一种基于移动网络的心电监测报警系统的设计

陈海军1,陈婷2

1.广东食品药品职业学院,广东 广州510520;2.广东省食品药品职业技术学校,广东 广州 510663

[摘 要]本文研究设计了一种基于移动网络的心电监测报警系统,系统由心电检测装置、控制报警单元、GPS模块、通讯模块、监控中心服务器软件、家属手机以及4G网络和Internet网络组成。当检测装置检测到心电异常后,通过报警延迟和取消确认进行报警判断,确认报警后进行声音报警和短信报警,同时控制单元获取GPS模块数据,连同心电信息一起发送到通讯模块,进而进入移动网络和Internet,最后传递到监控中心,医生、家属及周边人群可及时获取患者心电信息并组织救援。该装置对穿戴者的日常活动影响很低,实现了低生理、心理负荷下的全天候健康状况实时监护,具有较大的应用推广价值。

[关键词]移动网络;心电监测;健康监护

随着人们生活水平的提高,健康监护越来越为人们所重视。家庭个人监护和社区医疗呈现蓬勃发展的趋势,市场对基于移动网络的医疗监测设备的需求也不断增加。

在众多监测标中,长期的心电监测对健康状态评估、突发心血管疾病预警等具有重要意义。然而,医用心电图机及心电监护仪体积较大,大多为单机检测或通过有线传输模式与医院中央站相连,不适用于日常健康或活动监测。以可穿戴传感器为基础的基于移动网络的心电监测设备对穿戴者的日常活动的影响低,可实现低生理、心理负荷下的个人健康管理和对患者健康状况的实时监护。其核心是低功耗、微型的智能传感器技术及无线网络传输技术,可实现长期、微负荷监测及数据实时传输与报警,较好地解决了生理信号的有效采集与实时传输问题,且具有便携、及时报警提醒等功能。该设备以提供全天候低成本的心电健康状态监测而被用户广泛认可[1-3]

1 系统设计

基于移动网络的心电检测报警系统由心电检测装置、控制报警单元、GPS模块、通讯模块、监控中心服务器软件、家属手机以及4G网络和INTERNET网络组成。系统架构,见图1。

图1 系统架构

心电检测装置实时检测用户心电信息,并传递给控制报警单元;控制报警单元对实时心电数据进行比较和一定算法处理,当判断用户心电异常时,启动报警功能提醒用户及周边人群,以便获取现场帮助,同时获取GPS数据,打包发送到通讯模块;通讯模块通过4G网络向用户家属手机发送通知短信,同时通过INTERNER网络向监护中心发出求救信息;监护中心获取报警信息和位置信息后,结合地图信息,派救护车前往抢救[4-5]

1.1 心电检测装置

心电检测电路,见图2。电极采集到的心电信号,先通过前置放大部分将微弱的心电信号高度放大,并通过低通滤波、高通滤波及50 Hz陷波滤除干扰,再进行A/D转换供控制单元使用。

图2 心电检测电路

1.2 控制报警单元

控制报警单元由单片机和报警模块组成,采用STM32 F103处理器作为控制器,实现设备总体控制、心电信号异常判断及现场报警功能。

心电检测装置获取的信号通过自动诊断算法进行异常判断。考虑到用户心电异常情况的突发性及实时救助的重要性,增加现场紧急报警功能。由于人体活动过程中的一些动作可能会使心电信号短时间超出范围产生误报警,为了保证报警信号的可靠性,必须采取修正措施。本设计采用二级报警处理机制:报警延迟和取消确认。当所测心电信号异常时,系统进入预警状态;启动定时器进行报警计时,5 s后所测心电仍然异常,启动震动报警;震动报警持续10 s未被取消,启动正式报警。正式报警包括:① 通过喇叭发出报警音,以获取周边人员及时的帮助;② 发送短信给亲属,通知用户心电异常信息;③ 获取用户位置信息,连同心电数据一起打包发送到监控中心,以便医生定位前往施救。报警装置逻辑流程图,见图3[6-8]

1.3 传输监控单元

传输监控单元由无线传输模块、GPS模块及监控中心组成,实现用户位置确定、数据的无线传输和后台实时监控功能。传输模块主要有华为MU736模块,Sony Ericsson的GR47/48模,西门子MC35系列模块,Wavcom M1206B模块等。

由于GPS模块采用的芯片组不一样,性能和价格也有区别,SIRFIII系列三代芯片组的GPS模块性能较高,但价格也要贵很多。本设计采用S-98系列GPS模组整合灵敏度高、功耗低,相较SIRFIII芯片组解决方案整体性价比较更高。

监控中心主要包括联网的服务器程序,按无线传输协议进行解析和组包,实现数据的收发。同时对所获取用户心电数据进行分析,若需前往救助,则利用GPS获取的经纬度信息,在地图上进行位置标注和施救路径规划。监控中心需要与外网相连,实现信息的实时交互。监控中心软件采用Delphi开发,Delphi被称为第四代编程语言,和VC、VC++等编程语言相比,Delphi更简单、更易于掌握,而在功能上却丝毫不逊色,集成了多种语言的特点,容易开发出灵活强大的程序[9-10]

图3 报警装置逻辑流程图

2 性能验证

基于移动网络的心电检测报警设备的设计难点在于数据传输的准确性和实时性,因此本文对数据传输进行性能验证试验。服务器端采用电信ADSL宽带连接外网。考虑到资源共享,我们采用IP地址(拨号时可获取)+端口(暂定6080)的方式识别本地计算机。数据传输模块设置用户生理参数及位置数据传输目的地(医生个人或医院的电脑)为服务器端,即服务器端路由器IP地址和6080端口;每100 ms发送一次数据,最大数据包长为512 Byte,串口波特率为115200。

通过对服务器上传输的总传输字节、总丢包数、总错包数以及数据包最大延时时间等数据进行统计,显示在连续传输心电包5 min,总传输数据量为1200000 Byte的情况下,总丢包数为3个,总校验和错包数为0,最大延时时间3 s。性能测试界面,见图4。

图4 性能测试界面

3 讨论

研究通过便携的心电检测装置,结合单片机控制、GPS定位、无线通信、软件编程等技术开发出基于移动网络的心电监测报警设备,利用当前移动网络监控中心能够实时获取有效的心电数据。以实时心电数据为依据,结合报警延迟和报警确认进行防误报警处理,在确保心电异常报警可靠性的同时,增加了用户的可操控性,目前该产品处于试验阶段,未来会进行临床应用和推广。

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Design of an Electrocardiograph Monitoring and Alarming System Based on Mobile Network

CHEN Hai-jun1, Chen Ting2
1. Guangdong Food & Drug Vocational College, Guangzhou Guangdong 510520, China; 2. Guangdong Food & Drug Vocational Technical College, Guangzhou Guangdong 510663, China

Abstract:An Electrocardiograph (ECG) monitoring and alarming system based on mobile network was designed, which was consisted of an ECG detection device, control alarming module, GPS module, communication module, monitoring center server software, family member’s mobile phone, 4G network and Internet network. When the detection device detected an abnormal ECG, the alarm delay and confirm unit would make a determination of the alarming information; audible and SMS (Short Message Service) alarming would be sent after confirmation of the alarming; the control unit would receive GPS data and ECG information at the same time. The data was transferred to the communication module, gradually the mobile network, Internet, and finally sent to the monitoring center. Doctors, family members and the surrounding people could timely access to patient’s ECG information and organize the rescue. The device had low impact on daily activities of the patient, and could realize the real-time monitoring of the whole condition under low physiological and psychological load, which had great value in clinical application and promotion.

Key words:mobile network; electrocardiograph monitoring; health monitoring

[中图分类号]R318.6

[文献标识码]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.030

[文章编号]1674-1633(2016)08-0096-03

收稿日期:2016-01-13