基于Android智能手機平臺的便攜式心電監(jiān)護儀的設(shè)計

張 莉，周子龍

(中南民族大學生物醫(yī)學工程學院，武漢430074)

心臟的生理功能和心電圖之間存在著密切聯(lián)系，當心臟的生理功能發(fā)生改變時在心電圖上會有相應(yīng)地反映.因而通過采集心電信號和波形分析判讀技術(shù)，分析診斷心臟生理功能的異常變化情況，對患者臨床診斷具有十分重要的意義.目前市場上已有的心電監(jiān)護儀大致分為兩類:一類是采用個人電腦進行數(shù)據(jù)顯示和處理的監(jiān)護儀，這種監(jiān)護儀體積較大、不方便攜帶，常用于醫(yī)院的臨床監(jiān)護;另一類是以單片機為核心的便攜式監(jiān)護儀，雖然體積小巧、方便攜帶，但其功能較為單一，并且缺乏網(wǎng)絡(luò)通信功能［1］.隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，移動通信技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合為遠程以及現(xiàn)場生理信號監(jiān)護，提供了技術(shù)的可行性［2］.它解決了第一類心電監(jiān)護儀功能強大卻不便攜帶的問題，同時實現(xiàn)了第二類心電監(jiān)護儀體積小型化，功能更多樣化并具備遠程傳輸數(shù)據(jù)的能力.在此項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些較為成熟的產(chǎn)品，該類產(chǎn)品多半以PDA(掌上電腦)做為系統(tǒng)平臺.例如，美國George Washington大學研制的基于Palm型掌上電腦的心電記錄儀，可以記錄三導心電數(shù)據(jù)，在掌上電腦上實時顯示心電圖［3］.同樣的還有國內(nèi)麥迪克斯公司生產(chǎn)的MECG-200型手持式心電檢查儀，它將由單片機控制的心電檢測模塊經(jīng)RS-232與PDA相結(jié)合，實現(xiàn)心電監(jiān)護和遠程傳輸功能.此類產(chǎn)品所用的PDA平臺雖然功能強大、數(shù)據(jù)處理速度快，卻存在價格相對昂貴、應(yīng)用范圍窄、檢測模塊需有線方式與PDA相連致使用不便、對于多用戶采集不如無線方式效率高等問題.

本文針對上述心電監(jiān)護產(chǎn)品存在的不足，并且考慮到心臟病的突發(fā)性和高危險性，設(shè)計了一種能長期便于隨身攜帶的心臟監(jiān)護儀，它可測量并分析病人的心電圖，及時發(fā)出預(yù)警信號，為心臟病人的及時搶救提供可能.由于Android智能手機具有高市場占有率和價格低廉等特點，本文選擇基于Android智能手機的平臺，以便該應(yīng)用能得到廣泛地推廣.硬件設(shè)計方面采用超低功耗的MSP430FG439芯片為核心，設(shè)計心電信號的采集模塊.該模塊功耗低、體積小、方便攜帶和長時間使用，并通過藍牙技術(shù)實現(xiàn)移動終端同時與多個采集模塊之間的通信，更適合于多用戶使用.軟件方面以Android SDK、NDK為基礎(chǔ)開發(fā)移動平臺的監(jiān)控軟件，不僅實現(xiàn)了心電監(jiān)護儀基本功能，如心電波形顯示、心率等參數(shù)實時顯示.為了提高其實用性，還實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)分析、心電異常報警與數(shù)據(jù)的遠程通訊等功能，讓用戶能隨時得知心電的異常狀態(tài)并做出及時反應(yīng).

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由心電采集模塊和Android智能手機組成.采集模塊通過藍牙與Android手機進行通訊，Android手機可通過WI-FI或3G網(wǎng)絡(luò)與遠程醫(yī)療中心進行數(shù)據(jù)交互.為了提高實用性和便攜性，我們設(shè)計了以超低功耗MSP430FG439芯片為控制核心的采集模塊［4］，同時充分利用Android智能手機良好的人機交互界面、強大的網(wǎng)絡(luò)功能等特點，開發(fā)多功能、便攜式心電監(jiān)護儀.

本系統(tǒng)所實現(xiàn)的樣機采用的是Samsung公司的Spica i5700安卓智能手機.該機型處理器采用800MHz的SnapDragon平臺，擁有128MB隨機存儲器(RAM)，256MB 只讀存儲器(ROM)，320×480分辨率的3.2英寸多點觸控屏，支持WLAN、WI-FI和Bluetooth技術(shù).

如圖1所示，采集模塊通過Bluetooth與Android智能手機連接，同時手機可以通過互聯(lián)網(wǎng)與遠程醫(yī)療服務(wù)中心通訊.

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 System configuration

2 心電采集模塊設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分主要是針對以往監(jiān)護儀在體積較大、不便攜帶、功耗高、抗干擾能力不理想等缺點來進行改進設(shè)計.心電采集模塊主要由微處理器、電源、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、藍牙串口等部分組成.設(shè)計選用功耗低、處理能力強的MSP430FG439芯片作為控制核心，同時選用高性能差分放大器INA331作前置放大器.電極采集到的體表心電信號經(jīng)前置放大后，通過MSP430FG439片內(nèi)集成模擬運放進一步放大并反饋到片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12內(nèi)進行采樣，采樣后的心電信號分別通過低、高通濾波得到?jīng)]有干擾的心電波形.電源和時鐘將分別為MSP430FG439提供3.3V電壓、基準時鐘脈沖.藍牙串口負責完成單片機和Android智能手機間相互通信.

2.1 心電信號采集及預(yù)處理的電路設(shè)計

心電圖ECG(又稱EKG)信號的采集及預(yù)處理是本設(shè)計的重要部分.本系統(tǒng)的心電信號的提取采用標準十二導聯(lián)系統(tǒng)中的I導聯(lián)，左上肢接放大器的負輸入端，右上肢接放大器的正輸入端.如圖2，HR1，HR2，HR3，HR4 為測量電極，從人體的左右拇指和食指提取心電信號.從電極取出典型值為1mV的心電信號需放大1000倍才便于心率的探測，然而任何放大器都會放大夾雜在EKG信號中的噪聲，例如人體產(chǎn)生的50Hz工頻噪聲，在某些情況下，噪聲甚至完全地取代EKG，使得放大的信號變得毫無價值，所以信號放大后一般要經(jīng)過濾波來消除噪聲，得到純凈的心電信號.

另一種更好地消除噪聲的方法是采用差分放大器.本系統(tǒng)中使用的是INA331差分放大器，放大器內(nèi)部已集成較理想的增益電阻.INA331差分放大器帶寬為3kHz、共模抑制比為94dB，能有效地消除包括工頻干擾和諧波在內(nèi)的共模噪聲.該差分放大器由2.7～3.3V單電源供電，為EKG信號提供固定5倍放大.INA331的輸出 EKG 信號將被MSP430FG439片內(nèi)運算放大器之一的OA0放大器進一步放大.圖3電路圖為EKG放大電路的等效電路圖.

圖2 采集模塊實際電路Fig.2 Actual circuit of ECG signal gathering module

圖3 心電放大電路等效電路Fig.3 Equivalent circuit of ECG amplifier circuit

EKG經(jīng)過OA0放大器被放大500倍.由于電極長度不等和接觸身體時微小波動，將導致共模信號偏移并且使信號作為噪聲混疊在OA0的輸出量中.在OA0模塊的1M反饋電阻器上并聯(lián)一個4.7nF電容，此部分作為一個整體可提供一個大約為250Hz高通濾波，用來消除心電信號中的低頻噪聲，該類噪聲是由電極、呼吸、身體運動的偏執(zhí)電壓導致的.經(jīng)過高增益放大后，輸出的信號對電極上皮膚瞬時電阻的變化非常敏感.這種變化將使放大器的差分信號發(fā)生直流變化，導致EKG基線漂移.針對這個問題，用OA1構(gòu)成的模擬積分器來解決，積分器對被放大5倍的直流電流積分，然后反饋給INA331.無論皮膚接觸阻抗怎么變化，這個反饋可以使INA331維持一個恒定的直流輸出量.

2.2 藍牙模塊通信電路設(shè)計

藍牙模塊在本系統(tǒng)中負責采集模塊與Android手機之間數(shù)據(jù)交互.由于在主機模式下一個藍牙設(shè)備可同時與多個從機藍牙設(shè)備之間通信，因此本設(shè)計中的Android手機可同時接收來自多個心電采集模塊發(fā)送的心電數(shù)據(jù)，對比使用點對點通信方式如RS232串口通信和USB通信更高效.圖4為藍牙模塊連接電路圖，藍牙模塊的UART_TXD和UART_RXD兩管腳分別與MSP430的URXD0和UTXD0相連，單片機將心電數(shù)據(jù)通過異步通信的方式發(fā)送給藍牙模塊，藍牙模塊收到數(shù)據(jù)后會將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機［5］.本系統(tǒng)中串口通信的波特率置為9600bps，工作方式設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，0位校檢位.值得注意的是，需通過AT指令，將藍牙模塊設(shè)置為相同的傳輸方式，才能保證Android手機本地藍牙接收到的心電數(shù)據(jù)的正確性.設(shè)計中使用的是廣州匯承公司生產(chǎn)的主從一體HC-05藍牙模塊.該模塊采用BlueTooth V2.0藍牙協(xié)議，支持豐富的 AT指令.

圖4 藍牙模塊連接電路Fig.4 Bluetooth module connection circuit

2.3 采集模塊的控制部分

采集模塊控制部分以MSP430FG439芯片為核心，采用嵌入式C語言在IAR Embedded Workbench軟件開發(fā)平臺上完成采樣信號的A/D轉(zhuǎn)化、濾波、串口通信等功能的程序編寫.

被放大的EKG信號反饋到片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12的輸入端A1.ADC12以512Hz的采樣頻率來采樣EKG信號.精確的采樣可以由定時器Timer_A脈沖觸發(fā)ADC12轉(zhuǎn)換的方式得到.Timer_A以由外部32.768kHz晶振產(chǎn)生的ACLK作為時鐘源.

EKG信號波形中最大的偏轉(zhuǎn)發(fā)生在QRS過程中，時間一般在20ms范圍內(nèi)，為了使EKG信號波形有醫(yī)療評估價值，在它的整個過程中捕捉到QRS過程是非常重要的.典型的心跳每分鐘在60到200之間，在512Hz的采樣頻率下(采樣周期為2ms)，QRS過程中至少能采樣10次從而保證QRS過程充分的數(shù)字化.

被采樣的EKG信號中包含大量的工頻干擾，這些干擾可由數(shù)字濾波器來消除.本系統(tǒng)使用帶寬為6～30Hz的低通FIR濾波器，濾掉心電信號中的肌電信號的高頻干擾.通過調(diào)整濾波器的系數(shù)補償濾波時的信號衰減，同時由于濾波器輸出的EKG信號會有額外增益，使得EKG信號總放大倍數(shù)將大于1000.最后，MSP430FG439將心電數(shù)據(jù)送至USART的UxTXBUF寄存器，采用異步通信的方式將寄存器里的心電數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙模塊，藍牙模塊接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳遞至Android手機.

3 Android手機端心電監(jiān)護程序設(shè)計

本系統(tǒng)的心電監(jiān)控軟件部分主要包括:用戶數(shù)據(jù)管理、心電數(shù)據(jù)顯示、心電數(shù)據(jù)管理、心電異常報警等幾個方面的內(nèi)容［6］.Android智能手機通過本地藍牙接收并保存采集模塊上發(fā)送的心電數(shù)據(jù)，實時顯示心電波形.同時，用戶可以通過對心電監(jiān)控程序界面的觸控，進行人機交互，完成其他功能.本系統(tǒng)手機端監(jiān)控程序是采用Eclipse SDK(verion 3.5.9)工具開發(fā).開發(fā)過程中，根據(jù)不同功能的程序模塊在開發(fā)時占用資源的特點，選擇不同的開發(fā)方式.例如負責人機交互的UI界面開發(fā)的功能模塊，由于該部分無需系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)運算和高速處理，占用CPU資源較少，占用內(nèi)存較多，將采用Android SDK進行開發(fā).而占用內(nèi)存較少、占用CPU資源較多的功能模塊，比如心電數(shù)據(jù)處理、分析以及其他算法的實現(xiàn)，將通過Android NDK方式進行開發(fā).

3.1 心電監(jiān)護軟件的UI設(shè)計

圖5為本系統(tǒng)測試版軟件的界面，也是整個軟件系統(tǒng)中最為重要的一個界面，它的作用是進行心電數(shù)據(jù)的顯示和管理.該界面由多個View組件共同完成，包括實現(xiàn)導聯(lián)標簽頁切換功能的TabHost和TabActivity，實現(xiàn)系統(tǒng)菜單功能的PopWindow等.

3.2 心電數(shù)據(jù)顯示的實現(xiàn)

心電數(shù)據(jù)的顯示是整個系統(tǒng)最基本也是最重要功能之一.Android智能手機不斷監(jiān)聽本地藍牙端口，通過BluetoothSocket接收遠程藍牙模塊上發(fā)送來的數(shù)據(jù)，采用支持雙緩沖、多線程技術(shù)的SurfaceView在屏幕上繪出相應(yīng)的心電波形.

由圖6可以看到，通過接收從采集模塊上發(fā)送來的心電數(shù)據(jù)，在驗證手機上顯示單導聯(lián)模式下心電圖的效果.從圖中，可清楚地分辨其波形特點(如P，QRS，T波)，而這些心電信號形態(tài)特征正是心電識別、判讀的基本條件.

圖5 心電監(jiān)控界面Fig.5 ECG monitoring interface

圖6 心電波形顯示Fig.6 ECG waveform display

3.3 心電數(shù)據(jù)分析

Android手機在顯示心電波形的同時分析異常心電信號，并在出現(xiàn)異常心電時報警.單導聯(lián)心電信號檢測技術(shù)是心電分析技術(shù)的基礎(chǔ)，本文采用的是單導聯(lián)進行心電信號分析.系統(tǒng)移植了多種心律失常檢測的算法，能自動進行多種心律失常判別.通過采用MIT心電數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行測試，QRS波的正確檢出率在99%以上，室性前期收縮、房性期前收縮的正確檢出率在70%以上.在移植算法的過程中充分考慮到了實時性的限制，采用定點運算，實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測.

3.4 心電數(shù)據(jù)的遠程通訊

Android智能手機可通過WIFI和2G/3G移動網(wǎng)絡(luò)連接至互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以將采集到心電數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院心電監(jiān)測中心站的數(shù)據(jù)庫，同時在發(fā)送完畢后還可以接收中心站的反饋信息.

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種可普及到家庭的便攜式心電監(jiān)護儀，它集心電信號的采集、分析于一體，具有系統(tǒng)體積小、便于攜帶、成本低廉等特點.它能夠監(jiān)測心電活動，同時實現(xiàn)心電報警和遠程傳輸?shù)裙δ?，為心率失常及各種異常心電圖中反映的心臟病變提供更有效的診斷依據(jù).由于本設(shè)計還處在前期試驗階段，功能尚不齊全.下一步我們將對心率失常以及心電波形的識別、報警、存儲等功能做進一步完善，使該遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)具有更高地臨床實用價值.

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