（信号与信息处理专业论文）基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：壅雾沸 指导教师 日期：如f d 、j 、嘶 、 日期：刎t o r 彬 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：揉辫 日期：2 p7 驴j 、2 l 少 舯教师鲐为彦侈 指导教师签缈i 7 寸纱 日期：矽恨! 坤 西华大学硕士学位论文 摘要 进入2 1 世纪后，人类从工业时代迈向了信息时代，生活水平稳步提高，工作节奏 也日趋加快，心血管疾病的发病数也与日俱增。心脏病已成为严重威胁人类健康和生命 的三大疾病之一。而心脏病具有病情隐蔽、发作突然、病发危险性高等特点，对先天性 心脏病患者、尤其是中老年患者的危害性极大。据世界卫生组织估计，到2 0 2 0 年左右， 我国和其他发展中国家，将会迎来心脏病的发病顶峰。为了有效的预防与治疗心脏病， 一系列的手段孕育而生，心电图就是其中之一。心电图异常的出现频率和复杂形式是猝 死或急性心脏事件独立的预测指示。实时监测心电图，。能够发现常规心电图不易发现的 心率失常和心肌缺血等病症，是临床分析病情、确诊和判断疗效的重要依据，而且它还 可以为心血管疾病的诊断提供重要依据。及时发现心电变化异常，赢得早期救治时间和 挽救生命的机会，对心血管疾病患者来说具有重要意义。 本文研究的基于智能手机的远程心电显示系统主要应用于人体实时心电检测和动 态心电分析，适用于心血管疾病的临床检查、监护和平时心脏功能保健，可广泛用于医 院诊断治疗、院前急救、家庭监护、健康保健等众多领域，在心脏疾病的预防、诊断、 治疗中将发挥重要作用。该系统主要由三部分组成：美国b i o p a c 公司m p l 5 0 型1 6 通道 生理信号记录分析系统、g p r s 移动通信网络和医生监护手机。生理信号记录分析系统完 成心电数据的采集与预处理，然后进行初步判决，检测到异常心电信号后，分析系统自 动将异常信号数据通过g p r s 移动通信网络传输给医生，监护医生的智能手机使用j a v a 技术的“j a v a2p l a t f o r mm i c r oe d i t i o n ( j 2 m e ) ”构建心电显示平台，在此平台上运 行心电显示程序来查看异常心电图，并根据病人的情况做出初步的诊断与指导。 试验结果表明，基于智能手机的远程心电显示系统可以及时、有效地显示异常心电。 该系统的实现将为医院经营模式的改变、医生监护手段的提升以及病人诊疗的方便性等 方面提供有力的技术支持与服务a 该系统解除了监护病人及主治医生活动区域的限制， 给患者的远程诊断与救治提供了帮助，实现了远程监护。 关键词：异常心电数据；多媒体短信( m m s ) ；智能手机；j 2 m e ；心电图显示 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y ，h u m a nv a r yf r o mt h ei n d u s t r i a la g et ot h ei n f o r m a t i o na g e ，t h e s t a n d a r do fl i v i n gh a si m p r o v e ds t e a d i l y , t h ep a c eo fw o r ka r eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l y f a s t e r ，b u tt h ei n c i d e n c eo fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e si si n c r e a s i n gt o o h e a r td i s e a s eh a s b e c o m eas e r i o u st h r e a tt oh u m a nh e a l t ha n dl i f e i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i d d e n ， s u d d e n ，a n dh i g hr i s ko fc o n g e n i t a l ，e s p e c i a l l yh a sg r e a td a n g e r st oe l d e r l yp a t i e n t s a c c o r d i n gt ot h ew o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n se s t i m a t i o n ，c h i n aa n do t h e rd e v e l o p i n g c o u n t r i e sw i l lm e e tt h ep e a ki n c i d e n c eo fh e a r td i s e a s ea r o u n d2 0 2 0 i no r d e rt o e f f i c i e n t l yp r e v e n ta n dt r e a tt h eh e a r td i s e a s e ，as e r i o u so fm e a s u r e sw e r eb o r n t h e a b n o r m a lf r e q u e n c ya n dc o m p l e x i t yf o r mo ft h ee c ga r et h ei n d e p e n d e n tp r e d i c t o r i n s t r u c t i o n so fs u d d e nd e a t ho ra c u t ec a r d i a ce v e n t s r e a l t i m em o n i t o r i n ge c g ， w h i c hc a nd e t e c ta r r h y t h m i aa n dm y o c a r d i a li s c h e m i aa n do t h e rd i s e a s e se a s i e rt h a n r o u t i n ee l e c t r o c a r d i o g r a m ，i sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rc l i n i c a la n a l y s i s i n g ，d i a g n o s i s i n g a n dj u d g i n g i ti sa l s oa ni m p o r t a n tb a s i sf o rc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e t h et i m e l y d e t e c t i o no fa b n o r m a le c gh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rp a t i e n t ss u c ha sg a i n i n gt i m ef o r e a r l yt r e a t m e n ta n dl i f e - s a v i n go p p o r t u n i t i e s t h i sp a p e rp r o p o s e dar e m o t ee c gr e a l t i m ed i s p l a ys y s t e mw h i c hb a s e do ns m a r t p h o n e i tm a i n l yu s e di nh u m a nt e s t i n ga n dh o l t e re c ga n a l y s i sf o rc l i n i c a l e x a m i n a t i o no fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，n o r m a lh e a r tf u n c t i o nc u s t o d ya n dh e a l t hc a r e ， d i a g n o s i so rt r e a t m e n tw h i c hc a l lb ew i d e l yu s e di nh o s p i t a l s ，p r e h o s p i t a lf i r s ta i d ， h o m ec a r e ，h e a l t hc a r ea n dm a n yo t h e rf i e l d s ，t h es y s t e mw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n t h eh e a r td i s e a s ep r e v e n t i o n ，d i a g n o s i s ，a n dt r e a t m e n t t h es y s t e mi su s e di nh u m a n r e a l t i m ee c gd e t e c t i o na n dh o l t e re c g a n a l y s i s i tm a i n l yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ： t h eb i o p a c sm p15 0 - t y p e16 - c h a n n e lr e c o r d i n gp h y s i o l o g i c a ls i g n a la n a l y s i ss y s t e m ， g p r sm o b i l ep h o n en e t w o r k sa n dm e d i c a lc a r e p h y s i o l o g i c a ls i g n a la n a l y s i ss y s t e m u s i n gf o rt h er e c o r d i n go fe c gd a t aa c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n g ，a n dm a k ea p r e l i m i n a r yj u d g e m e n t w h e nc o m e st oa b n o r m a le c g ，t h ea n a l y s i ss y s t e mt r a n s m i t s a b n o r m a ls i g n a ld a t aa u t o m a t i c a l l yt oad o c t o rv i ag p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k t h ed o c t o ru s e sas m a r t p h o n ew h o s ed i s p l a yp l a t f o r mi su s i n gj a v a t e c h n o l o g y - 一”j a v a2p l a t f o i t nm i c r oe d i t i o n ( j 2 m e ) ”t oc o n s t r u c te c g ，t oc h e c kt h e a b n o r m a le l e c t r o c a r d i o g r a mo nt h i sp l a t f o r me c g d i s p l a yp r o g r a m ，a n dt h e nt om a k e ap r e l i m i n a r yd i a g n o s i sa n dg u i d a n c ea c c o r d i n gt ot h ep a t i e n t sc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o n g - d i s t a n c ee c g d i s p l a ys y s t e mw h i c hb a s e do ns m a r t p h o n e s ，c a ns h o wt h ea b n o r m a le c gi nt i m ea n de f f i c i e n t l y a c h i e v e m e n to ft h e s y s t e mw i l lp r o v i d es t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r ta n ds e r v i c e sf o rt h ec h a n g eo ft h e b u s i n e s sm o d e lf o rt h eh o s p i t a l ，t h ed o c t o ra n dt h ep a t i e n tc a r em e a n st oe n h a n c ee a s e o ft r e a t m e n ta n ds o i tr e l e a s e st h ep a t i e n ta n dt h ea t t e n d i n gd o c t o rf r o mt h er e 百o n a l i l 西华大学硕士学位论文 r e s t r i c t i o n ，a n dg i v e sa s s i s t a n c et ot h er e m o t ed i a g n o s i sa n dt r e a t m e n ta n dr e a l i z e s r e m o t em o n i t o r i n g 、 k e yw o r d s ：a b n o r m a le c gd a t a ；m m s ；s m a r tp h o n e ；j 2 m e ；e c gd i s p l a y i i i 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题背景与意义1 1 2 国内外心电远程监护发展现状2 1 3 关键技术与实施方案3 1 4 论文主要内容4 2 心电数据的采集、智能分析与传输。6 2 1心电数据的采集6 2 1 1心电信号概述6 2 1 2 心电信号采集。9 2 1 3 心电信号的预处理l o 2 2心电数据智能分析1 0 2 2 1 自学习过程n 2 2 2o r s 波的实时检测1 1 2 2 3 报警与自动传输1 6 2 3 心电数据的远程传输18 2 3 1m m s 概j 态18 2 3 1 1m m s 的基本概念18 2 3 1 2 栅s 的特点。18 2 3 1 3m m s 技术的应用。j 19 2 3 2 心电数据的m m s 传输，1 9 2 4 本章小结：2 0 3j 2 m e 相关技术2 l 3 1 j 2 m e 简介2 l 3 1 1j 2 m e 体系结构2 1 3 1 。2j 2 m e 配置2 3 3 1 2 1 连接设备配置( c d c ) 2 3 i v 西华大学硕士学位论文 3 1 2 2 连接有限设备配置( c l d c ) 2 4 3 1 2 3c l d c 的类库一2 4 3 1 3j 2 m e 简表2 5 3 1 3 1m i d p 的覆盖范围2 6 3 1 3 2m i d p a pi 2 7 3 1 3 3m i d p 体系结构2 7 3 1 3 4m i d p 程序设计2 9 3 2 手机程序的开发31 3 2 1 手机m i d p 应用程序开发流程3 1 3 2 2j 2 m e 无线应用开发工具3l 3 3本章小结3 2 4 手机心电监护的实现3 3 4 1 远程心电显示系统总体设计3 3 4 2 手机心电显示程序的设计3 3 4 2 1 心电显示界面设计j 3 4 4 2 2 心电数据库程序设计3 5 4 2 3 按键动作3 7 4 3手机心电运行结果j 3 8 ， 4 4本章小结3 9 5 总结与展望4 0 5 1 总结4 0 5 2展望，4 0 参考文献4 2 附录a 心电显示程序4 4 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 l 致谢5 2 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景与意义 进入2 1 世纪后，人类从工业时代迈向了信息时代，生活水平稳步提高，工作节奏 也日趋加快，心血管疾病的发病数也与日俱增。根据我国卫生部2 0 0 5 年卫生统计资料 年鉴显示，在我国市县范围内，死于心脏病的人数仅次子肿瘤和脑血管病。心脏病已成 为严重威胁人类健康和生命的三大疾病之一n 1 。而心脏病具有病情隐蔽、发作突然、病 发危险性高等特点，对先天性心脏病患者、尤其是中老年患者的危害性极大。据世界卫 生组织估计，到2 0 2 0 年左右，我国和其他发展中国家，将会迎来心脏病的发病顶峰。 随着世界各国人口的老龄化，对中老年人的心脏保健也越来越重要，基于这类需求，如 果专业的心电医疗产品能够平民化，其市场价值和发展潜力将会非常巨大。 为了有效的预防与治疗心脏病，一系列的手段孕育而生，心电图就是其中之一瞄1 。 心电图异常的出现频率和复杂形式是猝死或急性心脏事件独立的预测指示。实时监测心 电图，能够发现常规心电图不易发现的心率失常和心肌缺血等病症，是临床分析病情、 确诊和判断疗效的重要依据，而且它还可以为心血管疾病的诊断提供重要依据。及时发 现心电变化异常，赢得早期救治时间和挽救生命的机会，对心血管疾病患者来说具有重 要意义。 ， 医生通过心电图，可以了解患者在正常生活、工作及活动时的心电变化并加以分析， 从而获得潜在的早期心脏疾病信息，以便对患者对症下药。随着通信技术和计算机技术 的发展，新型的心电监护设备应运而生。目前市场上主流的心电监护设备有心电h o lt e r ， 心电b p 机和心电实时监护系统。虽然它们各自都抢占了部分市场，但都存在着不足之 处。心电h o l t e r 通常用于早搏患者，它只能记录心电信号，没有实时分析功能，也不 进行远程监控，患者每天使用后，必须到医院通过专用设备读取、回放、分析h o l t e r 中的数据。心电b p 机相对h o l t e r 具有实时监测功能，但它需要患者参与，整个过程步 骤多且复杂，不具备自动监测功能，不适合心脏病患者操作。心电实时监护系统虽然解 决了心电信号的实时自动监测问题，但其不具备移动性，某些偶发的心电异常波形很难 在病床上发现，其应用范围和推广都受到很大限制瞄1 。 与此同时，随着通信、电子、医学及计算机技术的迅猛发展，电子产品集成度的不 断提高，可实时监测心电数据已经成为了一种可能p 3 。本文所设计的手机心电远程监护 系统主要用于人体心电实时监护和动态心电分析，适用于心脏疾病的检查、监护和平时 心脏功能保健，可广泛用于医院诊断治疗、院前急救、家庭监护、健康保健等众多领域， 在心脏疾病的预防、诊断、治疗中将发挥重要作用。该系统的实现将为医院经营模式的 改变、医生监护手段的提升以及病人诊疗的方便性等方面提供有力的技术支持与服务。 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 1 2 国内外心电远程监护发展现状 远程心电监护是远程医疗的一部分，是近几年才发展起来的生物医学工程学科的一 个分支。随着计算机网络和通讯技术的发展，医院为患者提供远程心脏保健服务已成为 可能。近年来国内外已广泛开展远程心电信号通信与监护诊断方面的研究。目前在心电 监测方面使用最广泛的设备就是动态心电记录仪，俗称h o l t e r 。目前市场上主流的心电 监护设备有心电h o l t e r ，心电b p 机和心电实时监护系统。虽然它们都抢占了部分市场， 但都存在着不足之处。心电h o l t e r 通常用于早搏患者，它只能记录心电信号，没有实 时分析功能，也不进行远程监控，患者每天使用后，必须到医院通过专用设备读取、回 放、分析h o l t e r 中的数据。心电b p 机相对h o l t e r 具有实时监测功能，但它需要患者 参与，整个过程步骤多且复杂，不具备自动监测功能，不适合心脏病患者操作h 1 。心电 实时监护系统虽然解决了心电信号的实时自动监测问题，但其不具备移动性，某些偶发 的心电异常波形很难在病床上发现，其应用范围和推广都受到很大限制拍。 国内外研究人员也对心电图的远程传输技术进行了系统的研究。起初使用无线电传 输方式通过无线电波将心电数据发送到医院的接收中心。但该方法受无线电传输距离的 限制，患者只能在有限的范围内活动，不适用于心脏病患者的家庭监护。近年来随着电 话的普及应用又推出了心电图的电话远程传输技术，它有2 种方式，即声耦合的调频f m 模拟传输方式和调制解调器m o d e m 的数字通信方式。声耦合的调频( f m ) 模拟传输方式具 有方便灵活的特点，可用固定电话和手机来传输心电波形，但存在易受外界干扰、波形 失真、传输时间长的缺陷；而调制解调器m o d e m 的数字通信方式数据传输可靠性高、抗 干扰能力强，但外置式( m o d e m ) 存在着体积大和携带不便的问题，同时该方式只适用于 有固定电话的场合，不能满足心电数据随时随地发送的要求婚1 。 目前远程心电监护系统正朝着监护终端智能化和心电数据传输无线化方向发展。所 谓智能化就是在监护终端加入自动诊断功能，避免监护终端和监护中心的无限制通讯。 在心电数据传输无线化方面主要有两个研究方向：即通过卫星和g p r s 无线电通信网络传 输心电数据。目前，德国有公司正在设计通过卫星传输心电数据的监护系统，但这种方 式通讯费用太高，不符合我国国情。所以在我国，在心电数据无线传输方面的研究方向 主要集中在g p r s 无线通讯上。 随着手机制造技术及移动通信网络的发展，手机心电远程监护已经成为一种可能。 纵观国内外心电远程监护技术的发展，其历程可以总结为以下几个阶段： 第一阶段1 9 0 1 - 1 9 6 0 年心电远程监护创建阶段； 从1 9 0 1 年e i n t h o v e n 心电图发明的试验研究到临床过渡阶段。 第二阶段是1 9 6 1 1 9 8 8 年，为心脏起搏器的心电遥测监护阶段； 主要用于远离大陆的海岛诊所和大陆医院的心电图会诊，以及心脏起搏器安装后的 2 西华大学硕士学位论文 心电监护 第三阶段1 9 8 8 - 2 0 0 2 年，是电话远程传送心电图临床推广和普及阶段； 中国欧美及日本各国，使用电话传送心电图进行心电远程监护取的可喜的监护效果， 从临床急救监护发展到家庭个人保健监护。 第四阶段是2 0 0 2 年至今，为手机心脏远程监护的发展阶段； 2 0 0 2 年9 月2 5 日中国哈尔滨工程大学科技处及赵国强申请“用手机传输数字信息 的动态电图监护系统”专利；专利号为：c n 0 2 2 5 9 7 3 1 x 。 2 0 0 3 年1 月3 0 日中国上海顾菊康和金登男二人申请“手机移动电话进行心电监护 装置 专利。专利号为z l 0 3 2 2 8 6 4 0 6 。 2 0 0 4 年西班牙安达罗西牙地区研制出具有g p s 功能的远程心电监护系统。 2 0 0 5 年6 月1 0 日中国山东大学齐鲁医院心脏远程监护中心，正式建立亚洲第一家 g p r s 无线通讯网络机构( 医院外心脏远程监护系统) 。 2 0 0 6 年3 月中国中卫莱康公司举行新闻发布会，介绍该公司的l c - e i o i g 型远程心 电监护仪，与中国移动通讯公司联合建立全球性心电监护网络。 2 0 0 6 年中国重庆视听达电子产品有限公司研制成功“移动心电监护系统。 2 0 0 6 年9 月意大利对1 5 位心脏病患者使用具有蓝牙发射技术的心电监护智能衬衫。 2 0 0 6 年苏州吉量医疗器械有限公司研制出j l e c g m s l 型五导联同步蓝牙技术的手持 式远程心电监护系统。与掌上电脑和p c 机匹配使用，让心电监护走出医院，进入社会， 服务个人。 2 0 0 7 年中国上海复旦大学生物医学工程研究所方祖祥等研究成功2 4 小时接受“心 电远程虚拟监护病房。 2 0 0 7 年墨尔本澳大利亚理工大学生物医学工程研究室研制成功手机心电远程监护 装置。 2 0 0 7 年1 2 月中国中卫莱康公司研制成功并批量生产心电远程监护手机。 1 3 关键技术与实施方案 本文设计的基于智能手机的心电远程监护系统主要由三个部分组成：美国b i o p a c 公司m p l 5 0 型1 6 通道生理信号记录分析系统、g p r s 通信网络和医生监护手机。生理信 号记录分析系统完成心电数据的采集与预处理，然后进行初步判决，检测到异常心电信 号后，分析系统就自动报警并将异常信号数据通过g p r s 移动通信网络传输给医生，医 生运行自己手机上的心电显示程序来查看病人的心电，并根据病人的情况做出初步的诊 断与指导。要顺利实现本系统必须做好以下几方面的设计工作哺1 ： ( 1 ) 心电信号的干扰问题 有效的解决心电信号的干扰问题是本系统成功的一个关键。如果最终的心电数据仍 3 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 然存在较大的干扰就可能使系统产生错误的动作，只有干净的心电数据才是整个系统工 作的基础。人体除了产生心电信号以外还会产生脑电信号、肌电信号等。特别是人在运 动状态下肌电信号特别强烈，会对心电信号产生比较大的干扰。另外由市电所产生的 5 0 h z 工频干扰也是不可忽视的。要解决这些问题就要设计出有效的滤波电路，包括低通 滤波电路、高通滤波电路、陷波器等。其中低通滤波器滤除心电信号中的高频干扰：高 通滤波器滤除心电信号中的低频干扰；陷波器则用来剔除心电信号中的市电和肌电干 扰。 ( 2 ) 心电信号的智能分析 目前专业的心电分析软件多为从国外进口，我们只有运行程序但没有源代码，而且 专业的心电分析软件源代码量很大，不适合直接嵌入到便携式设备中。心电图虽然已有 1 0 0 多年的历史，但至今仍有不少病症还没有建立起与心电图的确切关系，不能通过心 电分析程序确诊，必须通过医师的经验来判断。因此，在这种情况下即使在监护终端嵌 入当前最先进的心电分析软件，病人病情的确诊仍然需要医师的参与。简化的心电分析 程序虽然不能对病情进行确诊，但可以判断当前心电活动是否正常，这样就可以实现心 电数据的“异常才通讯”，从而节约大量的通讯费用并有效降低系统平均功耗。 ( 3 ) 心电信号的无线传输 。本系统的心电监护系统虽然嵌入了心电分析程序，但该程序只能对当前的心电活动 作初步的分析，不能得出确切的诊断结果。因此，有必要将异常的心电数据发送给主任 医生进行确诊。心电采集设备进行远程数据传输时，无线通讯方式是最理想的选择。目 前移动通信网络已经在全国覆盖，成熟的移动通信技术，使系统的开发难度相对降低。 ( 4 ) 病人心电在医生手机上的显示 该部分是本文的创新之处，也是本系统的核心部分。随着智能手机的出现以及通信 网络的发展，在手机上显示心电图将成为可能。病人通过移动网络将异常心电数据发送 给医生，医生通过调用这些数据，运行手机里的心电显示程序来查看病人的异常心电， 然后做出诊断与指导。这种技术的成功应用，将解放病人和医生的活动范围，开辟远程 心电监护的新局面。 1 4 论文主要内容 本文的主要内容如下：第一章简单介绍了远程心电监护系统的研究背景、意义及国 内外发展现状等。第二章介绍了心电数据的采集与智能分析与传输，本章将着重介绍心 电数据的消噪及智能分析部分，只有这样才可以实现心电数据的“异常才通讯 ，从而 节约大量的通讯费用并有效降低系统功耗。第三章主要介绍了j 2 m e 的相关技术，它包 括了j 2 m e 体系结构、配置及手机程序的开发等相关知识。第四章是本文的重点，主要 介绍手机心电监护软件的设计与实现，它包括心电显示程序界面的设计，心电数据记录 4 西华大学硕士学位论文 存储区的管理( 打开、关闭及删除) ，心电数据的查询与调用，心电图的显示、放大及 移动等。第五章总结本文的工作，展望课题进一步的研究方向。 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 2 心电数据的采集、智能分析与传输 2 1心电数据的采集 2 1 1心电信号概述 心脏是循环系统中的重要器官。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张运 动，血液才能在封闭的循环系统中不停地流动。心脏在机械性收缩之前，首先产 生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同 部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电极并分别用导线连接到心电图机， 心电图机就会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成 一条连续的曲线，这就是心电图( 简称e c g ) 四1 。 心电信号是人体最重要的生物电信号之一。正常的人体心电信号呈现为规律 性和特征性的心电信息曲线和图形，如图2 1 所示。当人体心脏有器质性病变和 功能性改变时，就有可能在心电信号上产生某些特征性变化，这种特征性变化就 提供了临床医师诊治的参考依据。 图2 1正常人的心电图 f i g 2 1 n o r m a le l e c t r o c a r d i o g r a m 下面介绍几个心电图常用名词n 们： 1 、心电向量：心电活动不论是左、右心房( p 波) ，或是代表启动心室搏动 的心电活动( q r s 波群) ，都是既有方向，又有大小( 量) 的心电活动，就称为心电 向量。它反映在各导联上也不尽相同，这是由于各导联( 无论是额面或横面导联) 的角度不同。换句话说，我们为什么要在三个标准导联以外，在额面上还要三个 加压肢体导联，此外还要做六个胸壁导联? 原因就在于可以自不同角度了解心电 活动上下，左右，前后的综合心电向量，从而观察其正常与否等等。 6 西华大学硕士学位论文 2 、除极：心房、心室肌在静止的间歇中，由于细胞内外离子( 包括k + ，n a + ， c 口+ ，a 一等) 浓度差别很大，处于 极化状态。但一旦受到自搏细胞传来的激 动，这极化状态便暂时瓦解，在心电图上称为“除极 ( 有少数学者称为“去 极”) ，由此产生心电活动。心房肌的除极在心电图上表现为p 波，心室肌的除 极表现为q r s 波群。当然在一次除极后，心肌又会恢复原来的极化状态，此过程 称为“复极 。复极过程远较除极缓慢，电活动所产生的振幅也较低。心房的复 极在p _ r 段上，一般很不明显( 唯有在右心房扩大时，p _ r 段轻度压低) 。心室 肌复极则表现为心电图上的s t 段及t 波。 3 、心电向量环：两侧心房，两侧心室的除极及心室的复极，这三项心电活 动在胸腔内形成三个立体向量环。将平行的光线从正前方把这些立体向量环投影 在额面上，便形成额面心电向量环。同样，将平行光线从正上方把这些立体向量 环投影在横面上，便形成横面心电向量环。 4 、偶联间期( 或称联律间期，联律间距) ：在一连串窦性激动p 川r s _ t 后， 出现一个室性早搏。早搏前的q r s 波群的开始点与室性早搏的开始点之间的时 间，称为偶联时间。连续两个房性早搏，它们的p _ p 时间距离也称为“偶联间 期”。 心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方 面，具有重要的参考价值。心电图可以分析与鉴别各种心律失常；也可以反映心 肌受损的程度和发展过程和心房、心室的功能结构情况。在指导心脏手术进行及 指示必要的药物处理上有参考价值。然而，心电图并非检查心脏功能状态必不可 少的指标。因为有时貌似正常的心电图不一定证明心功能正常；相反，心肌的损 伤和功能的缺陷并不总能显示出心电图的任何变化。所以心电图的检查必须结合 多种指标和临床资料，进行全面综合分析，才能对心脏的功能结构做出正确的判 断。 心电图可分为普通心电图、2 4 小时动态心电图、束电图、食管导联心电图、 人工心脏起搏心电图等，目前应用最广泛的是普通心电图和2 4 小时动态心电图 【l i 】 o 普通心电图应用范围如下： l 、对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值。 2 、对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，而且 还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程。 3 、对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断有较 大的帮助。 4 、能够帮助了解某些药物( 如洋地黄、奎尼丁) 和电解质紊乱对心肌的作 用。 7 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 5 、心电图作为一种电信息的时间标志，常为心音图、超声心动图、阻抗血 流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究同步描纪，以利于确定时间。 6 、心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监 测以及危重病人的抢救。 心电图机轻松方便，可随身携带上门服务，心电图阅读分析可通过远程操作， 大大方便了远在各个角落的心脏疾患病人，只要拥有心电图远程系统联络方式， 养病在家的心脏病人随时可以得到心电图工作者及时准确的指导，以便更好地预 防和治疗心脏疾病。 心电图反映了心脏兴奋( 除极) 的产生，传导和恢复过程中的生物电变化n 羽。 心电图波形如图2 2 所示。 图2 2 q r s 波形 f i g 2 2q r sw a v es h a p e p 波：心脏的兴奋发源于窦房结，最先传至心房，故心电图各波中最先出 现的是代表左右两心房兴奋过程的p 波。兴奋在向两心房传播过程中，其心电去 极化的综合向量先指向左下肢，然后逐渐转向左上肢。如将各瞬间心房去极的综 合向量连结起来，便形成一个代表心房去极的空间向量环，简称p 环。p 环在各 导联轴上的投影即得出各导联上不同的p 波。p 波形小而圆钝，随各导联而稍有 不同。p 波的宽度一般不超过0 1 1 秒，电压( 高度) 不超过o 2 5 毫伏，p 波的 振幅和宽度超过上述范围即为异常，常表示心房肥大。 t a 波：方向与p 波相反，波幅很低，约为0 0 5 - 0 1 m v ，持续时间为0 2 2 - 0 2 6 s 。经常被q r s 波所掩盖而无法看到。在心电图里看到t a 波，常表示房室分 离或高度房室传导阻滞。 p r 段：是从p 波终点到o r s 波起点之间的曲线，通常与基线同一水平。p r 段由电活动经房室交界传向心室所产生的电位变化极弱，在体表难于记录出。 西华大学硕士学位论文 p r 间期：是从p 波起点到q r s 波群起点的时间距离，代表心房开始兴奋 到心室开始兴奋所需的时间，一般成人约为0 1 2 - - 一0 2 0 秒，d , j l 稍短。p - r 间 期延长，表示激动通过房室交界区的时间延长，说明有房室传导障碍，常见于房 室传导阻滞。 q r s 复合波：代表两个心室兴奋传播过程的电位变化。由窦房结发生的兴 奋波经传导系统首先到达室间隔的左侧面，以后按一定路线和方向，并由内层向 外层依次传播。随着心室各部位先后去极化形成多个瞬间综合心电向量，在额面 的导联轴上的投影，便是心电图肢体导联的q r s 复合波。典型的q r s 复合波包括 三个相连的波动。第一个向下的波为q 波，继q 波后一个狭高向上的波为r 波， 与r 波相连接的又一个向下的波为s 波。由于这三个波紧密相连且总时间不超过 o 1 0 秒，故合称q r s 复合波。q r s 复合波所占时间代表心室肌兴奋传播所需时间， 正常人在0 0 6 - - - , 0 1 0 s 之间，儿童为0 0 4 - 一0 0 8 s 。q r s 波群时间延长，常表示 心室肥大、心室内传导阻滞等。 s t 段：由q r s 波群结束到t 波开始的平线，反映心室各部均在兴奋而各部 处于去极化状态，故无电位差。正常时接近于等电位线，向下偏移不应超过 0 0 5 m v ，向上偏移在肢体导联不超过0 1 m v ，在单极心前导程中v 1 ，v 2 ，v 3 中 可达o 2 o 3 m v iv 4 ，v 5 导联中很少高于0 1 m v 。任何正常心前导联中，s t 段 下降不应低于0 0 5 m v 。偏高或降低超出上述范围，表示急性心肌梗塞、急性心 包炎等便属异常心电图。 t 波：是继q r s 波群后的一个波幅较低而波宽较长的电波，反映心室兴奋后 再极化过程。心室再极化的顺序与去极化过程相反，它缓慢地从外层向内层进行， 在外层已去极化部分的负电位首先恢复到静息时的正电位，使外层为正，内层为 负，因此与去极化时向量的方向基本相同。连接心室复极各瞬间向量所形成的轨 迹，就是心室再极化心电向量环，简称t 环。t 环的投影即为t 波。再极化过程 同心肌代谢有关，因而较去极化过程缓慢，占时较长。t 波与s t 段同样具有 重要的诊断意义。t 波：是一个波形圆钝、占时较长( 0 0 5 - 0 2 5 s ) 的波，t 波的幅 度不应低于r 波的1 1 0 ，t 波低平或倒置，常表示心肌缺血、低血钾等。 u 波：在t 波后0 0 2 - - 一0 0 4 s 出现宽而低的波，波高多在0 0 5 m y 以下，波 宽约0 2 0 s 。一般认为可能由心舒张时各部产生的负后电位形成，也有人认为是 浦肯野氏纤维再极化的结果。血钾不足，甲状腺功能亢进和强心药洋地黄等都会 使u 波加大。 2 1 2 心电信号采集 使用美国b i o p a c 公司m p l 5 0 型1 6 通道生理信号记录分析系统采集心电数 据。心电信号采集需要使用e c g i o o c 放大器，人体实验需要l e a d l1 0 屏蔽导线2 根、l e a d l 0 0 非屏蔽导线1 根和一次性贴片电极3 个。 9 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究 人体实验时，放大器增益设置在5 0 0 ，高通滤波器设置在0 5 h z ，低通滤波 器设置在3 5 h z 。2 根屏蔽电极的s h i e l d 连接在放大器的s h i e l d 上。 电极连接方法：v i n + 连接左下肢，v i n - 连接右上肢，g n d 连接右下肢。 粘贴人用的一次性贴片电极前，建议先用酒精和生理盐水擦拭