進行放大.本文采用了一款低功耗、單導聯(lián)心率監(jiān)護儀模擬前端芯片AD8232進行設計，利用單導聯(lián)的心電檢測方法，采集雙手間的生物電位差[10].結合芯片內(nèi)部的儀表放大器，設置固有增益為A0=100，同時外接同相比例運算放大電路，增益Aecg=11，使得心電信號總的放大倍數(shù)為A0Aecg=1 100，為了降低干擾，設置心電信號的偏置電壓為0.035 V.根據(jù)心電信號特征，配置雙極點高通濾波器的截止頻率為0.73 Hz，配置雙極點低通濾波器的截止頻率為30.63 Hz，通過窄帶濾波，有效去除了帶外噪聲，從而獲得失真最小的心電信號.

3 監(jiān)控終端軟件及云平臺

3.1 監(jiān)控終端軟件及節(jié)能控制策略

監(jiān)控終端的程序相對簡單，采用C語言編寫設計，每個功能模塊編寫獨立的子函數(shù)，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、脈搏采集、心電采集、獲取定位、參數(shù)設置、緊急呼叫和顯示等，系統(tǒng)采用輪詢的方式選擇相應的子功能予以執(zhí)行.在主函數(shù)的while循環(huán)中，通過switch-case語句判斷Function_State的當前值，選擇對應的接口函數(shù)響應用戶事件.在進入子功能前，狀態(tài)變量首先被賦值為1，然后case語句進行功能匹配并執(zhí)行功能；當退出功能時，狀態(tài)變量再被賦值為0，繼續(xù)等待用戶的其他操作，如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有發(fā)生觸控事件，系統(tǒng)就進入休眠狀態(tài)，需用戶手動按鍵喚醒系統(tǒng).

系統(tǒng)耗能主要存在于4G網(wǎng)絡通信電路、心電和脈搏采集電路以及顯示屏三部分.為延長系統(tǒng)的有效工作時間，采取以下節(jié)能控制策略：1)通信電路待機過程中，不傳輸數(shù)據(jù)時，微處理器ADuCM350發(fā)送AT指令關閉數(shù)據(jù)通信功能；2)對心電和脈搏采集電路按需供電，檢測時開啟供電電源，其他情況關閉；3)觸摸屏采用定時10 s自動熄屏，需要通過外部按鍵喚醒.

采用按需供電策略，大大節(jié)約了能耗，延長系統(tǒng)的有效工作時間，從而提升了監(jiān)控終端的待機能力.

3.2 心電和脈搏數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過處理后的心電和脈搏信號可以由微處理器ADuCM350直接采樣，再進行ADC轉換得到數(shù)字信號.根據(jù)奈奎斯特采樣定理，奈奎斯特采樣頻率fnayquist≥2fH，其中，fH為帶限信號的最高頻率.根據(jù)過采樣定理可知，過采樣頻率fOverSamp為4n倍的fnayquist，其中，n為ADC轉換分辨率提高的比特數(shù).取脈搏和心率的最大頻率為4 Hz，則fnayquist的值為8 Hz，當n取2.5時，fOverSamp為256 Hz；當n取3時，fOverSamp為512 Hz.該系統(tǒng)采用2 ms定時中斷查詢ADC轉換結果的方式采樣脈搏和心電信號，理論采樣頻率為500 Hz，使用過采樣技術，根據(jù)以上計算結果可知，ADC的分辨率至少提高了2.5 bit，進一步提高了信噪比.

3.3 云平臺服務器OneNET

OneNET是基于云計算和大數(shù)據(jù)技術打造的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，主要由設備域、平臺域和應用域三部分組成，架構如圖4所示.

圖4 OneNET平臺架構

云平臺集成度非常高，為監(jiān)控終端提供了豐富的通信協(xié)議和接口程序，方便監(jiān)控終端的接入，同時，為應用域的健康管理(監(jiān)測中心、救援機構、緊急聯(lián)系人)推送數(shù)據(jù)和API調(diào)用等，從而實現(xiàn)應用域和設備域的互聯(lián)互通[11].另外，OneNET平臺具有獨立運算能力，根據(jù)每位佩戴者的生理特征，創(chuàng)建獨立的觸發(fā)器，當采集到的心率和脈搏數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時，平臺會自動向應用域(監(jiān)測中心和緊急聯(lián)系人)發(fā)出即時消息，爭取更多的寶貴救援時間.

4 測試結果

4.1 監(jiān)控終端輸出測試

本文對監(jiān)控終端的軟硬件進行了設計，為了檢驗監(jiān)控終端的工作性能進行了測試.鑒于實時性考慮，軟件濾波采用滑動窗口均值濾波.在可接受的失真度范圍內(nèi)，平滑濾波可以有效去除加性噪聲.心電和脈搏信號屬于周期信號，對周期信號做N點DFT就可得到信號的頻率值，但DFT的計算量較大，會降低微處理器ADuCM350的實時性.為了簡化計算，系統(tǒng)采用滑動窗口求極值的方法進行脈搏和心率的估計.根據(jù)計數(shù)信號中相鄰兩個最大波峰值之間的時間間隔，計算脈搏心率，即

(2)

式中：N為信號中相鄰兩個最大波峰之間的采樣點數(shù)；TS為采樣間隔.

讓測試者佩戴設計的監(jiān)控終端，在監(jiān)控終端預留的DAC口接收輸出的心電和脈搏信號，截取其中的3 s時長，得到的原始數(shù)據(jù)如圖5所示.

從圖5中的測試結果可以看出，設計的穿戴式監(jiān)控終端工作穩(wěn)定，能夠實時連續(xù)采集到人體的心電和脈搏信號，并可以持續(xù)穩(wěn)定輸出.

圖5 監(jiān)控終端采集到的心電和脈搏信號

4.2 誤差測試

心率是人生命體征的重要指標，在心電和脈搏信號中都有體現(xiàn)，為了驗證整個系統(tǒng)的性能進行了測試實驗.建立了監(jiān)控終端與云服務器OneNET的網(wǎng)絡連接，然后在應用域的監(jiān)測中心運行一個Labview編寫的程序，并接入云服務器，接收來自采集終端的心率數(shù)據(jù)HRsys進行測試.同時，使用專業(yè)的測量設備對佩戴者的心電和脈搏進行測量.采用每3 s作為一個測量計算周期，共計測得8組數(shù)據(jù)，總時長為24 s，并與專業(yè)的設備測量的心率HRtrue進行對比，來驗證測量系統(tǒng)的精度，得到的結果如表1所示.

表1 測試結果

從表1中的測試結果可以看出，設計的監(jiān)控終端能夠實時采集到人體的心電和脈搏信號，測量平均誤差僅為0.24%，與云服務器OneNET通信流暢，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠將佩戴者的心電和脈搏數(shù)據(jù)通過云服務器發(fā)送到監(jiān)測中心.

5 結 論

本文將重要生命體征監(jiān)測與移動互聯(lián)網(wǎng)結合起來，設計了心電脈搏信號動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，利用微處理器ADuCM350作為監(jiān)控終端的核心，對心電和脈搏傳感器信號處理電路進行了設計，采集的生理數(shù)據(jù)會同佩戴者的位置等信息一起上傳到云服務器OneNET，存儲和共享健康數(shù)據(jù).測試結果表明，設計的監(jiān)控終端能夠準確地采集到佩戴者心電和脈搏信號，與專業(yè)設備的測量誤差僅為0.24%，當監(jiān)測的數(shù)據(jù)異常時，會提醒醫(yī)護工作者對患者的心電數(shù)據(jù)進行分析和診斷，并可迅速定位病人的地理位置，聯(lián)動救援機構前往救治，為挽救病危人員爭取寶貴的時間.通常心臟疾病患者的病情都處于隱性狀態(tài)，一般醫(yī)院的檢測可能由于時間短會無法監(jiān)測，通過長時間心電的監(jiān)測，上傳到云服務器就可以為使用者建立長期的心電等數(shù)據(jù)，捕捉隱性病癥.