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摘 要： 主要介紹了一種基于心電圖采樣模塊與智能手機的心電圖服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計方法。 首先給出了系統(tǒng)的基本框架， 然后重點給出了具有藍(lán)牙接口的心電圖機設(shè)計方案以及手機終端軟件設(shè)計方法， 其中采用專用的心電圖模塊AIKD812-256 與藍(lán)牙模塊HC-06 設(shè)計心電圖機， 采用J2ME 平臺編程實現(xiàn)藍(lán)牙通信、心電數(shù)據(jù)存儲、心電數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器的功能， 并對實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵代碼進(jìn)行分析， 最后給出了心電圖機運行的測試結(jié)果。 測試結(jié)果表明本文設(shè)計的心電圖機可用于遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)。
近幾年來， 心腦血管疾病成為了危及人類健康的主要疾病之一。 心電信號是進(jìn)行病理診斷的依據(jù)， 現(xiàn)有心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括2 種： （1）記錄病人心電數(shù)據(jù)的Holter 系統(tǒng)； （2）病房的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 前者攜帶方便， 但不能進(jìn)行實時診斷； 后者可以用于診斷， 但只能在醫(yī)院使用。
隨著人們生活節(jié)奏的加快， 需要一種攜帶方便， 又能實時供醫(yī)生診斷的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 如文獻(xiàn)［2，3］分別介紹了一種基于智能手機的心電實時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由測量節(jié)點、智能手機節(jié)點和監(jiān)護(hù)中心端組成，智能手機節(jié)點通過藍(lán)牙實時接收由心電采集節(jié)點傳來的心電數(shù)據(jù)， 并將監(jiān)護(hù)情況通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心， 但均未給出具有藍(lán)牙功能心電圖機節(jié)點的設(shè)計方法。 文獻(xiàn)［4］提出了一種基于ZigBee 的多功能心電信號的測量方法， 可用于連接計算機系統(tǒng)實現(xiàn)病人長期監(jiān)測。 文獻(xiàn)［5］中提出了一個基于Linux 的12 導(dǎo)聯(lián)心電信號便攜式監(jiān)測系統(tǒng)， 具有交互式液晶觸摸功能，可用于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。
本文以AIKD812-256 心電圖采樣模塊與智能手機為核心設(shè)計一種具有藍(lán)牙通信接口的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 該心電圖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將心電圖機采集到的心電數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙接口傳輸至手機， 手機可以實時存儲心電數(shù)據(jù)， 并能根據(jù)需要將心電數(shù)據(jù)通過GPRS/3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至醫(yī)療中心服務(wù)器， 供專業(yè)人員診斷。 文章安排如下： 第1 部分給出具有藍(lán)牙接口的心電圖機設(shè)計方案；第2 部分為手機軟件設(shè)計方法， 包括藍(lán)牙通信、心電數(shù)據(jù)存儲、心電數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器， 并對其實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵代碼進(jìn)行分析； 第3 部分為測試情況與小結(jié)。
1 心電圖機設(shè)計方案
1.1 系統(tǒng)簡介
心電圖是一門較為深奧的學(xué)科， 一般情況下， 基層醫(yī)療單位醫(yī)生、心血管患者不可能都是心電圖方面的專家。 本文提出的系統(tǒng)以具有優(yōu)質(zhì)資源的醫(yī)療機構(gòu)為服務(wù)中心， 通過Internet 網(wǎng)絡(luò)與多個位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村、重點監(jiān)護(hù)病人的心電圖機終端互連， 在一定程度上解決“看病難”問題。 本系統(tǒng)主要由如下4 部分組成： 心電圖機、安裝有專用軟件的手機、專家診斷終端、1 個醫(yī)療中心服務(wù)器， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
其中， 心電圖機與手機一一對應(yīng)， 其數(shù)量m 為系統(tǒng)中需要心電監(jiān)測的用戶數(shù)； 專家診斷終端數(shù)n 是系統(tǒng)中專家為用戶進(jìn)行診斷操作的計算機數(shù)。
在該系統(tǒng)中，心電圖機采集人體的心電數(shù)據(jù)， 并通過藍(lán)牙將測得的心電圖數(shù)據(jù)傳送至手機， 實時地顯示在手機屏幕上，根據(jù)用戶設(shè)置可以將心電數(shù)據(jù)存儲在手機中或通過GPRS/3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至醫(yī)療中心服務(wù)器。
專業(yè)人員可以在專家診斷終端上對上傳的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，并利用電子郵件或短信將診斷完成的消息通知對應(yīng)用戶， 以便用戶通過手機軟件提取診斷結(jié)果。
限于文章篇幅， 本文重點介紹系統(tǒng)中心電圖機與手機軟件的設(shè)計方法。
1.2 AIKD812-256 模塊及其應(yīng)用
本文心電圖機設(shè)計以AIKD812-256 模塊為核心。
該模塊是專用于心電信號采樣的產(chǎn)品［6］， 采用同步12導(dǎo)聯(lián)采樣， 單5V 電源供電。 它有八個差分信號輸入通道， 使用精密運算放大器、24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高速處理器， 整個電路被封裝在1.5×1.5×0.381 英寸的模塊內(nèi)， 并在處理器上安裝了有效的數(shù)字濾波器算法， 使得本產(chǎn)品非常容易在強噪聲背景、高輸出阻抗環(huán)境下獲取微小的心電圖信號。
該模塊以UART 串行方式輸入輸出數(shù)據(jù)， 3.3V 的TTL 電平， 波特率為115200bps， 數(shù)據(jù)格式為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、非校驗。 對心電圖采樣模塊的控制操作采用一定格式的命令幀， 命令幀均由20 字節(jié)組成。
如表1 所示， 其中幀頭的4 個字節(jié)固定為“AIKD”字符串， 校驗和為幀前面19 字節(jié)的異或結(jié)果， 具體的命令和附加字節(jié)表示的含義可參考資料［6］， 在此只給出本文用到的命令字節(jié)， 如表2 所示， 其中開始命令的附加字節(jié)為1、2 時， 模塊輸出數(shù)據(jù)類型分別為Wilson導(dǎo)聯(lián)、Frank 導(dǎo)聯(lián)； 模塊收到握手命令后， 會回送15字節(jié)的應(yīng)答幀。
表1 模塊的控制幀格式
表2 模塊的控制命令字節(jié)
模塊收到開始命令后， 開始每2ms 輸出一個心電數(shù)據(jù)幀， 每幀16 字節(jié)， 當(dāng)輸出為Wilson 體系時， 數(shù)據(jù)包內(nèi)包括II、III、V1~V6 導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)（分別記為DII、DIII、DV1~DV6）， 手機終端接收到數(shù)據(jù)幀后可以計算出I、avR、avL 和avF 導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)（分別記為DI、DavR、DavL、DavF）， 計算方法如下：
DI = DII-DIII
DavR = DIII/2-DIII
DavL = DII/2-DIII
DavF = （DII+DIII）/2
1.3 藍(lán)牙接口設(shè)計
在模塊的硬件連接上， 心電圖采樣模塊的輸入端串聯(lián)10K 電阻后可直接連接導(dǎo)聯(lián)線， 如圖2 所示。 圖中藍(lán)牙模塊采用HC-06， 該模塊采用CSR 藍(lán)牙芯片，遵循藍(lán)牙V2.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 模塊尺寸為3.57×1.52cm，利用串口的TXD、RXD 信號腳與心電圖采樣模塊直接相連， 波特率設(shè)置為115200bps。由于心電圖采樣模塊與藍(lán)牙模塊尺寸小， 因此整個心電圖機體積小巧，便于攜帶。
圖2 心電圖機主要電路的連接圖
2 手機軟件設(shè)計
為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)目標(biāo)， 在手機終端中必須安裝心電數(shù)據(jù)存儲與收發(fā)軟件。 該軟件具有如下功能： 通過藍(lán)牙實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)接收、心電數(shù)據(jù)的存儲、通過GPRS/3G 向中心服務(wù)器發(fā)送心電數(shù)據(jù)。
本文手機終端軟件采用J2ME 進(jìn)行編程， 下面對這些功能實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵代碼進(jìn)行分析。
2.1 藍(lán)牙通信
（1） 藍(lán)牙查尋連接
系統(tǒng)設(shè)計時將手機作為客戶端、藍(lán)牙模塊作為服務(wù)端， 即利用手機去搜索并連接藍(lán)牙模塊。 需要注意的是， 用手機與藍(lán)牙模塊連接， 首先得保證手機具有藍(lán)牙功能。
整個藍(lán)牙連接過程包括客戶端搜索附近藍(lán)牙設(shè)備、在搜索到的指定藍(lán)牙設(shè)備上搜索藍(lán)牙服務(wù)、連接搜索到的藍(lán)牙服務(wù)， 最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通，具體的關(guān)鍵代碼如下：
LocalDevicelocalDevice=LocalDevice.getLocalDevice（）； // 取得本地藍(lán)牙設(shè)備
discoveryAgent = localDevice.getDiscoveryAgent（）；// 取得藍(lán)牙代理
上面兩步通過后， 就可以確定本設(shè)備帶有藍(lán)牙接口， 并同時啟動藍(lán)牙功能。 通過上述步驟后， 利用
discoveryAgent.startInquiry（DiscoveryAgent.GIAC，this）；
開始搜索附近藍(lán)牙設(shè)備， 搜索到設(shè)備后自動調(diào)用deviceDiscovered（）回調(diào)方法， 在deviceDiscovered（）方法里添加設(shè)備。 本系統(tǒng)中每次只連接一個設(shè)備，所以一旦搜到一個設(shè)備后就通過discoveryAgent.
cancelInquiry（） 方法取消設(shè)備搜索， 自動調(diào)用inquiryCompleted（）回調(diào)方法， 在inquiryCompleted（）中添加discoveryAgent.searchServices（）程序搜索在設(shè)備上服務(wù)， 每發(fā)現(xiàn)一個服務(wù)時都會自動調(diào)用servicesDiscovered（）， 完成全部搜索服務(wù)后自動調(diào)用serviceSearchCompleted（）方法。
在搜索到藍(lán)牙設(shè)備， 并在藍(lán)牙設(shè)備上搜索到串口服務(wù)器后， 通過：
url = sr.getConnectionURL（ServiceRecord.NOAUTHENTICATE_NOENCRYPT， false）；
conn = （StreamConnection） Connector.open（url）；
實現(xiàn)藍(lán)牙的連接。
?。?） 手機與心電圖模塊通信。
藍(lán)牙連接成功后利用conn.openDataInputStream（）打開輸入流、 conn.openDataOutputStream（）打開輸出流，通過read（）或write（）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 在通信過程中主要實現(xiàn)2 個功能： 手機控制心電圖模塊、手機接收來自心電圖模塊的數(shù)據(jù)， 其中手機控制心電圖模塊主要包括握手信號的發(fā)送、開始命令和停止命令的發(fā)送。
為了實現(xiàn)手機與心電圖機的數(shù)據(jù)通信連接， 手機首先發(fā)送握手信號到藍(lán)牙模塊。 根據(jù)表2， 可以知道發(fā)送握手信號的格式以及發(fā)送代碼為：
同樣， 還可以采用上述方法發(fā)送不同控制命令的字節(jié)數(shù)組到心電圖模塊， 控制心電圖機進(jìn)行相應(yīng)的操作， 如開始命令和停止命令， 限于文章篇幅， 在此不作贅述。
手機接收到應(yīng)答幀后發(fā)送開始傳輸命令幀， 接著開始接收心電圖數(shù)據(jù)。 手機接收心電圖數(shù)據(jù)的關(guān)鍵程序代碼結(jié)構(gòu)如下：
2.2 心電數(shù)據(jù)存儲
手機終端一個重要功能就是心電數(shù)據(jù)的存儲。 在J2ME 程序中， RMS（Record Management Store 的縮寫）記錄庫是一個小型的簡單數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)， 可以用來保存應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)。
RMS 具體的存儲方式由各設(shè)備廠商自己實現(xiàn)， 存儲的位置也會因為設(shè)備廠商的不同而不同。 在RMS 中，每一條數(shù)據(jù)被稱為一條記錄， 記錄庫實際是記錄的集合。 本文將一個心電數(shù)據(jù)作為一個記錄存入記錄庫。
一個記錄格式如表3 所示。
表3 心電數(shù)據(jù)記錄格式
其中， 頭部信息包含預(yù)設(shè)的用戶信息以及心電數(shù)據(jù)的保存時間， 校驗和為前面80127 個字節(jié)的異或和。
從一個記錄格式可知， 由于心電圖機每2ms 輸出16 個字節(jié)的數(shù)據(jù)， 所以一個保存的心電圖時間長度為（8126-127+1）×2/16=10000ms， 即10s.
記錄中頭部信息的時間信息為心電數(shù)據(jù)保存時手機的系統(tǒng)時間， 可以利用如下代碼得到：
Calendar c = Calendar.getInstance（）；
Date d = c.getTime（）；
然后從d 中提取年月日以及時分的具體數(shù)據(jù)， 并與上述接收到的心電數(shù)據(jù)一起存入記錄庫中。
對于記錄庫的操作， 先要打開記錄庫， 然后對記錄庫進(jìn)行操作， 其中包括記錄的增加、刪除、修改等，最后將記錄庫關(guān)閉。 具體主要通過以下方法實現(xiàn)記錄庫的操作：
penRecordStore（rsName，true）； //打開名為rsName 的記錄庫
deleteRecordStore（rsName）； //刪除名為rsName 的記錄庫
addRecord（b， 0， b.length）； //添加數(shù)組b 到記錄庫
getRecord（id）； //讀取第id 條記錄
setRecord（id，b，0，b.length）； //將第id 條記錄設(shè)置成字節(jié)數(shù)組b
2.3 心電數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器
本設(shè)計中采用TCP Socket 方式與中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， MIDP2.0 中定義了SocketConnection 和ServerSocketConnection 接口用于實現(xiàn)TCP Socket 編程。
由于本系統(tǒng)中手機端作為客戶端， 所以只用到了SocketConnection 接口。
為了實現(xiàn)Socket 通信， 必須先建立連接sc=（SocketConnection）Connector.open（url）；
其中url 為服務(wù)器的地址， 本系統(tǒng)中url=Socket://61.
153.1.12:5000， 即服務(wù)器IP 地址為61.153.1.12.
為了防止因服務(wù)器未開而導(dǎo)致的長時間連接， 程序中設(shè)置了一個定時器， 在經(jīng)過設(shè)定的時間后仍未連接成功， 給出提示， 并終止連接。 如果成功建立連接，則打開輸出流和輸入流：
dos=new DataOutputStream（sc.openOutputStream（））；
dis=new DataInputStream（sc.openInputStream（））；
同時， 為了防止傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯， 本設(shè)計中單幀心電圖數(shù)據(jù)采用固定長度的格式傳輸， 具體格式參見表3， 實際傳輸時在該表的格式前增加一個幀頭“A1A2A3”。 當(dāng)中心服務(wù)器收到此幀頭時， 就認(rèn)為幀頭后續(xù)的數(shù)據(jù)為表3 格式的心電圖數(shù)據(jù)。 一幀數(shù)據(jù)接收完后對其中校驗和進(jìn)行核查， 如果核查結(jié)果正確， 發(fā)送“OK”字符串至手機終端； 反之， 發(fā)送“ER”字符串， 以便提示手機終端重傳心電圖數(shù)據(jù)。
另外， 為了便于中心服務(wù)器存儲心電數(shù)據(jù)， 上傳至服務(wù)器的心電數(shù)據(jù)包括預(yù)設(shè)的用戶信息以及心電記錄的保存時間。 專家診斷完成后， 根據(jù)用戶信息（如電子郵件或手機號碼）通知用戶提取診斷結(jié)論。
3 測試與小結(jié)
本文的設(shè)計調(diào)試包括2 部分： 心電圖機電路、手機軟件。 手機軟件采用JBuilder2006 開發(fā)平臺， 調(diào)試成功后， 將軟件打包， 并下載到具有藍(lán)牙功能的手機中進(jìn)行運行測試。 圖3 是軟件在NOKIA 6300 上運行的情況， 其中圖（a）為軟件的主界面， 圖（b）為藍(lán)牙連接過程的界面， 圖（c）為有關(guān)參數(shù)設(shè)置的界面， 圖（d）為心電數(shù)據(jù)接收時心電圖動態(tài)顯示情況， 圖（e）為心電數(shù)據(jù)的記錄庫列表， 圖（f）為心電數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器時的界面。
圖3 手機軟件運行界面
經(jīng)測試， 本文設(shè)計的心電圖機達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，并具有攜帶方便、使用簡便的特點， 可實現(xiàn)小型醫(yī)療機構(gòu)與重點監(jiān)護(hù)病人遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)的功能， 對提高全民健康水平， 有著積極的意義。
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