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一種基於智慧手機和雲端平台的心電遠端監護系統研製

來源 : 中國醫療設備 2018第3期
update : 2018/05/11

引言
隨著人口的老齡化,心血管病患者日益增加,心血管病死亡率已居首位,心血管疾病多發病于中老年人群 [1-3]。研製心電遠端監護系統,加強對中老年人的心血管健康監護是十分必要的。近年來,移動通訊技術和互聯網技術的發展為心血管疾病遠端監護提供了新的機遇。 Fujita [4] 研究了一種基於手機和雲計算的院前 12 導聯心電遠端監護系統。 Fong [5] Wang [6] Karunarathne [7] 提出一種基於智慧手機和雲計算的心電監護系統。冼啟源等 [8] 設計了一種基於 3G 移動網路和雲端運算的監護系統,使用雲端伺服器作為Web 伺服器,利用 3G 網路完成患者多參數資料獲取和傳輸。

基於智慧手機和雲計算的遠端醫療監護系統已取得一些進展,但還存在一些問題有待解決 :① 基於雲平臺的遠端監護系統網路體系架構的改進 ;② 信號採集感測器的小型化和穿戴式設計 ;③ 基於雲平臺的心電遠端監護服務模式研究。為此,本文提出並設計了一種基於智慧手機和雲平臺的心電遠端監護新系統,研製了創可貼式單導心電採集器、智慧手機 APP 軟體和雲端伺服器軟體。本文設計的系統具有如下優點

首先,創可貼式單導心電採集器只需要兩個紐扣電極就可以採集單導心電,成本低,可以反復使用。而且心電採集器體積小,重量輕,功耗低,患者佩戴方便舒適,行動幾乎不受限制,適合長期心電監護。

其次,智慧手機非常普及,方便連入互聯網,有利於擴大心電監護的人群以及心電監護的時間和地點。而且,在智慧手機上使用智慧分析演算法有利於降低雲端伺服器的計算能力要求,從而降低系統的總體成本。使用智慧分析演算法得到心電預判分類資料,可以説明心電圖專家做出更準確的診斷結果。

最後,雲端伺服器提供一個基於流覽器的心電圖診斷平臺,心電圖專家可以通過多種具有流覽器的電子設備,在任何地點和任何時間診斷患者心電圖。而且,雲平臺具備良好的可擴展性,後期可以在雲平臺上對患者個人電子健康檔案進行大資料智慧分析,建立一個更加智慧的心電遠端監護系統。下面詳細介紹系統工作原理、各部分設計方法和實驗結果。

1 原理與方法

1.1 系統結構與原理

基於智慧手機和雲平臺的心電遠端監護系統結構,見圖 1。系統包括 3 個部分 :① 心電採集器 ;② 智能手機APP ;③ 雲平臺伺服器軟體。


圖1 系統結構原理圖

心電採集器即時採集患者的心電信號,通過低功耗無線藍牙技術(Bluetooth Low Energy BLE [9] 傳送給智能手機。智慧手機對接收到的心電信號進行即時分析,並把異常心電資料通過移動通訊網遠端傳輸到雲平臺伺服器。雲端伺服器軟體對接收到的心電資料進行存儲,同時通過互聯網推送給醫生進行監護診斷 ;雲端伺服器軟體能接收來自醫生的心電診斷,並時把醫生的診斷結果和治療建議返回到患者智慧手機中。最終患者可以查看到醫生的診斷結果,從而達到對患者進行心電遠端監護的目的。

系統工作流程,見圖 2,主要分為 8 個步驟 :① 患者智慧手機 APP 通過 BLE 自動連接心電採集器,接收心電採集器發送的心電資料 ;② 智慧手機 APP 可以即時顯示患者心電圖,把心電資料存儲在手機本地,使用智慧分析演演演演算法分析心電資料得到預判分類資料,並通過移動通訊網路或者無線 Wi-Fi 網路上傳到雲端伺服器 ;③ 雲端伺服器把患者心電資料和預判分類資料存儲在雲端 ;④ 雲端伺服器為患者心電資料建立診斷任務,並把任務發送給醫生端流覽器 ;⑤ 醫生端流覽器顯示患者心電圖和預判分類資料,醫生可以流覽心電圖並上傳診斷結果 ;⑥ 雲端伺服器把診斷結果存儲在雲端 ;⑦ 雲端伺服器向患者的智慧手機 APP推送診斷結果通知 ;⑧ 智慧手機 APP 接收到推送通知,提醒患者閱讀診斷結果。
2 系統流程圖
1.2 心電採集器設計

心電採集器硬體結構,見圖 3,主要由一次性紐扣式電極貼片、德州儀器低功耗模數轉換器 ADS1191、賽普拉斯集成 BLE 功能的 CY8C4247 單片機、可充電鋰電池(3.7 V)、充電電路(5 V)和電源模組(3.3 V)組成。心電採集器軟體主要包含 3 個功能 :心電信號採集、低功耗管理和藍牙資料傳輸。心電信號採集功能是按照 250 Hz 採樣頻率、通過串列外設介面讀取 ADS1191 採集的心電信號。低功耗管理功能負責控制設備在非工作和工作狀態的休眠和喚醒,延長電池的使用時間。藍牙資料傳輸功能負責管理採集器和手機的藍牙配對連接以及資料的封包和發送。
3 心電採集器硬體結構圖
心電採集器實物圖,見圖 4。創可貼式單導心電採集器只需要兩個電極就可以採集單導心電,患者不需要醫生的指導就可以自行佩戴。心電採集器的功耗極低,優化後的工作電流小於 2 mA,配備 3.7 V 100 mAh 的鋰電池,工作時間可達 36 h,完全滿足 24 h 的監護需求。
4 創可貼式單導心電採集器實物圖
1.3 智慧手機APP 軟體設計

智慧手機普及廣,具備 Wi-Fi 和移動通訊網路等多種接入網際網路的方式,而且使用者介面友好易操作,本系統使用智慧手機作為連接心電採集器、患者和雲平臺的中轉站。患者首先通過智慧手機 APP 用電話號碼註冊用戶帳號,註冊成功並登錄後,智慧手機 APP 自動通過BLE 連接心電採集器並接收心電資料。智慧手機 APP 把心電資料即時繪製在螢幕上,同時把心電資料存儲在手機本地,並使用智慧分析演算法對 30 s 的心電資料進行預判分類,最後把資料通過安全的超文字傳輸協定 [10]Hyper Text Transfer Protocol Over Secure Socket LayerHTTPS)遠端傳輸到雲端伺服器。智慧手機 APP 還用於接收和顯示雲端伺服器推送的醫生診斷結果。

根據上述需求,我們採用 Objective-C 語言設計基於iPhone 手機的 APP APP 包含 5 個功能模組 :使用者帳號管理模組、心電資料接收模組、心電資料處理模組、推送接收模組和歷史心電資料模組。各模組功能,見表 1
1 智慧手機APP軟體功能模組說明
心電智慧分析演算法,用於提取患者心電圖的頻域特徵和時域特徵,包括房顫特徵、形態學特徵、平均 RR 間期和波形相似度等特徵,然後使用隨機森林演算法 [11] 建立的模型對心電資料進行預判分類,把心電資料分為 7 :正常、房顫、頻發室早、室性心動過速、室上性心動過速、心動過緩和長 RR 間期。預判分類資料和心電資料一起上傳到雲端伺服器,為醫生診斷心電圖提供參考。
1.4 雲端伺服器軟體設計

雲端伺服器軟體主要負責心電資料存貯、預判分類和醫生診斷結果推送等功能,包含 4 個功能模組 Web應用編 口(Application Programming Interface API [12]、資料存儲服務、資料推送服務和心電圖診斷平臺。 Web API提供對外訪問的介面,所有資料的訪問都是通過 Web API完成。使用 Web API 服務有助於降低系統的各個模組耦合性,減少系統開發的難度,同時便於許可權的統一驗證,保護資料的安全性。資料存儲服務用於把心電資料、預判分類資料以及醫生的診斷結果存儲到雲平臺。資料推送服務,用於把醫生的診斷結果推送至智慧手機。心電圖診斷平臺,用於為醫生提供一個基於流覽器的心電圖診斷介面,介面上顯示患者的心電圖和預判分類資料。

1.4.1 Web API

使用 Java 語言和 Tomcat 容器以及目前流行的技術框架(Spring Mybatis [13] 來構建 Web API,智慧手機 APP和心電圖診斷平臺均通過 Web API 來訪問資料,資料採用JSON 封包形式來減少網路通訊流量。與 Web API 的通訊均使用 HTTPS 加密通道,以保證資料的安全性。根據系統功能設計 Web API(表 2)。每一個 Web API 都分配了唯一的 URL
 2 雲端伺服器Web API 說明
1.4.2 資料存儲服務

資料存儲服務用於把心電資料、預判分類資料以及醫生的診斷結果等資料存儲到雲平臺。系統使用 MySQL 關係型數據庫和物件存儲服務(Object Storage Service OSS)兩種方式來存儲資料。 MySQL 資料庫主要保存患者的個人基本資訊、親屬或護理人的資訊,醫生隨訪記錄,心電資料索引和醫生的診斷結果等。物件存儲服務用來存儲患者心電資料(表 3)。
 表3 資料存儲服務保存的資料分類和說明
系統在雲平臺上部署了 MySQL 資料庫,對表 3 中存儲在資料庫中的資料建立了相應的二維表結構。存儲在關係型數據庫中的資訊便於系統進行檢索和統計。

心電資料不適合存儲在普通的檔案伺服器上。一方面因為心電資料數量龐大,隨著時間的積累將佔用海量的存儲空間 ;另一方面心電資料要求高持久性,不能因磁片損壞而導致資料丟失。阿里雲的物件存儲服務 OSS 可以提供近乎無限的存儲空間和高達 99.99% 持久性保證 [14],使得 OSS 非常適合心電資料的存儲。本系統採用 OSS 來存儲心電資料。

患者心電資料的存儲流程,見圖 5 :① 當患者的智慧手機 APP 上傳心電資料時 ;② 雲端伺服器的 Web API 為心電資料生成全域唯一的檔案名,把心電資料存儲到 OSS ;③ 然後把心電資料的索引資訊(包括心電資料的檔案名和患者在資料庫中的標識等)存儲到 MySQL 資料庫中。類似的,當心電圖診斷平臺讀取某個患者的心電資料時,Web API 服務首先讀取 MySQL 資料庫中的心電資料索引資訊,再根據心電資料的檔案名把心電資料從 OSS 中讀取出來,並把心電資料發送到心電圖診斷平臺。
5 雲平臺心電資料存儲示意圖

1)資料推送服務。當醫生上傳心電圖的診斷結果後,系統通過資料推送服務,向患者智慧手機 APP 推送通知,提醒患者及時查看醫生的診斷結果。系統的資料推送服務採用了深圳市和訊華穀資訊技術有限公司的商業推送服務——極光推送。智慧手機 APP 用戶端採用極光自訂的協定與推送伺服器保持長傳輸控制協議連接,電量、流量消耗少。極光服務技術架構先進,高併發可拓展性的雲服務可以減少應用開發者的成本投入 [15],進而降低心電遠端監護系統的總體成本。

2)心電圖診斷平臺軟體設計。心電圖診斷平臺為醫生提供了一個基於流覽器的心電圖診斷介面,醫生觀察患者心電圖並上傳診斷結果。同時醫生可以使用電話和患者進行一對一的諮詢並提供專業的醫療説明,説明患者認識和掌握自己的心血管情況。

Web 展, 使 HTML5 JavaScript 以及雲端的 Web API 構建了基於流覽器的診斷平臺。使用目前流行的 Web 框架技術,如 bootstrap jQuery構建了一個操作良好的使用者介面 [16]。另外,平臺使用WebSocket[17] 技術實現診斷任務的即時發送,使用 jQuery Ajax 方法在流覽器後臺下載患者心電資料,並使用HTML5 Canvas[18] 繪圖技術在流覽器前端繪製患者心電圖,這可以極大的減輕雲端伺服器的計算壓力。心電圖診斷平臺的工作流程,見圖 6

6 心電圖診斷平臺的流程圖

1)醫生成功登錄進入診斷平臺,雲端 Web API 服務首先檢查該醫生是否已經配診斷任務,沒有則進入(2),有則進入(3)。

2)心電圖診斷平臺進入等待系統分配診斷任務狀態,直到雲端伺服器通知有新的任務後進入(3)。

3)醫生端流覽器訪問雲端 Web API 服務獲取分配的任務,醫生分析患者心電圖並上傳醫生診斷結果,然後醫生通過電話和患者進行一對一的訪談。此時一次診斷任務完成,心電圖診斷平臺重新進入(2)等待系統分配新的診斷任務。

基於流覽器的心電圖診斷平臺,可以讓醫生通過任何具有流覽器的電子設備,如個人電腦、平板電腦和智慧手機等,在任何地點和任何時間診斷患者心電圖。

2 結果與分析

系統伺服器軟體部署在阿里雲的雲平臺上,我們設計了 3 個實驗分別對心電資料獲取可靠性,心電資料遠端傳輸可靠性,以及系統功能可靠性進行了驗證。

2.1 心電資料獲取可靠性驗證

為了驗證心電資料獲取的可靠性,我們設計了如下的實驗(圖 7)。創可貼式心電採集器連接福祿克 MPS450 心電信號發生器 , 使用智慧手機 APP 接收心電採集器發送的心電資料。 明, APP MPS450 產生的心電信號保持一致,證明瞭心電資料獲取的可靠性。
7 心電資料獲取可靠性驗證實驗

2.2 心電資料遠端傳輸可靠性驗證

為了驗證心電資料遠端傳輸的可靠性,在與 2.1 節同樣的實驗環境下,我們對手機 APP 發送的心電資料和心電圖診斷平臺顯示的心電圖進行對比,檢驗二者的一致性。實驗結果(圖 8)可見智慧手機 APP 的歷史心電圖(圖 8a)和心電圖診斷平臺顯示的心電圖(圖 8b)保持一致,證明瞭心電資料遠端傳輸的可靠性。
8 手機APP的歷史心電圖(a)和心電圖診斷平臺心電圖(b)對比

2.3 系統功能可靠性驗證

為驗證系統功能可靠性,心電採集器直接佩戴在人體上(圖 9a),智慧手機 APP 接收到心電資料(圖 9b),並將其發送到雲端伺服器,雲端伺服器發送任務給心電圖診斷平臺,醫生觀察心電圖並上傳診斷結果(圖 9c),雲端伺服器保存診斷結果後,推送給患者(圖 9d),患者查看到醫生的診斷結果(圖 9e)。實驗結果表明,系統功能運行正常穩定。
9 系統功能可靠性驗證實驗

注: a.創可貼式心電採集設備佩戴在人體上; b.iPhone APP顯示的動態心電圖; c.醫生使用平板電腦的流覽器觀察患者心電圖並上傳診斷結果; d.手機APP顯示雲平臺推送的通知; e.手機APP顯示醫生診斷結果。

3 結論

本文設計並實現了一種基於智慧手機和雲平臺的心電遠端監護新系統。研製了一種創可貼式心電採集器負責即時採集患者心電生理信號,開發了蘋果智慧手機 APP 軟體,用於接收、顯示、保存和分析心電資料,同時把心電資料傳輸到雲端伺服器。雲端伺服器軟體包括 Web API、資料存儲和推送服務,以及基於流覽器的心電圖診斷平臺。心電圖診斷平臺可以讓醫生使用流覽器觀察心電圖並給出診斷結果,雲端伺服器把診斷結果推送給患者智慧手機 APP,患者可查看醫生診斷結果,從而達到心電遠端監護的目的。實驗結果表明了系統的可行性、有效性和穩定性,適合對心臟病患者進行長期心電監護。

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