基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可穿戴式心電監測系統設計

心電監測廣泛應用于臨床與康復護理中，能夠實(shí)時(shí)監測患者的心電變化，且監測設備能夠及時(shí)、自動(dòng)地給予患者一定的指導，使患者能夠有意識地自主調節神經(jīng)系統功能，進(jìn)而調節其內部生理狀態(tài)，其效果良好。而能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸的簡(jiǎn)便，家用可穿戴式心電監測系統及其具有一定專(zhuān)家指導功能的配套軟件有著(zhù)廣闊的應用前景。本研究應用基于無(wú)線(xiàn)射頻識別(radio frequency identification，RFID)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設計實(shí)現了可穿戴式心電監測系統;借助普通個(gè)人計算機(personal computer，PC)，充分發(fā)揮矩陣實(shí)驗室 (matrix laboratory，MATLAB)軟件的強大數據分析處理能力，便于在MATLAB環(huán)境中實(shí)現心電監測數據的分析。通過(guò)本系統，患者不但可以在不被限制自由的情況下實(shí)現一定范圍的遠程心電監測，還可以在PC機上自助分析其心電信號，進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數檢測和波形檢測。

1 生物反饋技術(shù)及生物反饋訓練

1.1 生物反饋技術(shù)

心理活動(dòng)和生理活動(dòng)之間存在著(zhù)緊密的內在聯(lián)系，這是無(wú)意識的生理活動(dòng)置于有意識的意識控制之下的物質(zhì)基礎。生物反饋技術(shù)即通過(guò)有意識地訓練，使患者意志可以在一定條件和范圍內支配原來(lái)認為不能隨意支配的平滑肌、心肌以及許多植物神經(jīng)支配的器官的功能。通過(guò)傳感器將患者正常意識不到的身體功能，如心電、腦電、肌電及血壓等加以處理和放大，及時(shí)轉換成其熟悉的視覺(jué)信號或聽(tīng)覺(jué)信號顯示出來(lái)，使患者實(shí)實(shí)在在地“感覺(jué)”到自己內臟器官的活動(dòng)情況;患者通過(guò)學(xué)習和訓練，學(xué)會(huì )在一定范圍內通過(guò)調節其自身的中樞神經(jīng)系統的高級機能來(lái)糾正、恢復或者穩定其內臟器官活動(dòng)，進(jìn)而達到防治疾病的目的。生物反饋的實(shí)現，需要患者機體各系統的參與，受控部分不斷發(fā)出的反饋信息通過(guò)中樞神經(jīng)系統的識別、理解，調動(dòng)各系統參與生理、心理功能的調節，進(jìn)而形成反饋信息—調節環(huán)路，使患者機體不平衡的心理、生理狀態(tài)向相對平衡狀態(tài)轉化，以保持身心健康。

生物反饋療法充分反映了心身的不可分割性和心身統一的整體觀(guān)。作為行為療法的發(fā)展，自20世紀60年代末，隨著(zhù)行為主義理論的建立以及系統論、控制論和信息論的興起而出現以來(lái)，在心理學(xué)、生理學(xué)、臨床醫學(xué)和現代電子學(xué)等諸學(xué)科發(fā)展的基礎上，順應“生物→心理→社會(huì )”醫學(xué)模式的發(fā)展，以其無(wú)損傷、無(wú)痛苦、無(wú)藥物不良反應、方法簡(jiǎn)便及療效滿(mǎn)意等優(yōu)點(diǎn)在預防醫學(xué)、康復醫學(xué)、臨床醫學(xué)和其他領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應用。

1.2 生物反饋訓練

生物反饋訓練重在患者機體行為(生理和心理行為)的調節和矯正，是心理和生理發(fā)展的過(guò)程，強調持之以恒，生物反饋的作用機制如圖1所示。

生物反饋治療效果如何，與患者自身參與程度有密切關(guān)系。治療過(guò)程中患者須真正認識到生理、心理的發(fā)展性，明白生物反饋治療裝置可以提高訓練效果，但不能替代訓練，患者須自覺(jué)調動(dòng)自身潛力，積極參與到治療中來(lái)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的訓練，患者可以不再使用生物反饋治療裝置也可達到良好的放松效果和對特定內臟器官的一定控制。如果僅僅注重行為的訓練，忽視生理和心理治療，療效將不會(huì )持久。將行為訓練和生理治療、心理治療相結合，能夠使治療效果更加穩定、持久。

具有良好的抗應激效果的生物反饋放松訓練，不僅可以使患者克服由于病痛帶來(lái)的負面情緒和精神創(chuàng )傷，而且通過(guò)訓練能夠使痙攣和緊張的肌肉逐漸放松，加強對病痛部位生理信息的感知和控制，鼓勵患者增加康復的信心，能夠使其從精神痛苦中解脫出來(lái)?；颊咴诜潘蔂顟B(tài)時(shí)表現為呼吸頻率和心頻的減慢、血壓下降，全身骨骼肌張力下降，并有四肢溫暖，頭腦清醒，心情輕松愉快，全身舒適的感覺(jué)。生物反饋放松訓練可單獨使用，也可與藥物或其他心理療法配合，從而達到減少藥物用量，甚至縮短療程的目的。

2 基于生物反饋技術(shù)的可穿戴式心電監測系統設計

隨著(zhù)計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設備逐漸成為研究熱點(diǎn)?？纱┐鬟h程醫療能夠為患者提供低負荷、非接觸及長(cháng)期連續的生理檢測，作為新一代醫療監護模式，被認為是最有效和最實(shí)際可行的監護手段。本研究應用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并引入生物反饋技術(shù)，建立可穿戴式的心電監測系統，在實(shí)現患者心電參數的連續、長(cháng)時(shí)間監測的同時(shí)，輔以專(zhuān)家指導功能，指導患者有意識地進(jìn)行生物反饋訓練。

2.1 可穿戴式心電監測系統的硬件結構及原理

利用心電電極從人體提取微弱的心電信號，濾除干擾信號后進(jìn)行放大，將取得的模擬信號經(jīng)調理電路處理后，通過(guò)RFID無(wú)線(xiàn)傳輸至485總線(xiàn)，數據由485總線(xiàn)送入PC機并存入網(wǎng)絡(luò )數據庫(如圖2所示)。

圖2：心電采集系統框圖

RFID通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別并獲取相關(guān)數據，數據識別速度快、容量大、可同時(shí)識別多目標以及運動(dòng)目標且操作方便快捷。RFID系統包括電子標簽、讀和(或)寫(xiě)卡器、數據處理軟件平臺等3大部分。RFID電子標簽存儲容量可達兆字節，亦可以重復讀寫(xiě)，可隨時(shí)存取設備信息。

為了實(shí)時(shí)掌握可穿戴式心電監測系統的使用狀況，在其上固定粘貼有源RFID標簽;在一定范圍的患者自由活動(dòng)區域分布安裝RFID讀卡器，其安裝范圍越廣，則患者可自由活動(dòng)區域越大，讀卡器的電子編碼可對應相應的患者活動(dòng)區域身份(Identity，ID)標識。帶有主動(dòng)式RFID的可穿戴式心電監測裝置只要在分布安裝有RFID讀卡器的一定范圍的區域內，即可被該區域內的RFID讀卡器識別，RFID對應的可穿戴式心電監測裝置信息以及采集的心電數據通過(guò)485總線(xiàn)傳輸給上位PC機，上位PC機根據所獲得的信息將RFID編碼與相應心電監測裝置即相應患者ID對應，即可自動(dòng)跟蹤、監控該心電監測裝置的運行，并后臺存儲數據于網(wǎng)絡(luò )數據庫中;如果需要，還可以實(shí)時(shí)在上位機屏幕顯示采集到的心電圖。而醫生或患者也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)該網(wǎng)絡(luò )數據庫，并依據患者ID提取對應的心電數據，進(jìn)而應用配套的系統軟件隨時(shí)監測相應心電圖。

2.2 可穿戴式心電監測系統的軟件設計

系統軟件讀取采集來(lái)的心電數據，可在計算機上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示心電信號，并應用MATLAB的小波分析工具箱，對實(shí)時(shí)采集的心電信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數檢測和波形檢測。系統采用標準的Windows窗口界面風(fēng)格，主要由系統設置、心電采集、心電分析及幫助等功能模塊組成。進(jìn)入系統后可以隨時(shí)對被監測患者的基本信息資料進(jìn)行查詢(xún)、修改、保存及打印等操作。

2.2.1 心電采集及分析模塊

實(shí)現心電信號的采集、預處理以及分析顯示。小波變換非常適用于分析心電信號這種非平穩信號，應用MATLAB的小波分析工具箱，對實(shí)時(shí)采集的心電信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數檢測和波形檢測(如圖3、圖4所示)。

圖3：心電信號動(dòng)態(tài)顯示界面圖

圖4：心電信號分析界面圖

2.2.2 幫助模塊功能

可穿戴式心電監測系統的幫助模塊功能分為下述3部分。

(1)操作說(shuō)明及在線(xiàn)幫助。能夠對本系統進(jìn)行較詳盡的操作說(shuō)明，并給予使用者在線(xiàn)幫助。

(2)專(zhuān)家咨詢(xún)功能。利用數據庫技術(shù)開(kāi)發(fā)心電監測及生物反饋訓練問(wèn)答系統，系統可以調用相關(guān)chm文件，使普通使用者可詳盡了解心電監測及生物反饋訓練的相關(guān)理論知識，以做好生物反饋訓練。在使用本系統之前患者可在醫生指導下針對其心電狀況進(jìn)行一段時(shí)間的有意識的生物反饋訓練，通過(guò)訓練，學(xué)會(huì )在一定范圍內通過(guò)調節其自身的中樞神經(jīng)系統的高級機能來(lái)糾正、恢復或者穩定其心電。經(jīng)多次訓練后使患者能夠自發(fā)地對反饋信息通過(guò)中樞神經(jīng)系統的識別、理解，調動(dòng)其自身機能系統參與生理、心理功能的調節，形成反饋信息—調節環(huán)路，使患者保持身心健康，進(jìn)而達到防治疾病的目的。在使用過(guò)程中患者可隨時(shí)借助系統幫助模塊指導其訓練。

(3)數據庫管理?？稍诰€(xiàn)對系統的網(wǎng)絡(luò )數據庫進(jìn)行數據查詢(xún)、修改、保存及打印等操作。

3 結語(yǔ)

生物反饋療法作為防治各種心身疾病的新思路，仍有諸多不完善之處，如尚未完全掌握其治療機制以及缺乏操作簡(jiǎn)便而能定量評價(jià)訓練效果的生物反饋裝置等，均有待于進(jìn)一步地研究。本研究設計的基于生物反饋技術(shù)的可穿戴式心電監測系統，是生物反饋技術(shù)應用的有益探索和嘗試，經(jīng)試用表明具有一定的推廣應用價(jià)值。隨著(zhù)研究的深入，生物反饋技術(shù)將擁有越來(lái)越廣泛的應用前景。