基于Android系统的心电传输与显示系统设计

肖菊兰，王嘉辉，曾丽君，黄欠平，陈仲本，周 酥

基于Android系统的心电传输与显示系统设计

肖菊兰，王嘉辉，曾丽君，黄欠平，陈仲本，周 酥

目的:设计一种基于Andriod平台的心电监护、无线传输与手机显示系统，可用于家庭或社区范围内的心电监测。方法:首先通过心电采集模块提取被监测者的心电信号，然后利用MSP430F149单片机进行A/D转换并将转换后的数据文件适当处理后经串口发送至蓝牙模块，再无线传输至智能手机，存储在手机的安全数码卡（secure digital memory card，SD）上。智能手机端通过设计蓝牙的应用程序编程接口（application programming interface，API）开发类实现与下位机通信，可打开已存储的心电数据文件并绘制成心电波形图，观察心电图是否有明显异常。结果:该系统能正常采集到人体心电信号并无线传输至手机进行显示，无线传输距离为10 m。结论:该系统的设计有利于家庭其他成员或监护人员及时了解患者的心电状况，以实现对家庭患者的健康监护。

MSP430F149；蓝牙技术；无线传输；智能手机

0 引言

心电信号是人体最重要的生理信号之一，也是诊断心血管疾病的重要依据。临床上常用的心电信号检测手段为心电监护。目前，心电监护已从病床、医院扩展到社区，并逐步进入亚健康人群家庭供个体使用，以满足疾病早期诊断的需求。家庭式健康监护对心电监护仪的便携性和传输准确性提出了更高的要求。在信号的传输方面，蓝牙通信技术避免了传统设备线缆传输的局限性，且实时性好、抗干扰能力强[1]，在医学设备中得到越来越广泛的应用；同时，移动设备的普及使得基于智能手机的心电监护系统家庭化成为可能。因此，手机的便携性和蓝牙通信的实时性紧密结合应用于医疗设备，将使监护设备在便携式、低功耗、智能化的方向上[2]有很好的发展前景，必将在家庭保健中发挥重要作用。

目前，关于这方面的研究包括：对常见心律失常进行智能诊断的远程心电监护系统；将智能手机与心电监测模块集成在一起，利用手机进行心电监测；智能手机通过蓝牙网络接收来自心电监护仪的数据，自动筛选不同级别的异常数据，利用GPRS网络传输异常数据至中心服务器等。本设计以微处理器为控制单元，将心电采集与手机显示模块分开设计，降低硬件设计成本，采集的心电信号通过蓝牙模块无线传输至智能手机，通过手机端接收数据、存储数据并显示心电波形，可实现家庭成员或护理人员对被监护者身体状况的实时观察。

1 系统总体设计

心电信号经过电极传送至心电采集模块，经放大、滤波处理后，获得可检测的模拟心电波形，以MSP430F149单片机为控制核心对心电信号进行A/D转换，并通过串口发送至HC-06蓝牙模块，最后将心电数据无线传输至智能手机进行显示。系统结构框图如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 心电采集模块

本设计采用表面镀有AgCl的可拆卸的一次性软电极[3]，检测部分采用东星电子开发的型号为ESE_ECG_P1的心电采集模块对原始心电信号进行滤波和放大，该模块采用标准3电极导联方案，可由3.7～5 V的电池（单节锂电池或多节干电池）供电，功耗极低、集成度高、噪声低，总增益约1 000倍。

图1 系统结构框图

2.2 通信模块

心电采集模块输出的心电信号被送入MSP430F149单片机进行A/D转换，并且通过连接的HC-06蓝牙模块将数据发送出去。MSP430F149单片机是TI公司推出的一款16 bit超低功耗混合信号处理器[4]，非常适用于由电池供电的便携式仪器仪表。本文采用片上内置模数转换器ADC12实现心电信号采集，利用定时器A的输出触发A/D中断以控制采样频率，根据奈奎斯特采样定理，为使采集的信号不产生混叠，采样频率必须等于或高于信号最大频率的2倍，因此采样频率下限为200 Hz[5]。A/D转换完成后结果存储在相应转换存储寄存器，即数据缓冲区中，需要进行计算处理时读取即可。单片机和蓝牙模块之间以串行口连接，单片机通过UART0将缓冲区数据发送至蓝牙模块，发送波特率为9 600 bit/s，蓝牙模块收到数据后会将数据发送给已配对的手机。

3 系统软件设计

3.1 微处理器程序设计

本设计中选用了IAR公司提供的开发调试环境IAR Embedded Workbench V5.50[6]，采用C语言编程，程序编译后输出的.TXT文件通过启动加载程序（bootstrap loader，BSL）下载到单片机。在单片机的地址为0C00H-1000H的ROM区内存放了一段引导程序，给单片机的特定引脚加上一段特定的时序脉冲，就可以进入这段程序，让用户读、写、擦闪存程序。

3.2 手机终端软件设计

本部分采用Android4.0版本和Eclipse工具[7]进行开发，主要有二大功能模块，即依赖蓝牙技术的数据接收功能和读取本地文件并绘制动态心电图的功能。图2为心电显示软件系统操作的流程图。

图2 软件开发总体流程示意图

3.2.1 蓝牙基本操作的实现

在Android程序中开启蓝牙设备，需要在AndroidManifest.xml文件中声明加入蓝牙相关权限[8]。需要添加的权限有2个，分别是BLUETOOTH和BLUETOOTH_ADMIN，权限代码如下：

＜uses-permission android：name="android.permission.BLUETOOTH"/＞

＜uses-permissionandroid：name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/＞

Android的蓝牙开发有2个重要的类为BluetoothAdapter和BluetoothDevice，分别表示设备自身的蓝牙设备和外部的蓝牙设备。其中onStart方法需要重写，用于判断是否开启蓝牙[9]，并定义startActivityForResult返回数据。

3.2.2 调用数据文件功能的实现

在显示界面中，用户通过点击“打开文件”按钮，进入文件浏览器后选择正确的文件格式即能绘制心电图。因为显示界面的主Java程序需要调用绘图和文件浏览器这2个功能，无论是显示还是选择文件都涉及文件浏览和读取，此时通过设计文件浏览器FlieActivity[7]来实现。在进行文件浏览和查询时，为使浏览界面首先进入手机的安全数码卡（secure digital memory card，SD）根目录，在设计FileActivity时，定义一个变量来指定根目录的地址，在这里定义：

private String root="/mnt/sdcard"；

通过以上程序设计，可以实现手机SD上数据文件的调用。

此外，Android手机在进程优先级上，通话进程的优先级和接入点的优先级高于其他。考虑到手机端的特殊性，显示功能的优先级在进程上不能高于通话模块的优先级，否则会导致系统运行的混乱，解决办法是服从Android默认的优先级处理和中断机制。同时，在显示进程的设计上，实现了Runnable接口。Runnable接口的作用是实现新的独立线程，防止因处理执行时间过长而导致Android手机其他功能进程的执行时间被延长。

4 结果测试

在搭建硬件平台时，采用标准Ⅲ导联连接方法，电极片分别连接人体右肩锁骨下、左肩锁骨下及左下腹部位，采集人体真实心电信号后输出至单片机进行A/D采样，最后数字信号经过蓝牙传输模块传输至智能手机。整个系统经过实验室环境测试，用户可以携带智能手机在距离蓝牙模块10 m的半径范围内自由走动而不影响数据的接收。由于使用比较高的跳频速率，使蓝牙无线系统具有较高的抗干扰能力，使得信号传输时很容易穿透实验室墙壁、铝合金门等障碍物而不掉包，在10 m半径范围内，心电信号可以穿透房门正常接收。此外，在实测过程中，用导电层较厚的医用电极片能明显地减少基线飘移和其他干扰信号的产生。

采集真实人体数据后由手机端软件绘制的心电波形与同组数据的Matlab波形显示对比如图3所示。由波形图对比发现，手机端软件可以表现出心电基本规律，但在根据个体差异调整波形幅度方面有待改善。

图3 由手机端软件绘制的心电波形与同组数据的Matlab波形显示对比

5 结语

本文的设计能够实现心电信号的无线传输，通过手机软件蓝牙串口调试助手接收采集到的心电数据并保存在智能手机的SD卡上，再利用Android提供的绘图功能类库设计心电绘图软件，实现数据调用及心电波形的显示。本设计还可以进一步拓展，如手机接收的心电波形显示明显异常时，可利用3G等移动通信技术[10-12]将接收到的心电数据上传到医院服务器再进行算法识别，请医生诊断异常情况，实现远程心电监护；还可扩展到多参数模块的监护，只要连接相应采集模块即可。由于手机存储空间有限，可以考虑使用云技术来存储实时监测的心电信号和其他生理参数数据，并同时进行信号分析，进一步由医生验证诊断结果并给出治疗建议，将远程会诊的结果反馈至用户端，让更多有需要的人享受高水平的医疗服务，促进医疗资源的均衡分布。

[1]田福英，沈铁明，刘博宇.基于蓝牙传输的手机心电监护系统设计与实现[J].中国医学物理学杂志，2013，30（4）：4 304-4 305.

[2]王超.一种基于MSP430单片机的心电模块设计[J].科技信息，2008（26）：385-392.

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[7]匡松，何嘉.Java学习宝典[M].北京：中国铁道出版社，2009.

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[9]李刚.疯狂Android讲义[M].北京：电子工业出版社，2011.

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[11]秦龙．MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006：150-156.

[12]WANG Peng，LV Zhi-gang.Design of a simple 3-lead ECG acquisition system based on MSP430F149[R].Singapore：IACSIT，2012.

（收稿：2014-10-21 修回：2015-01-20）

Design of ECG transmission and display system based on Android system

XIAO Ju-lan,WANG Jia-hui,ZENG Li-jun,HUANG Qian-ping,CHEN Zhong-ben,ZHOU Su
(Department of Biomedical Engineering,Xinhua College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510520,China)

ObjectiveTo design an ECG monitoring,wireless transmission and display system based on Android platform which could be used in the family or community for ECG monitoring.MethodsThe ECG signals obtained with acquisition module underwent A/D conversion with MSP430F149 SCM,and sent to Bluetooth module via a serial port after treatment, and then stored in the secure digital memory card(SD)of the smart cell phone.The communication was realized between the cell phone and the lower computer through application programming interface(API),then ECG waveform could be formed based on stored ECG data to determine the presence of ECG.ResultsThe system could realize ECG collection, wireless transmission and waveform display,with the wireless transmission distance being 10 meters.ConclusionThe system facilitates ECG monitoring for patient care at home.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：35-37]

MSP430F149;Bluetooth technology;wireless transmission;smart cell phone

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2015）06-0035-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.035

中山大学新华学院大学生创新创业训练计划项目（2013CX014）

肖菊兰（1992—），女，研究方向为医学电子仪器设计。

510520广州，中山大学新华学院生物医学工程系（肖菊兰，王嘉辉，曾丽君，黄欠平，陈仲本，周 酥）

周 酥，E-mail:zhousuok@163.com