大學(xué)生心血管機能評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

葉汪洋，丁柯軍，張晨曦，胡涵寧，陳 萌

（寧波工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院（計算機學(xué)院），浙江 寧波 315211）

心血管疾病是一種嚴(yán)重威脅人類健康的常見病，常見于50歲以上的中老年人群體，具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點[1]。在最近幾年的調(diào)查和研究中發(fā)現(xiàn)，心血管疾病已逐漸向低齡化發(fā)展。在年輕人群中，從事非體力勞動者的都市白領(lǐng)患病最為常見，其患病概率是普通人群的2～3倍。同時，年輕人群因心血管能力不足而出現(xiàn)猝死的極端現(xiàn)象越來越多[2]。

大學(xué)生正處于人生中生長發(fā)育的重要階段，但同時也長期面臨著學(xué)習(xí)、就業(yè)等各方面壓力。不僅如此，失眠、網(wǎng)絡(luò)成癮等影響身體健康的問題在大學(xué)人群中也是屢見不鮮[3]，在各種因素的綜合作用下，近年來大學(xué)生在運動中發(fā)生猝死的極端現(xiàn)象頻頻發(fā)生。為了使青年學(xué)生在選擇適合自己的運動方式，提高運動安全性的同時，有效提升心血管能力，減少大學(xué)生心血管疾病的患病率，本文基于團隊自構(gòu)建的心電數(shù)據(jù)庫，使用前后端分離、統(tǒng)計分析等技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了1個大學(xué)生心血管機能評估系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 主要技術(shù)棧

隨著程序設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對軟件開發(fā)的步驟、分工趨向于專業(yè)化、細致化，同時，對系統(tǒng)的效率、性能的要求也越來越高[5]。在這種情況下，前后端分離的開發(fā)技術(shù)應(yīng)運而生，這種技術(shù)讓前端與后端的開發(fā)相對獨立、互不干擾，提高程序的設(shè)計效率。

本文采用基于前后端分離的B/S架構(gòu)進行開發(fā)。前端基于Vue框架進行設(shè)計，通過Vue路由和Axios進行請求，使用ElementUⅠ進行頁面美化，提升用戶使用體驗。后端使用SpringBoot框架進行開發(fā)。在小程序的開發(fā)中，使用微信小程序官方封裝的請求應(yīng)用程序編程接口（APⅠ），提升接口的可讀性和安全性。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于微信小程序、PC網(wǎng)頁端和前后端分離技術(shù)，結(jié)合心電信號數(shù)據(jù)采集方式和運動評估特點，并充分考慮了師生和工作人員的使用需求，如圖1所示，本文采用分層思想將系統(tǒng)架構(gòu)從上到下共分為4個層次：用戶層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)庫和運行環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

用戶層：位于分層架構(gòu)的頂層，用戶可以直接訪問。本文中，用戶層包含微信小程序和PC網(wǎng)頁端2部分，學(xué)生主要通過微信小程序訪問系統(tǒng)，管理員主要通過PC網(wǎng)頁端訪問系統(tǒng)。

業(yè)務(wù)層：邏輯層，對具體事件進行處理，主要進行邏輯判斷與執(zhí)行操作，連接用戶層和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)兩層間的數(shù)據(jù)處理和指令傳達。本文在此處劃分了2個子系統(tǒng)——學(xué)生端和管理端。

數(shù)據(jù)庫：按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫。本文建立了MySQL主庫、MySQL從庫和Redis緩存3個數(shù)據(jù)庫。

運行環(huán)境：系統(tǒng)運行所依靠的機器設(shè)備、操作系統(tǒng)和虛擬環(huán)境等。本文使用騰訊云服務(wù)器+Docker（PaaS提供商dotCloud開源的一個基于LXC的高級容器引擎）技術(shù)進行部署。

1.3 系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)中最主要的一項功能——心血管機能評估的主要流程如圖2所示，首先通過手環(huán)或心電監(jiān)護儀采集大量運動前后的心電信號、血壓和血氧等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理后用于機器學(xué)習(xí)，最終獲得心血管機能評估模型。之后，系統(tǒng)再次通過手環(huán)或心電監(jiān)護儀采集學(xué)生的相關(guān)心電數(shù)據(jù)，并將其傳入心血管機能評估模型，最終得到評估結(jié)果及建議，學(xué)生可通過小程序查詢自己的心血管機能評估結(jié)果，并參考系統(tǒng)給出的建議。

圖2 心血管機能評估流程圖

2 主要功能模塊實現(xiàn)

2.1 心血管機能評估模型

本文研究團隊自2019年以來，建立了大學(xué)生健康群體，長時間跨度的心電信號（ECG）數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的ECG信號采集對象為18～22周歲的大學(xué)生志愿者，采集的時間間隔為首次、1個月后、3個月后和6個月后這4個時間點。

數(shù)據(jù)采集使用邁瑞N12監(jiān)護儀，設(shè)備采集頻率設(shè)置為500 Hz，將4個電極置于采集部位RA、RL、LA和LL，心臟跳動信號經(jīng)過人體組織傳導(dǎo)到體表，通過監(jiān)護儀的電極接收信號并將其標(biāo)注在時間軸上形成心電圖[6]。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，由原始的ECG信號數(shù)據(jù)處理得到R-R間隔、全部竇性心搏RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差（SDNN）、平均心率和RR間隔均方根等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。大學(xué)生體質(zhì)檢測包含很多項目，挑選容易產(chǎn)生猝死問題的長跑與處理后的ECG基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過皮爾森相關(guān)系數(shù)（Pearson）進行相關(guān)性分析[7]。

分析公式如下所示

式中：變量X，Y分別為平均心率和長跑體測成績；N為樣本數(shù)量；Σ為求和符號；cov為協(xié)方差計算，通過計算得出X，Y，XY，X2，Y2的數(shù)學(xué)期望（平均值），再使用公式求出的相關(guān)性系數(shù)ρx，y記為r值。r的取值總是在-1.0～1.0，接近0的變量被稱為無相關(guān)性，且相關(guān)性系數(shù)的絕對值越大，相關(guān)性越強。

本文的實驗數(shù)據(jù)來自于33名不區(qū)分性別大學(xué)生，對志愿者的首次、1個月后、3個月后和6個月后四輪ECG數(shù)據(jù)，計算了其SDNN、平均心率和RR間隔的Pearson相關(guān)系數(shù)(常用r表示)和顯著性水平(p-value)，以此來分析大學(xué)生不同時間間隔情況下ECG的SDNN、平均心率和RR間隔與長跑成績之間的相關(guān)性。當(dāng)r＞0時，表示兩者有正相關(guān)關(guān)系；r＜0時，表示兩者有負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)r=0時，表示兩者不是線性相關(guān)的。p-value越小，表示相關(guān)系數(shù)越顯著，一般p-value在500個樣本以上時有較高的可靠性。

表1、表2和表3分別為SDNN、平均心率和RR間隔與長跑成績之間的皮爾森相關(guān)系數(shù)的比較值。

表1 SDNN與長跑的皮爾森相關(guān)系數(shù)比較

表2 平均心率與長跑成績相關(guān)系數(shù)比較

表3 RR間隔均方根與長跑成績相關(guān)系數(shù)比較

由表1可以看出，大部分ECG數(shù)據(jù)的SDNN與長跑成績存在正相關(guān)關(guān)系，但3個月后運動前（r）的ECG的SDNN卻表現(xiàn)出了負相關(guān)，同時此數(shù)據(jù)的p-value較大，則此r值參考價值不高?？偟膩砜?，SDNN與長跑成績間的相關(guān)性雖存在一定的正相關(guān)，但相關(guān)性并不強，但心率變異性的其他指標(biāo)是否與長跑數(shù)據(jù)存在相關(guān)性還需要進一步研究。

在運動事件中，心率通常能夠用來反映運動強度和生理負荷量。表2、表3實驗結(jié)果表明，平均心率與大學(xué)生長跑體測成績的變化，以及RR間隔均方根與大學(xué)生長跑體測成績的變化均同樣呈現(xiàn)高度相關(guān)性。前者的皮爾森相關(guān)系數(shù)最高可達0.8左右，后者的皮爾森相關(guān)系數(shù)最高可達0.59左右，均高于0.5的相關(guān)性評價閾值，屬于強相關(guān)。因此，平均心率及RR間隔均方根對于大學(xué)生的長跑體測成績都具有一定的預(yù)測作用。

2.2 模型訓(xùn)練與部署

模型將各類機器學(xué)習(xí)算法進行融合。把ECG基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的RR間隔均方根與平均心率數(shù)據(jù)輸入模型，并訓(xùn)練得到最終結(jié)果，即大學(xué)生體質(zhì)測試長跑預(yù)估成績（0～100分）。

將優(yōu)化好的模型部署到深度學(xué)習(xí)服務(wù)器中，并提供接口給后端調(diào)用，最終學(xué)生可以在小程序平臺看到自己的體質(zhì)測試長跑預(yù)估成績。系統(tǒng)還會根據(jù)ECG基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及不同的長跑特測預(yù)估分?jǐn)?shù)給不同分段的學(xué)生提供不同的運動建議。系統(tǒng)部署圖如圖3所示。應(yīng)用服務(wù)器中Nginx是一個輕量級的HTTP和反向代理web服務(wù)器；Rabbit MQ中文名消息隊列，其是實現(xiàn)了高級消息隊列協(xié)議（AMQP）開源消息代理軟件，是程序間消息的中間件；Spring Boot中文名斯普瑞布特，其設(shè)計目的是用來簡化Spring（JAVA開發(fā)框架）應(yīng)用的搭建開發(fā)過程；Redis中文名遠程字典服務(wù)，其是一款高性能的Key-Value數(shù)據(jù)庫；MyBatis的主要功能是將數(shù)據(jù)庫查詢代碼與代碼程序分離，提高軟件的可維護性。

圖3 系統(tǒng)UML部署圖

2.3 運動建議

根據(jù)評估結(jié)果得到的分?jǐn)?shù)給出運動建議，分?jǐn)?shù)低的，建議平時加強運動以提高心血管機能水平，可堅持每天一定時長的有氧運動，增加脂肪消耗，防止動脈硬化，從而降低心腦血管疾病的病發(fā)率。學(xué)生可根據(jù)手環(huán)采集到的瞬時數(shù)據(jù)與過往數(shù)據(jù)對比，手環(huán)發(fā)現(xiàn)異常（如心率過高、血氧血壓水平不正常）發(fā)出警報時，建議立刻停止當(dāng)前運動。評估分?jǐn)?shù)高的則認為心血管機能較好，學(xué)生需保持健康生活及適量運動。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文基于團隊自構(gòu)建的心電數(shù)據(jù)庫，使用前后端分離、統(tǒng)計分析等技術(shù)設(shè)計的大學(xué)生心血管機能評估系統(tǒng)能夠使青年學(xué)生了解自己可能達到的運動成績極限與心血管機能水平，在進行高強度運行時，當(dāng)達到運動預(yù)測極限成績時，適時進行調(diào)整，避免發(fā)生嚴(yán)重的運動傷害事件。