摘 要： 主要介紹了一種基于心電圖采樣模塊與智能手機(jī)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(diǎn)給出了具有藍(lán)牙接口的心電圖機(jī)設(shè)計方案以及手機(jī)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(jī)， 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， 給出了心電圖機(jī)運(yùn)行的測試結(jié)果。 測試結(jié)果表明本文設(shè)計的心電圖機(jī)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(jī)的心電實時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由測量節(jié)點(diǎn)、智能手機(jī)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)護(hù)中心端組成，智能手機(jī)節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙實時接收由心電采集節(jié)點(diǎn)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(jī)節(jié)點(diǎn)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(jī)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(jī)為設(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(jī)采集到的心電數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙接口傳輸至手機(jī)， 手機(jī)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(jī)設(shè)計方案；第2 部分為手機(jī)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(jī)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。 本文提出的系統(tǒng)以具有優(yōu)質(zhì)資源的醫(yī)療機(jī)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(diǎn)監(jiān)護(hù)病人的心電圖機(jī)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(jī)、安裝有專用軟件的手機(jī)、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(jī)與手機(jī)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)； 診斷終端數(shù)n 是系統(tǒng)中為用戶進(jìn)行診斷操作的計算機(jī)數(shù)。

　　在該系統(tǒng)中，心電圖機(jī)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(jī)， 實時地顯示在手機(jī)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(jī)中或通過GPRS/3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至醫(yī)療中心服務(wù)器。

　　人員可以在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(jī)軟件提取診斷結(jié)果。

　　限于文章篇幅， 本文重點(diǎn)介紹系統(tǒng)中心電圖機(jī)與手機(jī)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(jī)設(shè)計以AIKD812-256 模塊為。

　　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(yùn)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(qiáng)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(jī)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(jī)體積小巧，便于攜帶。

圖2 心電圖機(jī)主要電路的連接圖

　　2 手機(jī)軟件設(shè)計

　　為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)目標(biāo)， 在手機(jī)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(jī)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

　?。?） 藍(lán)牙查尋連接

　　系統(tǒng)設(shè)計時將手機(jī)作為客戶端、藍(lán)牙模塊作為服務(wù)端， 即利用手機(jī)去搜索并連接藍(lán)牙模塊。 需要注意的是， 用手機(jī)與藍(lán)牙模塊連接， 首先得保證手機(jī)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)， 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(jī)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(jī)控制心電圖模塊、手機(jī)接收來自心電圖模塊的數(shù)據(jù)， 其中手機(jī)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(jī)與心電圖機(jī)的數(shù)據(jù)通信連接， 手機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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，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(jī)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(jī)終端； 反之， 發(fā)送"ER"字符串， 以便提示手機(jī)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。 診斷完成后， 根據(jù)用戶信息（如電子郵件或手機(jī)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(jī)電路、手機(jī)軟件。 手機(jī)軟件采用JBuilder2006 開發(fā)平臺， 調(diào)試成功后， 將軟件打包， 并到具有藍(lán)牙功能的手機(jī)中進(jìn)行運(yùn)行測試。 圖3 是軟件在NOKIA 6300 上運(yùn)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(jī)軟件運(yùn)行界面。

　　經(jīng)測試， 本文設(shè)計的心電圖機(jī)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，并具有攜帶方便、使用簡便的特點(diǎn)， 可實現(xiàn)小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)與重點(diǎn)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。