物联网技术在便携式心电监测系统设计中的应用

李金霞，曾繁霞，张立强兰州军区兰州总医院儿科;兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050

心电监测在临床与健康护理中广泛应用。但一般心电监测仪器相对来说重量、体积较大，且多为有线数据传输，仅用于医院中。同时，因心电图专业性很强，普通患者难以读懂。因此，能够实现无线数据传输的简便家用型心电监测系统及其配套监护软件有着广阔的应用前景［1-2］。鉴于此，该文应用基于RFID的物联网技术实现便携式心电监测系统的远程无线数据传输，并借助普通PC机，充分发挥MATLAB强大的数据分析处理能力，在MATLAB环境中简便地实现了心电监测数据的分析。通过该系统，单一患者甚至多个患者不但可以在不被限制自由的情况下实现远程心电监测，还可以在PC机上自助分析其心电信号，进行简单的参数和波形检测，从而对患者在正常工作、生活状态时心电变化进行实时观察，这样，患者的早期诊断和及时治疗就成为可能。

1 物联网技术

物联网(Internet of Things)是在互联网的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物体与物体之间以实现信息交换和通信的一种网络技术，即“物物相连的互联网”。物联网技术可以通过射频识别(radio frequency identification，RFID)、激光扫描器等传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，进而实现物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等［3-4］。

2 基于物联网技术的便携式心电监测系统的远程无线数据传输

2．1 系统方案设计

图1 系统总体结构示意图

如图1所示，系统中心电信号的传输采用基于RFID的物联网技术。RFID是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标并获取相关数据，数据识别速度快、容量大，可同时识别多目标以及运动目标，操作方便快捷。RFID物联网系统包括电子标签、读/写卡器、数据处理软件平台等三大部分。RFID电子标签存储容量可达兆字节，且可以重复读写，这为随时存取设备信息提供了可能［4-8］。

2．1．1 电子标签的选择RFID电子标签一般由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码，可与所监测患者ID一一对应。RFID电子标签分为主动式标签和被动式标签两种。主动式标签也称为有源标签，自身带有电池供电，读/写距离较大。被动式标签也称为无源标签，其能量从读卡器产生的磁场中获得。相比主动式标签，被动式标签成本低、使用寿命长，但读/写距离较小。考虑到给予患者最大限度的自由活动空间，该系统采用主动式RFID电子标签。

2．1．2 读卡器的选择读卡器用于读/写电子标签信息，可分为手持式和固定式两种。考虑到远程心电监测的实际操作需求，系统主要采用固定式RFID读卡器，并辅助以手持式。

RFID读卡器系统一般由MCU、RF接收模块以及485信号输出三部分组成。电子标签和读卡器之间的射频信号传递由天线完成。主动式RFlD电子标签收到读卡器发出的射频信号后，通过自身能量主动发送某一频率的信息，读卡器读取标签所发送的信息以及采集到的相应的心电数据，并经485串口送至数据处理软件平台作进一步处理。

2．1．3 数据处理软件平台设计系统数据处理软件平台包括读卡器和RFID电子标签的信息收发程序、上位机数据分析软件以及网络数据库等。读卡器和RFID电子标签的信息收发程序完成系统初始化以及RFID发送/接收的物理地址、发送/接收的地址长度、发送/接收的频段和速率等参数设置，采用C51设计实现。上位机数据分析软件采用MATLAB编程实现，网络数据库采用SQL Server设计实现。医师也可以通过Internet访问此网络数据库，从而可以随时远程监测该患者的心电图［9］。数据处理软件平台辅以RFID电子标签、读卡器等即可实现对在一定范围内自由活动的患者的有效识别，识别后心电监测数据的传输以及上位机的后台网络数据库存储、分析等。

2．2 系统工作原理

为了实时掌握便携式心电监测系统的使用状况，在其上固定粘贴有源RFID标签和二维条码标签;在一定范围的患者自由活动区域分布安装RFID读卡器(分布安装RFID读卡器范围越广，则患者可自由活动区域越大)，读卡器的电子编码对应相应的区域ID。主动式RFID电子标签自动发射无线射频信号，RFID读卡器接收到信号即可识别;二维条码标签采用手持式移动终端Symbol MC50进行条码扫描识别。二维条码标签仅作为有源RFID标签的备份，需要的时候可以直接在二维条码标签中读取详细的患者ID信息。

带有主动式RFID电子标签的便携式心电监测装置只要在分布安装有RFID读卡器的一定区域内，即可被该区域内的RFID读卡器识别，读卡器即可将RFID电子标签对应的便携式心电监测装置信息以及采集的心电数据通过485串口传输给上位计算机，上位计算机根据所获得的信息把RFID标签电子编码与相应心电监测装置即相应患者ID对应，即可自动跟踪、监控该心电监测装置的位置，数据在后台存储到网络数据库。如果需要，还可以实时在上位机屏幕显示采集到的心电图。而医师也可以通过Internet访问该网络数据库，并由患者ID提取对应的心电数据，从而实现随时远程监测该患者的心电图［9］。图2为RFID系统工作原理框图。

图2 RFID系统工作原理框图

3 基于MATLAB的心电监测数据分析系统设计

采用基于RFID的物联网技术，将患者心电数据无线传输至PC机网络数据库中后，可应用MATLAB的小波分析工具箱，对实时采集的心电信号进行简单的参数和波形检测，并在计算机上实时动态显示心电信号［10-12］。如图3、图4所示，该心电监测数据分析系统采用标准的Windows窗口界面风格，主要由系统设置、心电采集、心电分析、帮助等功能模块组成。

图3 心电信号的动态显示界面

图4 心电信号的分析界面

3．1 系统设置

进入系统后，可以随时对被监测患者的基本信息资料进行查询、修改、保存、打印等操作。

3．2 心电采集及分析

实现心电信号的采集、预处理以及分析显示。小波变换非常适用于分析心电信号这种非平稳信号，应用MATLAB小波分析工具箱，可对实时采集的心电信号进行简单的参数和波形检测。

3．3 帮助

帮助模块分为两部分功能:

3．1．1 在线帮助对系统进行较详尽的操作说明，给予使用者在线帮助。

3．1．2 专家咨询功能以调用chm文件的方式，详尽介绍了常用心电监测的理论知识，这有利于普通使用者进一步学习和了解心电监测理论知识。

基于RFID物联网技术设计的便携式心电监测系统，有效实现了心电监测数据的远程无线传输，还在MATLAB环境中简单实现了心电数据的家庭化分析。这可以使得患者在不受活动限制的同时让医师能够随时监测其心电图;而且患者也可以在家中通过基于MATLAB的简易心电监测数据分析系统进行自身心电图分析。医院试用表明，该系统具有较强的实用性，具有一定的推广价值。另外，如果在系统设计中使得不同RFID标签电子编码对应不同病人ID，不同读卡器对应不同的区域ID，则系统可以实现在同一个区域(如医院病房区)对多个不同的患者的同时跟踪和心电监测。

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