徐 磊， 賈孟孟， 李美蘭， 李 坤

(中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)山西省重點實驗室， 山西 太原 030051)

遠(yuǎn)程動態(tài)實時心電信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

徐 磊， 賈孟孟， 李美蘭， 李 坤

(中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)山西省重點實驗室， 山西 太原 030051)

針對常規(guī)心電圖機(jī)體積大、 便攜性差、 Holter操作復(fù)雜、 不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測等問題， 設(shè)計了一種基于LabVIEW和Android的遠(yuǎn)程動態(tài)心電監(jiān)測系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由動態(tài)心電監(jiān)測終端、 云端服務(wù)器和心電監(jiān)測平臺組成. 由心電傳感器采集的心電信號經(jīng)AD8232調(diào)理后進(jìn)行數(shù)字化， 以STM32為主控器， 通過無線藍(lán)牙技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至用戶手機(jī)App， 并實時上傳云端服務(wù)器， 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可通過訪問數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)查看. 經(jīng)實驗驗證， 本系統(tǒng)可實現(xiàn)心電信號的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控， 采集的心電波形具有良好的醫(yī)學(xué)參考價值， 可為未來心血管疾病的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供一定的技術(shù)支持.

心電信號； LabVIEW； Android； AD8232; 遠(yuǎn)程監(jiān)測

Abstract: Aiming at the problems of conventional electrocardiogram machine of large volume and poor portability, Holter can not realize remote monitoring and so on. A remote dynamic ECG monitoring system based on LabVIEW and Android is designed. The system consists of dynamic ECG monitoring terminal, cloud server and ECG monitoring platform. The electrocardiogram collected by the ECG sensor is conditioned by AD8232 and digitized，STM32 as the master chip. The wireless Bluetooth technology transmits the data to the user’s mobile App and real-time uploads the cloud server. The remote monitoring center can view the data by accessing the data base. The experimental results show that this system realizes the real-time remote monitoring of ECG signal and the ECG waveform collected by the system has good medical reference value , and provides some technical support for the future telemedicine of cardiovascular disease.

Keywords: ECG signal; LabVIEW； android； AD8232; remote monitoring

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及人們醫(yī)療需求的不斷提高， 家庭醫(yī)療因其便捷性， 逐漸走入了人們的視線. 國家心血管病中心最新發(fā)布的中國心血管病報告指出： 中國心血管病危險因素流行趨勢明顯， 導(dǎo)致了心血管病的發(fā)病人數(shù)持續(xù)增加[1]. 今后10年心血管病患病人數(shù)仍將快速增長. 目前心血管疾病仍居死亡原因的首位. 究其原因， 主要是由于心血管疾病的潛伏性和突發(fā)性導(dǎo)致的. 所以對于心血管疾病的監(jiān)控預(yù)防顯得尤其重要.

心電信號是是一種微弱的生物電信號， 因此要將其進(jìn)行放大處理， 其中混有多種干擾和噪聲， 因此電極及導(dǎo)聯(lián)線采集到的心電信號通常是不穩(wěn)定的并且是高阻抗的[2]. 在此情況下需要對放大后的信號進(jìn)行濾波， 以還原真實有效的心電波形.

目前的心電監(jiān)護(hù)體系主要有3大類： 第1類是在臨床監(jiān)護(hù)中所使用的心電監(jiān)護(hù)體系， 這種監(jiān)護(hù)方式的可移動性差， 并且心電圖機(jī)體積龐大、 成本較高、 且維護(hù)和更新不便[3]， 只限于在病房中對患者進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)； 第2類是動態(tài)心電檢測儀Holter， 患者通過攜帶儀器進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的采集， 但是無法進(jìn)行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)的傳輸； 第3類是遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)， 主要通過無線網(wǎng)絡(luò)對患者的心電信息進(jìn)行監(jiān)測[4]. 隨著人們醫(yī)療需求的提高， 迫切需要一種在一定范圍內(nèi)患者能夠自由運(yùn)動， 并且可以實現(xiàn)和監(jiān)測醫(yī)生進(jìn)行實時交互的遠(yuǎn)程的心電監(jiān)測體系. 針對此種情況， 本文設(shè)計了基于Android和LabVIEW的遠(yuǎn)程動態(tài)實時心電監(jiān)測系統(tǒng). 本系統(tǒng)的監(jiān)測終端小巧便攜， 成本低廉. 同時設(shè)計了PC端和手機(jī)端的雙重監(jiān)測平臺， 便于實現(xiàn)與監(jiān)測醫(yī)生的實時交互.

1 系統(tǒng)總體框架

圖 1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The block diagram of overallsystem

系統(tǒng)的總體框圖如圖 1 所示. 整個系統(tǒng)包括了心電數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、 智能手機(jī)心電監(jiān)測平臺和PC端上位機(jī)心電監(jiān)測平臺. 心電數(shù)據(jù)監(jiān)測終端的功能是利用ADI公司生產(chǎn)的低功耗AD8232芯片對心電信號進(jìn)行放大和濾波等處理. 將完整調(diào)理后的心電信號通過STM32的內(nèi)置ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換. 在STM32中通過數(shù)字濾波器將50 Hz工頻干擾噪聲進(jìn)行濾除. 在監(jiān)測終端的嵌入式系統(tǒng)中， 加入了LED屏實時顯示心電波形， 利用心跳信號指示燈的閃爍對心跳信息進(jìn)行顯示， 并且加入了SD卡存儲模塊對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲. 將打包好的心電數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至智能手機(jī)心電監(jiān)測平臺. 手機(jī)心電監(jiān)測平臺的功能是將通過藍(lán)牙接收到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行描繪， 對心電波形進(jìn)行實時顯示， 并將心電數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器. PC端上位機(jī)心電監(jiān)測平臺通過連接云端服務(wù)器接收心電數(shù)據(jù)， 對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的去噪處理， 并通過數(shù)學(xué)形態(tài)法對R波進(jìn)行識別， 計算出心率信息并實時顯示. 整個系統(tǒng)完成了對心電數(shù)據(jù)的采集， 調(diào)理， 存儲， 傳輸和顯示等功能.

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 心電信號調(diào)理模塊

本模塊采用AD8232心電調(diào)理芯片對采集到的心電信號進(jìn)行放大和濾波等基本的調(diào)理. AD8232芯片內(nèi)置了專用儀表放大器、 運(yùn)算放大器、 右腿驅(qū)動放大器、 中間電源電壓基準(zhǔn)電壓緩沖器、 高通濾波器、 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路和自動快速恢復(fù)電路. 儀表放大器除了提供100的增益外， 還可以消除電極半電池電位. 心電信號的頻帶寬度為0.05～100 Hz， 其幅值約為0.01～5 mV， 典型值為1 mV[5]. STM32內(nèi)置ADC的電壓輸入范圍為0～3.6 V. 所以在儀表放大器對ECG信號進(jìn)行放大之后， 又采用運(yùn)算放大器提供了額外增益. 總增益G達(dá)到1 000. 另外， 通過運(yùn)算放大器提供的低通濾波濾除了肌電干擾噪聲， 通過高通濾波器濾除了基線漂移類的低頻噪聲. 其中的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路和自動快速恢復(fù)電路幫助用戶在電極脫落后重新連接時快速恢復(fù)心電波形的顯示. 該芯片中沒有設(shè)計針對50 Hz工頻干擾進(jìn)行濾除的陷波電路， 因此在STM32中對心電信號的控制處理中加入了50 Hz的數(shù)字濾波器.

2.2 控制器模塊

STM32系列的閃存微控制器是由ARM公司生產(chǎn)的. STM32系列基于具有突破性意義的Cortex-M3內(nèi)核， 它的工作頻率為72 MHz， 內(nèi)置高速存儲器， 具有豐富的I/O端口和外設(shè). 此系列的內(nèi)核是專門設(shè)計的滿足集低功耗、 高性能、 具有競爭優(yōu)勢的價格于一體的嵌入式領(lǐng)域要求的控制器[6]. 本文使用的是STM32F103C8T6.

這一模塊中， STM32的主要功能有： ① 將輸入的心電信號以250 Hz的采樣率進(jìn)行采樣并且對心電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換； ② 為了直觀地觀測心電波形的顯示變化， 通過一個LED屏幕對心電波形進(jìn)行實時顯示； ③ 用數(shù)字濾波器對50 Hz的工頻噪聲進(jìn)行濾除； ④ 控制SD卡模塊對心電信息進(jìn)行存儲； ⑤ 將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī). STM32程序的主要流程圖如圖 2 所示.

在藍(lán)牙與監(jiān)測平臺進(jìn)行通信時， 需要設(shè)置串口數(shù)據(jù)通訊協(xié)議,設(shè)置波特率為115 200， 數(shù)據(jù)停止位1 b， 奇偶檢驗： 0， 數(shù)據(jù)位8 b， 數(shù)據(jù)采樣率為500 Hz(定時器控制)， 串口數(shù)據(jù)發(fā)送采用串口DMA數(shù)據(jù)模式， 通過采用一個數(shù)據(jù)包多個字節(jié)的方式， 可以提供數(shù)據(jù)傳輸速度， 因而每隔160 ms， 發(fā)送200～400 B的數(shù)據(jù)包較為合適.

STM32的AD為12 b， 所以數(shù)據(jù)的高8 b的前4 b為0， 發(fā)送的數(shù)據(jù)格式如下：

EE 09 D5 FF (EE為幀頭， FF為幀尾， 中間為數(shù)據(jù))

真實情況下一次采集回的數(shù)據(jù)為2 B， 如： 09 D5為了避免出現(xiàn)與幀頭或者幀尾相同的數(shù)值， 對中間數(shù)據(jù)進(jìn)行了換行操作.

圖 2 STM32流程圖Fig.2 The flow chart of STM32

圖 3 SD卡流程圖Fig.3 The flow chart of SD card

圖 4 LabVIEW流程圖Fig.4 The flow chart of LabVIEW

2.3 SD卡存儲模塊

本設(shè)計采用SD卡模塊對心電信息進(jìn)行存儲. SD卡支持SD模式和SPI模式兩種操作模式. SD模式支持4線的高速數(shù)據(jù)傳輸， 用于數(shù)據(jù)量比較大， 速度要求比較快的應(yīng)用場合. SPI模式支持簡單的通過SPI接口和SD卡通信， 該模式同SD卡模式相比硬件電路較為簡單， 但是降低了存儲速度[7]. 由于本設(shè)計每秒都要接收并存儲數(shù)據(jù)， 且數(shù)據(jù)量約有2 000 B， 這就對存儲速率要求較高， 因此選用SD模式進(jìn)行工作.

為了方便采集到的數(shù)據(jù)能夠直接在PC機(jī)上查看， 提高存儲效率， 需要對SD卡存儲介質(zhì)采用文件系統(tǒng)管理方式， 本設(shè)計采用常見的FATFS文件系統(tǒng)格式. Fatfs是一個通用的文件系統(tǒng)模塊， 用于在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng). Fatfs 的編寫遵循ANSIC， 不依賴于硬件平臺. 它可以在不做修改的情況下移植到微控制器中， 如8051， PIC， AVR， ARM， Z80等. Fatfs支持CF卡、 硬盤、 SD/MMC卡和NAND Flash的讀寫， 支持FATl2， FATl6， FAT32， 支持長文件名， 并優(yōu)化了在8/16 b微控制器下的文件讀寫. 控制系統(tǒng)的工作流程如圖 3 所示. 要以FATFS文件系統(tǒng)格式進(jìn)行文件創(chuàng)建及信息儲存， 必須將SD卡格式轉(zhuǎn)換成FATFS文件系統(tǒng)格式， 即SD卡的初始化. 在確定SD卡通信正常后即開始初始化， 其過程包括: 讀取原有FAT表、 查找空間簇并確定起始簇號、 將新的FAT表寫回SD卡、 讀取目錄項信息、 將文件信息賦給文件信息結(jié)構(gòu)體、 將新的目錄寫回到SD卡， 初始化完成后即可進(jìn)行SD卡的讀寫操作. AD采樣信號出發(fā)后向SD卡觸發(fā)寫命令， 命令中包含寫地址， 寫地址必須與SD卡物理地址相對應(yīng)， SD卡接收到數(shù)據(jù)后驗證地址， 并進(jìn)行CRC校驗， 發(fā)出響應(yīng)命令.

2.4 藍(lán)牙無線傳輸模塊

藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)在2.4 GHz ISM頻段下工作， 其數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适? Mb/s[8]. 藍(lán)牙技術(shù)采用“Plug&Play”， 即任意一個采用藍(lán)牙技術(shù)的儀器設(shè)備一旦搜尋到另一個藍(lán)牙設(shè)備， 馬上就可以與之建立聯(lián)系， 無需用戶進(jìn)行任何設(shè)置， 可謂能做到“即連即用”. 所以藍(lán)牙技術(shù)比較適用于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸.

本設(shè)計使用的是HM-06藍(lán)牙模塊， 其采用CSR BlueCore芯片， 配置6-8Mbit的軟件存儲空間， 支持AT指令， 用戶可根據(jù)需要更改SPP角色(主、 從模式)以及串口波特率、 設(shè)備名稱、 配對密碼等參數(shù)， 使用靈活.

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 手機(jī)心電監(jiān)測平臺的設(shè)計

Android是基于Linux的一種開放源及自由代碼操作系統(tǒng)， 它主要被使用在移動設(shè)備， 如平板電腦和智能手機(jī)， 由開放手機(jī)聯(lián)盟和Google公司倡導(dǎo)開發(fā). 因為Linux的操作系統(tǒng)， 其性能相對比較穩(wěn)定， 并且其源代碼的開發(fā)能夠較大地降低開發(fā)成本[9].

算法流程如圖 5 所示. Ble藍(lán)牙通信主要通過Android自帶的開發(fā)者API的BluetoothManager， BluetoothAdapter， startLeScan()等實現(xiàn)， 利用Handler進(jìn)行主線程與子線程的通信， 子線程實現(xiàn)藍(lán)牙的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收， 藍(lán)牙設(shè)備的搜索等， 主線程負(fù)責(zé)UI界面的刷新.

圖 5 手機(jī)心電監(jiān)測平臺算法流程圖Fig.5 The algorithm flow chart of Mobile phone ECG monitoring platform

通過接收來自監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)， 進(jìn)行一定的處理后， 利用Android自帶的控件surfaceview進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化， 利用surfaceChanged， surfaceDestroyed， surfaceDestroyed， draw等方法繪出相對應(yīng)的波形.

在App中接收并處理數(shù)據(jù)之后， 會利用Sqlite數(shù)據(jù)庫先存入本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份， 同時通過HTTP協(xié)議與服務(wù)器發(fā)送POST請求， 通過HttpURLConnection發(fā)送請求， URLEncoder進(jìn)行編碼， 提交App中處理后的數(shù)據(jù)由服務(wù)器接收后存入Mysql數(shù)據(jù)庫， 服務(wù)器的架設(shè)為Apache+Mysql等.

PC端監(jiān)測平臺連接數(shù)據(jù)庫讀取心電數(shù)據(jù)， 對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將心電波形進(jìn)行描繪.

3.2 PC端心電監(jiān)測平臺的設(shè)計

使用NI公司生產(chǎn)的LabVIEW進(jìn)行PC端心電監(jiān)測平臺的設(shè)計. LabVIEW使用的是圖形化編程語言， 功能強(qiáng)大. LabVIEW虛擬儀器的設(shè)計包括前面板和后面板. 前面板是一個類似于真實儀器的圖形界面窗口， 用戶可以在該窗口進(jìn)行一些基本的操作和觀測， 后面板是圖形化的程序[10]. 后面板的程序控制前面板的功能實現(xiàn). LabVIEW虛擬儀器的程序設(shè)計的主要流程圖如圖 4 所示.

在連接云端數(shù)據(jù)庫并將心電數(shù)據(jù)讀取后， 在后面板的圖形化程序中， 先使接收到的心電數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波器消除以肌電干擾為代表的高頻噪聲,再使經(jīng)過低通濾波器的心電數(shù)據(jù)經(jīng)過一個三階高通濾波器， 這里將低截止頻率設(shè)置為0.5 Hz， 濾除基線漂移及直流偏移電勢等低頻噪聲. 對經(jīng)過低通和高通濾波的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行一個50 Hz的帶阻濾波， 進(jìn)一步消除50 Hz的工頻噪聲. 使用LabVIEW中自帶的波形圖表控件將經(jīng)過濾波的心電數(shù)據(jù)的波形描繪出來， 利用數(shù)學(xué)形態(tài)法對R波之間的間期進(jìn)行計算， 從而計算出心率. LabVIEW上位機(jī)的心電數(shù)據(jù)采集及心率計算的部分程序如圖 6 所示.

4 現(xiàn)場試驗

各個模塊調(diào)試完成后， 對心電系統(tǒng)的各個部分進(jìn)行試驗， 驗證心電波形的有效性. 主要對心電監(jiān)測終端的波形是否具有醫(yī)學(xué)參考價值、 手機(jī)監(jiān)測平臺的心電監(jiān)測效果和上位機(jī)濾波的效果3個方面進(jìn)行試驗.

4.1 硬件系統(tǒng)測試試驗

被測試者為25歲男性， 身體健康. 試驗時被測試者的姿態(tài)為端坐. 首先在心電監(jiān)測終端上， 采用標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)的方式， 安置好電極， 使用導(dǎo)聯(lián)線把電極和硬件系統(tǒng)相連接， 給監(jiān)測終端供電， 初始化完成后， 試驗波形如圖 7 所示， 可以看出監(jiān)測終端的顯示屏上觀測到P波、 QRS波群以及T波， 其中P波幅值約為QRS波群幅值的1/10～1/5， T波幅值約為QRS波群幅值的1/4～1/2. 說明被測試者身體健康狀況良好. 由此得出， 監(jiān)測終端顯示的波形較為完整準(zhǔn)確， 具備一定的醫(yī)學(xué)參考價值.

4.2 PC端心電監(jiān)測平臺試驗

連接好硬件動態(tài)心電監(jiān)測終端后， 打開手機(jī)藍(lán)牙， 將手機(jī)藍(lán)牙與終端中的藍(lán)牙模塊配對連接. 登錄手機(jī)軟件， 心電波形即可在手機(jī)軟件中實時顯示， 此時手機(jī)軟件后臺已經(jīng)將心電數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器.

連接成功數(shù)據(jù)庫后， 在數(shù)據(jù)庫中采集心電信息， 在PC端對心電波形進(jìn)行顯示試驗. 通過低通濾波器， 高通濾波器和49～51 Hz帶阻濾波器對采集到的心電信息進(jìn)行濾波. 通過去噪前后兩個窗口中的心電波形的效果對比， 可以看到上位機(jī)程序中對心電波形的去噪有一定的效果. 通過數(shù)學(xué)形態(tài)法計算提取R波并計算R波間期， 得出當(dāng)前被測試者的心率值， 可以觀測到被測試者心率為74. PC端心電監(jiān)測平臺如圖 8 所示.

圖 7 硬件系統(tǒng)上心電波形的顯示Fig.7 The display of ECG waveforms on the hardware system

圖 8 PC端心電監(jiān)測平臺Fig.8 The ECG monitoring platform of PC terminal

5 結(jié) 論

本設(shè)計的硬件平臺設(shè)計中， 用AD8232心電信號進(jìn)行模塊基本調(diào)理， 以STM32C8T6為主控制器， 通過LED屏在硬件系統(tǒng)中進(jìn)行心電波形實時顯示， 并用SD卡模塊對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲， 將心電數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過藍(lán)牙無線傳輸模塊發(fā)送到手機(jī)軟件. 監(jiān)測平臺分別是基于Android開發(fā)的手機(jī)心電監(jiān)測平臺和基于LabVIEW開發(fā)的PC端心電監(jiān)測平臺. 本設(shè)計實現(xiàn)了監(jiān)測終端的心電信號采集、 存儲、 顯示和無線傳輸、 用戶手機(jī)端App的心電波形查看、 上傳云端服務(wù)器、 PC端軟件的心電信號遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和心率數(shù)據(jù)提取等功能. 針對用戶的實時觀測、 上位機(jī)軟件中心電波形及心率的實時顯示. 與傳統(tǒng)的心電圖機(jī)相比不僅成本低廉， 而且小巧便攜. 更重要的是它操作簡便， 通用性強(qiáng)， 很適合后續(xù)的開發(fā). 接下來的發(fā)展方向?qū)员拘碾姴杉O(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)， 在硬件平臺中加入其他信息， 使整個系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大， 同時也會對軟件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化， 使其功能更加完善.

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DesignofRemoteDynamicReal-TimeECGSignalMonitoringSystem

XU Lei, JIA Mengmeng, LI Meilan, LI Kun

(Key Laboratory of Information Detection and Processing Technology of Shanxi Province (North University of China )， Taiyuan 030051, China)

1671-7449(2017)05-0428-06

TP274+.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.010

2016-12-27

徐 磊(1992-)， 男， 碩士生， 主要從事信息探測與處理技術(shù)等研究.