基于Android系統(tǒng)的心電采集系統(tǒng)研究

戴初舉 楊炎祥 林玉霓

【摘要】 由于近來電子技術(shù)的迅速發(fā)展，便攜性醫(yī)療電子需求逐漸增大，促進了移動醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展?；贏ndroid系統(tǒng)移動終端因其靈活的自定功能、較強的運算處理能力，推動了醫(yī)療電子的便攜化和智能化，而智能終端的迅速普及更是為移動健康醫(yī)療系統(tǒng)帶來了很大的發(fā)展想象空間。我們項目小組在心電（ECG）數(shù)據(jù)采集前端的基礎(chǔ)上設(shè)計添加BLE藍牙模塊CC2451，移動智能端采用自身藍牙，通過BLE協(xié)議通信，實現(xiàn)在 Android手持端顯示心電圖和數(shù)據(jù)儲存。

【關(guān)鍵詞】 Android 醫(yī)療電子 BLE 心電（ECG）

引言

中國經(jīng)濟的驚人增長速度，使中國國民更加關(guān)注自身健康狀況，現(xiàn)代信息技術(shù)用來改善健康監(jiān)測系統(tǒng)已是必然。與此同時，基于手機等移動智能設(shè)備的移動醫(yī)療健康系統(tǒng)，因其靈活、便攜帶原因，更是加速了醫(yī)療和移動通信產(chǎn)業(yè)的有效結(jié)合，將使得移動醫(yī)療設(shè)備不斷增多。

而心電的檢測有助于在急救中及時對突發(fā)的病癥進行治療。并且生理數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測可以為用戶提供寶貴的護理信息，不僅有一定的臨床參考價值，還為未來的遠程醫(yī)療的實現(xiàn)提供可能。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的ECG采集系統(tǒng)可分為Android設(shè)備終端和采集模塊。

心電檢測采集模塊由前置放大、四階低通、一階高通和主放大四部分組成。采集到的數(shù)據(jù)通過藍牙BLE 4.0傳輸給Android設(shè)備，并在Android智能端藍牙Socket接口得到數(shù)據(jù)并進行處理。再經(jīng)過應(yīng)用軟件開發(fā)完成信號波形的顯示。如圖1。

1.1數(shù)據(jù)采集處理

心電信號有波形小、噪聲干擾大等特點，因此采集的心電信號須經(jīng)放大和多次過濾處理[1]。本文采用ADS1298R芯片，是TI公司專門為生理信號采集而設(shè)計的芯片，其集成了8個獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，同時還集成了8個程控差分輸入放大器、右腿驅(qū)動、Wilson電阻網(wǎng)絡(luò)等，通過結(jié)合高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換和將基線漂移、工頻干擾等噪聲處理放到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字處理部分，可以簡化數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)計。一般心電信號的幅值在10μV-4mV，若放大倍數(shù)不夠，就要求系統(tǒng)的電壓分辨率較高。

倘若分辨率不夠，則通常要對信號進行20000倍左右放大；正常的心電信號頻率范圍為 0.05-100Hz，采集心電時，高頻干擾有很大影響，那么需要放大器具有較高共模抑制比（CMRR），前置放大電路將傳感器采集到的心電信號低失真放大，得到高共模抑制比、低漂移的電信號，即可滿足設(shè)計要求；四階低通濾波電路消除50Hz頻率的工頻信號；另外從抑制基線漂移和帶外噪聲以及保護器件考慮，需要對輸入信號進行限幅與濾波，高通濾波電路消除頻帶意外的肌電等信號。

再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，得到心電數(shù)字信號，再通過藍牙BLE協(xié)議傳輸給Android移動端，并對接收到的心電數(shù)據(jù)進行分析處理、存儲。心最后對通過開發(fā)的APP對心電的波形進行顯示。

1.2 藍牙4.0協(xié)議棧介紹與開發(fā)

本系統(tǒng)使用的是TI的BLE4.0 CC2541藍牙芯片，其使用高性能，低功耗的8051內(nèi)核，剛好解決了便攜式設(shè)備的低功耗問題要求。BLE協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2。

1）物理層（PHL）：即射頻和電路部分，進行IEEE地址分配。

2）鏈路層（LL）：可以通過對寄存器的設(shè)置控制物理層，并控制設(shè)備協(xié)議棧的狀態(tài)。設(shè)置主機或從機角色。

3）主/控接口層（HCI）：提供標(biāo)準(zhǔn)藍牙的事件和命令接口以及上下層通信。

4）邏輯鏈路控制和適配層（L2CAP）：負責(zé)邏輯鏈路連接和數(shù)據(jù)分發(fā)。

5）安全管理層（SM）：負責(zé)配對及加密等安全性工作。

6）GAP層：用于設(shè)備查找、連接建立、廣播發(fā)送接收的一些控制。

7）ATT層：將數(shù)據(jù)暴露給其他設(shè)備，所有數(shù)據(jù)傳輸都是通過它實現(xiàn)。

8）GATT層：基于ATT層的Profile，用來具體實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

連接過程為：Peripheral開啟廣播—>Central掃描從機廣播—>Peripheral接收到Central的掃描請求，Peripheral向Central發(fā)送掃描回應(yīng)數(shù)據(jù)—>Central向Peripheral發(fā)起連接-->開始通信。

藍牙作為低功耗、低成本的無線標(biāo)準(zhǔn)，Android提供了大量可以管理藍牙通信的API，通過這些API可以實現(xiàn)藍牙設(shè)備間的無線連接，建立點到點、點到多點通信模式。

二、軟件設(shè)計

Android操作系統(tǒng)在4.3以上版本中添加BLE4.0的功能，本方案采用5.0版本智能設(shè)備作為開發(fā)平臺。Android系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為四層[2]，從低到高分別為Linux內(nèi)核層、系統(tǒng)運行庫層、應(yīng)用框架層和應(yīng)用層。

本文采用的是window7系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)所需要的軟件為：JDK ， Eclipse， Android SDK， ADT。Android應(yīng)用程序由四個模塊組成：Activity 、Intent 、Content 和Service[3]。軟件流程如圖3。

Android智能端通過藍牙接收到心電數(shù)據(jù)后，就可以對數(shù)據(jù)進行初步處理，首先利用File文件存儲心電數(shù)據(jù)，之后進行波形繪制和心率計算，本研究使用選擇定時器TimeTask、多線程的技術(shù)來實現(xiàn)波形的繪制，波形繪制和心率計算分別在不同的線程中實現(xiàn)。TimeTask屬于Java自帶的定時器類，需用的兩個包是：Java.uti.Timer；Java.uti. TimerTask，本文就用Java.uti.Timer來實現(xiàn)接收心電數(shù)據(jù)流，再分給不同的線程來進行數(shù)據(jù)處理。

2.1 智能端通信實現(xiàn)

Android平臺通過三種網(wǎng)絡(luò)接口進行通信，本研究選擇標(biāo)準(zhǔn)的Java接口來實現(xiàn)Socket通信和HTTP通信，標(biāo)準(zhǔn)的Java接口中Java.net*提供與聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的類，包括流和數(shù)據(jù)包套接字、Internet協(xié)議、常見HTTP處理。

本文采用面向連接的Socket通信，這種方式Socket可以是一個流接口進行開關(guān)和讀寫操作，所有發(fā)送的數(shù)據(jù)在另一端同步被接收。Java在Java.net包中提供了兩個Socket和ServerSocket，前者為雙向鏈接中的客戶端，后者為服務(wù)器。在建立連接后，利用Socket提供的getInputStream（）和getOutputStream（）得到對應(yīng)的輸入和輸出流，就可以進行讀寫數(shù)據(jù)操作：

OutputStreamoutStream=socket.get.getOutputStream（）；

RandomAccessFile fileOutStream=new RandomAccessFile（u ploadFile.”r”）；

While（（len=fileOutStream.read（buffer）） ！=-1）

outStream.write（buffer，0，len）； fileOutStream.close（）； outStream.close（）；

上面程序中設(shè)置采集到的生理參數(shù)數(shù)據(jù)文件為uploadFile。通過Socket類中的getOutputStream（）得到輸出流。

三、研究結(jié)果

以上詳細介紹了基于Android平臺心電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)過實際測試，可以成功采集心電信號，下圖4，圖5為心電采集系統(tǒng)采集到的心電信號在Android平板電腦諾基亞N1上顯示的實際波形。

從檢測結(jié)果可以看出，顯示的心電圖包含歷史記錄，便于用戶對比查詢，圖形較為準(zhǔn)確，有一定的臨床參考價值。

四、總結(jié)與展望

本系統(tǒng)設(shè)計采用TI公司的藍牙4.0超低功耗CC2541作為控制芯片，配合Android操作系統(tǒng)的智能移動設(shè)備來處理、顯示和存儲數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠能實現(xiàn)對病人的長期監(jiān)測和有效治療。隨著智能移動醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將來會有更多的智能監(jiān)測系統(tǒng)誕生，在未來的云計算和云存儲的技術(shù)背景下，各種醫(yī)療設(shè)備將借助大數(shù)據(jù)來實現(xiàn)長期監(jiān)測以分析各

種病癥的變化趨勢[4-5]。

參 考 文 獻

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