英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

便携式可穿戴远程心电监控系统

摘要:本文介绍了一种新型的可穿戴心电心率监测系统，该系统采用可伸缩汗衫结构，包括纺织电极(TEs)、纺织螺纹、扣件、尼龙搭扣、海绵和心电电路。此外，系统还增加了蓝牙低功耗(BLE)技术、智能手机、服务器和web页面进行远程监控。纺织电极可以用尼龙搭扣连接在汗衫上，也可以用尼龙搭扣从汗衫上取下，这样用户就可以方便地干洗纺织电极，以便长期使用。本文设计了一种新的基于动态心电图技术的心电系统，与基于纺织电极的心电系统进行了（对比）评价，得到了记录的心电信号之间的平均相关性为99.23%。滤波后的数字信号通过低功耗蓝牙传输至智能手机，其信噪比高达45.62dB。将心电信号作图，计算出心率的平均绝对百分误差为1.83%，并显示出来。数据被发送到服务器，让病人的医生通过网页或智能手机实时分析这些信号。如果心率超出了正常范围，或者用户按下智能手机屏幕上的“帮助”按钮，医生就会通过短信息服务(SMS)自动获得患者地理位置。该系统的电池可使用约14天，当需要更换电池时，系统会通过短信和闪烁的LED灯自动提醒用户。这种快速、不间断的远程监护系统很有可能通过提供心理安慰来改善患者的生活质量。

索引词：蓝牙低功耗(BLE)，远程心电监测，医疗，物联网(IoT)，远程医疗，穿戴式监控系统，穿戴式传感器

1、介绍

随着世界人口的增长和慢性病的增加，人们对医院的病人护理需求也在增加。根据2015年的死亡统计，全世界有1770万人死于心血管疾病。这一数字相当于总死亡人数的31%^[1]。（测量）仪器和测量（技术）(I and M)是诊断各种疾病的关键^[2]。心电测量对有心脏问题的病人的检查和监护是非常重要的。在传统的心电测量系统中，Ag/AgCl电极附着在人体，有利于在电极-皮肤界面形成凝胶，用于信号采集，获得一定的心电导联。但是导电凝胶可能是有毒的，会引起皮肤过敏^[3][4]，并且Ag/AgCl电极也可能会引起皮肤的过敏反应^[5]。尽管它们最初的电导很高，但经过长时间的使用，Ag/AgCl电极失去了粘附性，将导致信号丢失，并且需要更换。因此，使用Ag/AgCl电极进行长时间的患者监测是不合适的。作为替代，干金属电极已被使用^[6][7]，一些研究探索出纺织电极(TE)对患者的正常生活方式^[8]-[12]有最小的影响。纺织电极还具有高接触电导率，这是一个可靠的心电图采集^[13][14]必不可少的一环。纺织电极可用于采集心电图(ECG)、脑电图(EEG)和肌电图(EMG)信号，其可靠性已被证明与Ag/AgCl电极相当^[15]。在正常情况下，心电监护仪基于纺织电极的电导相当于Ag/AgCl的电导。由于汗液的电解特性，潮湿的环境对基于TE的监测仪是有利而不是有害的。电解质包括分子和离子。因此，它增加了（纺织电极的） ^[16][17]导电性。

非接触式心电传感器为非医院环境下的心电监护提供了方便^[18]。不同的心电测量系统已被报道，包括可以固定在椅子^[19]，床^[8]或可适用于衣服^[20]-[22]的系统。Nemati等人^[3]演示了一种无线心电监测系统，该系统由一条延伸在T恤内的皮带和三个电容型电极组成，心电测量（结果）被传输到一台PC机，这要求用户拥有一台PC机。然而，一旦这个提议的系统被认可，患者可以使用他们现有的手机来监测生命体征。Mahmud等人^[6]使用安装在手机外壳中的两个电位集成电路传感器采集心电信号，并使用Rduino微控制器通过蓝牙低功耗(BLE)技术传输信号，并将心电信号显示在手机上。他们还使用智能手机的内存来保存心电图数据，但由于数据存储有限，不适合多人用途。在本文中，实现了本地内存和服务器（协同工作），允许多个病人的随访，而不限制数据存储。Chamadiya等人^[8]使用安装在担架、轮椅和病床上的电极进行心电图测量。他们将传统的Ag/AgCl电极和纺织电极安装在相同的测量装置上，比较两种类型电极的测量结果，结果表明：两种电极的测量结果没有差异。在他们的工作中，患者必须在测量系统指示的仰卧位上保持稳定，或者必须靠在椅背上与电极保持接触，这限制了患者的运动。另一方面，在本文中，患者不需要靠在任何东西上或与任何东西保持接触，因此有利于在正常的运动和生活条件下获得心电图。

Pani等人^[23]得出结论:ECG设备作为可穿戴设备，无论使用干式或湿式TE，对患者均无任何不适。本文也使用TE。对于远程监控，智能手机、物联网服务器和web接口实现了系统。为了监测心电图，Yoo等人^[24]开发了一种24小时数据采集系统，其中包括一件使用TE的智能连衣裙。然而，他们仅报道了心电信号而没有计算心率(HR)或患者的地理位置。Lamonaca等人^[25]为智能手机配备了新的传感器，并使用智能手机上现有的传感器来测量患者的身体姿势、下落、心率、血氧饱和度、眼部疾病和呼吸系统。他们的系统没有可穿戴的部分，心率是使用捕获的面部图像计算得到的，在即时心率测量^[25]的情况下为用户提供了额外的好处。然而，如果心率必须连续测量，本文提出的系统将是首选，因为该系统能实时连续测量心电和心率。Pandian等人^[26]使用放置在背心上的电极测量无创生理参数并保存心电图数据。他们还显示了血管容积图、体温、血压、皮肤电反应和心率^[26]。他们在电路中使用无线模块和GPS模块来传输数据，而不需要智能手机或低功耗蓝牙。结果，他们的系统消耗了更多的电能，并且他们报告说，他们的系统运行的时间限制为4.5小时，这不是最佳的。然而，本文提出的系统可以连续运行约335小时(14天)。（我们）发现使用智能手机取代没有GPS的设备更有用^[27]。Arteaga-Falconi等人^[28]利用智能手机的优势，利用测量到的心电信号开发了一种移动生物认证。这可以与可穿戴心电监测系统相结合。为了解决能量消耗问题，Luo等人^[29]提出了一种ECG压缩过程，该过程可以降低数据传输（速率需求）和功耗。他们把数据传送到装有无线模块的计算机上。用户需要使用计算机进行初始设置。然而，一旦选择了提议的系统，用户就不需要计算机了。他们可以很容易地使用现有的智能手机与开发的定制应用程序。Dionisi等人^[30]提出将一种灵活的太阳能电池板用于他们的可穿戴监测系统。该系统减轻了电力消耗和频繁更换电池的问题，给用户提供了方便。然而，由于它需要日光来运行，因此在晚上或午夜，系统将停止工作。在本文中，所演示的系统不受日光干扰，能够长时间连续运行。在未来，可以开发一种由太阳能电池板和电池组成的混合系统。

本文设计了一种由纺织电极（TE）、尼龙搭扣、纺织线、扣件、海绵和ECG前端组成的新颖架构的穿戴式远程心电监护系统，在监测用户心电的同时，让用户在舒适的日常生活中保持更好的卫生。在以前的研究中，TE通常被缝在T恤或皮带^[9]、[13]上。在这种情况下，因为TE需要干洗，因此清洗很不容易。此外，必须为不同的体重的人将TE缝到不同大小的衣服中。另一方面，本文设计的新颖架构是为了实现使用TEs获取高质量的心电信号，TE可以通过尼龙搭扣方便地附着、转移或从任何不同尺寸的衣服上取下。它可以很容易地进行干洗，而且它的位置可以在人体上进行调整。此外，由于心电信号是由纺织线传送的，所以系统上没有电缆。所附的扣件接收来自纺织线的心电信号，并将其传输到电子心电电路。所开发的ECG I和M系统测量心电信号，检测心率，同时在手机和网页上对其进行监控，并将信号记录在手机内存(如有必要)和自定制服务器中。本文设计出ECG前端电路并将其与CC2650MODA集成。CC2650MODA是一个32位ARM Cortex-M3-M0微控制器(MCU)，在工业、科学和医学波段，利用BLE通过无线电链路传输数据。电子卡的原型已被封装在一个用3d打印机制作的盒子里。电路卡和三个纺织电极已安装在可拉伸的汗衫内。TE接收到的模拟信号经过前端电路放大和滤波，然后通过MCU中的数字滤波器(DF)进行数字化和进一步滤波，最后通过BLE发送到智能手机上。除了能在医生的智能手机屏幕上查看患者的心电信号和心率之外，数据还会重新传输到服务器。此外，医生可以在受试者达到紧急心率水平时收到自动警报，或受试者通过按一个专门的“帮助”按钮立即得到关注，这可以为患者提供更快的医疗服务。医疗专家可以查看病人的心电图、心率、病史和位置信息。为了评估心电图，我们还设计了一种基于动态心电图（holter）技术的新型心电图系统，并记录了基于TE和holter系统的数据。两种心电图信号的平均相关系数为99.23%，基于TE的系统最大信噪比为45.62dB。为了评价心率，本文所设计的系统和指尖脉搏血氧仪测量了相同条件下的心率值，它们的最小平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分误差(MAPE)分别为1.1%和1.83%。

合并新技术为本文提供了一些新颖之处，因为易于清洗的纺织电极和蓝牙低功耗使用比Ag/AgCL电极和蓝牙/电缆使用更新颖。本文研究的电池续航时间接近14天，这是另一个新奇之处。具有计算心率值、手动“帮助”请求（按键）和电池更换警报的自动紧急警报为系统提供了新颖的功能，旨在增强用户体验感。更新奇的是，医生可以控制这个系统，（例如：）可以添加或删除新患者，实时跟踪生命体征和位置信息，将患者的病史添加到服务器上，并通过智能手机或web界面持续观察。评价结果表明，所开发的系统对心脏病患者及其医生都有一定的实用价值。

2、系统概述

拟议的系统流程图如图1所示。该系统可以同时测量多个患者。在患者方面，所开发的远程监护系统主要由以下四个部分组成。

1)内衣裤，3个纺织电极，一个模拟心电图前端，一个带板载无线电发射机的单片机。

2)用户智能手机，通过BLE接收患者数据并将其转发到远程物联网服务器。

3)一个物联网服务器，存储心电图数据，并将其传输到医生的智能手机或专门设计的网络接口。

4)医生远程查看患者心电信号和心率的用户界面，通过web界面和手机界面将患者添加到数据库或从中删除。

图1 拟议系统的各阶段

3、系统硬件设计

A、心电图前端电路设计

该可穿戴心电设备包含一个CR2450(620毫安，3.0 V)硬币电池，用于在日常生活中测量和实时传输心电信号。放大后的模拟滤波阶段主要有三个问题:运动伪影和相关的基线漂移(BD)补偿、50Hz电源线抑制、模数转换器(ADC)前的抗混叠滤波(AAF)。一个五阶带通滤波器(BPF)由级联的三个滤波阶段组成，在这些滤波问题上提供了稳定的性能。通过增加模拟滤波器的阶数可以获得更高的性能。然而，这将需要额外的有源滤波器，并将增加电路的物理尺寸以及电池的功率需求。因此，滤波性能得到了数字滤波器（DF）的补充。在这一点上，在模拟和数字滤波器之间有一个权衡。较少的模拟滤波意味着更高阶的数字滤波和单片机更大的计算量。

图2所示为设计的ECG前端电路，与CC2650MODA MCU相连。ADC输入范围为0-3v，而ECG信号范围为-1.5- 1.5V。为了保证心电信号符合ADC输入范围，由 3-V电池电压产生虚拟地(VG)作为模拟地。由R7、R8和单位增益缓冲器U2A组成的电阻分压器在输出端(标记为VG)相对于电池的负极产生 1.5 V的电压，并作为信号源。

心电模拟信号由仪表放大器(IA)和三个运算放大器(OAs)处理。本单元在本项目中有以下五个用途。

1）相对电极有很高的阻抗。

2)为模拟信号生成VG。

3)放大微弱的心电信号。

4)减少了ECG信号中的基准漂移和噪声。

5)在采样和ADC操作前充当AAF。

本文选用了数据表中AD8237型仪表放大器及其样例ECG电路。一个AAF和额外的增益已经添加到样本电路。设计的心电前端的总中频带增益为60dB。在跨导放大器增益非常大的情况下，负反馈会迫使跨导放大器的输入变得几乎相等，即。根据， IA对差分输入(V_D)和参考引脚电压（V_REF）产生输出V_A(s)。因此，与传统的IA不同的是，反馈到REF引脚以消除差分输入中的直流偏移不需要摆动到电源轨道;REF引脚减去相同数量的直流偏移，以去除心电图信号中的BD，这是使用AD8237的另一个优点。利用这些关系，推导出图2所示的节点频响。IA的电压增益为。另一方面，积分器的输出V_REF(s)表示为。

结合V_A (s)、V_REF(s)、A(s)，得到以下方程式:

（1）

这一阶段之后是一个额外的增益阶段和滤波器，增加了20dB的总增益，并进一步衰减了125Hz的心电信号。增益级为具有增益功能的单极非逆变运算放大器 (AD8609) ：

最后一个阶段是带有传递函数的Sallen-Key结构的 AAF：

omega;₀² = (R₅C₅R₆C₆)^minus;1是固有频率的平方。将(1)-(3)相乘，将(4)的分量值代入得到ECG前端电路的整体传递函数，如本页底部所示。

（2）

（3）<!--

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239744]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word