基于移動(dòng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化動(dòng)態(tài)心電應(yīng)用與研究

武慶博

滄州市中心醫(yī)院信息化建設(shè)辦公室，河北滄州 061000

心臟常規(guī)監(jiān)察中應(yīng)用心電圖，監(jiān)測(cè)心臟內(nèi)部活動(dòng)的電位運(yùn)動(dòng)信息，可以反映出心律失常、房室肥大、心肌受損、心肌梗死等疾病，對(duì)這些疾病的診斷有指導(dǎo)意義，另外還可以輔助觀測(cè)心臟瓣膜、心肌功能等[1-2]。 傳統(tǒng)醫(yī)療多采用心電圖機(jī)反映心電圖，當(dāng)今多數(shù)醫(yī)院多便攜式、多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀，醫(yī)生需要在一定計(jì)算后才能得到準(zhǔn)確心電參數(shù)，從而做出分析、診斷[3]。 傳統(tǒng)設(shè)備及醫(yī)療方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在對(duì)心絞痛等短時(shí)檢測(cè)不足的問(wèn)題。 動(dòng)態(tài)心電圖能實(shí)現(xiàn)24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且便攜性較好，解決了傳統(tǒng)設(shè)備的部分問(wèn)題。但面對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)龐大的數(shù)據(jù)量和醫(yī)護(hù)人員繁重的工作而言，需要有更便捷、信息處理能力強(qiáng)的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。 基于此，近幾年國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開(kāi)始研究可穿戴式的監(jiān)護(hù)儀，并研發(fā)了手機(jī)等移動(dòng)終端應(yīng)用，以簡(jiǎn)單操作[4]。但目前該領(lǐng)域的研究尚不能真正適應(yīng)臨床環(huán)境?；诖?，需要廣大研究者進(jìn)一步深入研究和實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化強(qiáng)的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1 國(guó)內(nèi)外研究關(guān)于動(dòng)態(tài)心電應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于便攜式的心電儀的研究，多是在有基于掌上電腦為終端設(shè)備開(kāi)展的，如日本歐姆龍醫(yī)療公司、德國(guó)TMS 醫(yī)學(xué)公司的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備。而國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)心電應(yīng)用的監(jiān)測(cè)設(shè)備和終端設(shè)備的研究較為多元，已在臨床應(yīng)用的有邁瑞TMS.6016、北京超思MD100A1、寶萊特M800 等遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)儀，一些是針對(duì)醫(yī)院設(shè)計(jì)的，一些則是偏向于家庭監(jiān)測(cè)方向。

近年來(lái)，移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合的研究和實(shí)踐，為精密醫(yī)療電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)創(chuàng)造了更多的可能性，掌上電腦、手機(jī)等便攜設(shè)備都能作為終端設(shè)備，監(jiān)測(cè)前端的設(shè)備也更多元和人性化，如利用織物電極技術(shù)打造舒適的穿戴式設(shè)備，為患者提供了更人性化的服務(wù)和更準(zhǔn)確高效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)合基于生理參數(shù)設(shè)計(jì)的傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及終端信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)心電圖的實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理。

國(guó)內(nèi)許多高科研所在移動(dòng)醫(yī)療背景下，積極投入人力、資金進(jìn)行相關(guān)醫(yī)療參數(shù)設(shè)備的研究，張?jiān)そ淌诶锰厥夥棇?shí)現(xiàn)了生理信息的采集，并利用網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機(jī)等移動(dòng)終端和醫(yī)療服務(wù)器中，可穿戴醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)了醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備向便攜穿戴、移動(dòng)化發(fā)展。華中理工大教師鄒雪城等人也研發(fā)了以智能手機(jī)為終端的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

縱觀國(guó)內(nèi)的研究和目前相關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)基于手機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)的穿戴監(jiān)護(hù)產(chǎn)品多用于家庭護(hù)理，如邁瑞Mr.Wear、泰控心儀，能夠?yàn)榛颊邔?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性較高的生理監(jiān)測(cè)，提供數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)等功能，還能進(jìn)行異常報(bào)警，幫助患者合理管理自身生活。近年來(lái)此類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的速度較快、種類增多，性能也更趨于個(gè)性化、智能化，能根據(jù)用戶需求提供更智能、準(zhǔn)確的生理監(jiān)測(cè)服務(wù)。

2 基于移動(dòng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化動(dòng)態(tài)心電應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)方案研究

整個(gè)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由監(jiān)測(cè)終端、移動(dòng)設(shè)備、應(yīng)用平臺(tái)組成，監(jiān)測(cè)終端與用戶“連結(jié)”，醫(yī)生通過(guò)移動(dòng)設(shè)備端的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)和分析?？纱┐麽樋椩O(shè)備為當(dāng)下熱門的研究方向，通過(guò)針織電極導(dǎo)聯(lián)，與人體體表接觸接收心電信號(hào)，設(shè)備前端采樣后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)設(shè)備的主控模塊，其對(duì)心電信號(hào)記錄、分析和診斷，并寫卡存儲(chǔ)， 醫(yī)生根據(jù)需求可從移動(dòng)終端接收相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈接方式多為藍(lán)牙傳輸。以上即是移動(dòng)動(dòng)態(tài)應(yīng)用的常見(jiàn)工作流程，在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)終端、移動(dòng)終端、數(shù)據(jù)連接等子系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)子系統(tǒng)工作要求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，需要考慮其高噪的工作環(huán)境、用戶穿戴體驗(yàn)等因素，因此需要采用低干擾抗干擾的集成信號(hào)采用芯片，并進(jìn)行嵌入式處理。連接方面，為了保障連接的質(zhì)量并考慮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，可采用低功耗但速率高的藍(lán)牙4.0 通信技術(shù)。 此外，監(jiān)測(cè)終端中要重視主控模塊、存儲(chǔ)模塊、傳輸模塊的選擇和設(shè)計(jì)，主控模塊控制整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)存儲(chǔ)可選用高容量、寫卡速度快的TF 卡，以存儲(chǔ)實(shí)時(shí)、龐大的心電數(shù)據(jù)，電源管理可采用鋰電池為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電力。

3 基于移動(dòng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化動(dòng)態(tài)心電應(yīng)用的監(jiān)測(cè)前端設(shè)計(jì)研究

穿戴式的監(jiān)測(cè)前端通過(guò)織物傳感等實(shí)現(xiàn)對(duì)心電運(yùn)動(dòng)的信息采集，相比其他設(shè)備，使用時(shí)更便捷、舒適，但噪聲、穩(wěn)定性、功耗等問(wèn)題更為明顯，因此該節(jié)主要就該系統(tǒng)的主要硬件模塊進(jìn)行研究[5]。

3.1 采集模塊的設(shè)計(jì)研究

為降低能耗、穩(wěn)定采集，可選用美國(guó)ADS1298 等芯片，該芯片集成8 個(gè)24 位的 DAC 轉(zhuǎn)換部件,可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)聯(lián)式的心電檢測(cè)，與常用芯片比較，該芯片的集成化更高，且體積更小、精度更高等優(yōu)點(diǎn)，有利于縮小主控前端檢查的體積。 芯片內(nèi)部右腿驅(qū)動(dòng)電路、電極脫落檢測(cè)等,能減小信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)脫落報(bào)警。

3.2 阻抗信號(hào)采集模塊研究

穿戴式監(jiān)測(cè)前端在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，會(huì)因用戶運(yùn)動(dòng)、勞動(dòng)等活動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡，影響心電信號(hào)的采集質(zhì)量。 目前多用軟件濾波抹去運(yùn)動(dòng)偽跡，其中卡爾曼濾波的效果較好，但存在計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題。因此可采用自適應(yīng)的濾波器，雖然該項(xiàng)技術(shù)尚在研究和發(fā)展中，但設(shè)計(jì)便捷、計(jì)算量小等特點(diǎn)，應(yīng)用在穿戴式的心電監(jiān)測(cè)前端中能實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)時(shí)性。

3.3 微處理模塊和傳輸模塊的研究

穿戴式的檢測(cè)前端需要滿足長(zhǎng)時(shí)佩戴及舒適性的使用要求，因此處理器需要體積小、信號(hào)處理快、低功耗、多種通信連接的特點(diǎn)，可以采用MSP430F5529 微控制器。

心電、阻抗信號(hào)數(shù)據(jù)量大，普通串口通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速傳輸速。 因此可以選擇使用簡(jiǎn)單、集成性高、含有USB 固件的傳輸模塊,在使用時(shí)只需安裝相關(guān)驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)端和移動(dòng)端的數(shù)據(jù)傳輸。

4 基于移動(dòng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化動(dòng)態(tài)心電應(yīng)用移動(dòng)終端研究

4.1 移動(dòng)端軟件需求分析

移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)主要集中在軟件設(shè)計(jì)方面。目前安卓手機(jī)在我國(guó)較為普遍，因此軟件設(shè)計(jì)時(shí)可首先考慮基于Android 系統(tǒng)的平板、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴式監(jiān)護(hù)前端提供的心電等信息進(jìn)行高效、智能的分析。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際需求設(shè)計(jì)軟件，心電應(yīng)用移動(dòng)端需求包含功能性、非功能性兩類。功能性需求包括：①傳輸通信功能，多采用藍(lán)牙技術(shù)與穿戴設(shè)備進(jìn)行連接，將前端采集的數(shù)據(jù)快速傳遞給軟件系統(tǒng)。②異常信息分析，竇性心律、房性早搏、心肌缺血等均為異常的心臟運(yùn)動(dòng)，需要醫(yī)護(hù)人員快速分析、及時(shí)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可為用戶提供用藥指導(dǎo)或習(xí)慣引導(dǎo)。③異常報(bào)警，心臟驟停、心肌梗死等為異常情況，需要醫(yī)護(hù)人員快速趕赴現(xiàn)場(chǎng)采取相應(yīng)處理，因此需要具有相應(yīng)情況的報(bào)警功能。④管理系統(tǒng)，按用戶帳號(hào)，進(jìn)行信息整理和管理，用戶可登錄軟件瀏覽個(gè)人信息等。

非功能需求包括：①用戶體驗(yàn)，盡量考慮用戶使用的舒適性及特殊的心理、生理、喜好需求。 ②輔助功能，醫(yī)療設(shè)備逐漸趨于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，為了豐富用戶的體驗(yàn)，需在應(yīng)用中設(shè)計(jì)與醫(yī)療咨詢?nèi)藛T的交互功能，如健康資訊、反饋等功能[6]。

4.2 移動(dòng)端軟件的總體結(jié)構(gòu)

基于Android 應(yīng)用的心電監(jiān)護(hù)程序，需要包括藍(lán)牙通信、心電分析、管理、輔助功能等需求。因此界面設(shè)計(jì)時(shí)需首先考慮相應(yīng)的4 個(gè)模塊：①通信模塊，要求與監(jiān)測(cè)端完成順暢的藍(lán)牙配對(duì)，穩(wěn)定快速地傳輸心電數(shù)據(jù)，并在查閱的同時(shí)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。②分析模塊，要求從反饋數(shù)據(jù)中快速分析，首先監(jiān)測(cè)突發(fā)異常情況，并與報(bào)警功能相連。③管理模塊，將信息氛圍用戶信息、既往病史、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等多個(gè)子模塊，便于查閱分析和進(jìn)一步管理。④輔助模塊，設(shè)計(jì)有心血管疾病相關(guān)的網(wǎng)頁(yè)資訊和自動(dòng)反饋功能，幫助用戶科學(xué)認(rèn)識(shí)疾病，掌握相關(guān)健康知識(shí)[7-9]。

綜上所述，現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備急需要向信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，以降低醫(yī)療行業(yè)的壓力，為個(gè)人用戶提高準(zhǔn)確、便捷的醫(yī)療輔助。 該文主要研究了基于穿戴式監(jiān)測(cè)前端和Android 移動(dòng)端軟件實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的動(dòng)態(tài)心電系統(tǒng)，但許多硬件尚在開(kāi)發(fā)中，該文也缺乏深入的設(shè)計(jì)研究，因此還有很大改良空間，在后續(xù)研究中，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入細(xì)化研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)前端的研究。