基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

心電監(jiān)測廣泛應(yīng)用于臨床與康復(fù)護(hù)理中，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測患者的心電變化，且監(jiān)測設(shè)備能夠及時(shí)、自動(dòng)地給予患者一定的指導(dǎo)，使患者能夠有意識地自主調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能，進(jìn)而調(diào)節(jié)其內(nèi)部生理狀態(tài)，其效果良好。而能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮啽?，家用可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)及其具有一定專家指導(dǎo)功能的配套軟件有著廣闊的應(yīng)用前景。本研究應(yīng)用基于無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng);借助普通個(gè)人計(jì)算機(jī)(personal computer，PC)，充分發(fā)揮矩陣實(shí)驗(yàn)室 (matrix laboratory，MATLAB)軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析處理能力，便于在MATLAB環(huán)境中實(shí)現(xiàn)心電監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。通過本系統(tǒng)，患者不但可以在不被限制自由的情況下實(shí)現(xiàn)一定范圍的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測，還可以在PC機(jī)上自助分析其心電信號，進(jìn)行簡單的參數(shù)檢測和波形檢測。

1 生物反饋技術(shù)及生物反饋訓(xùn)練

1.1 生物反饋技術(shù)

心理活動(dòng)和生理活動(dòng)之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，這是無意識的生理活動(dòng)置于有意識的意識控制之下的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物反饋技術(shù)即通過有意識地訓(xùn)練，使患者意志可以在一定條件和范圍內(nèi)支配原來認(rèn)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(zhuǎn)換成其熟悉的視覺信號或聽覺信號顯示出來，使患者實(shí)實(shí)在在地“感覺”到自己內(nèi)臟器官的活動(dòng)情況;患者通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)會(huì)在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)其自身的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的高級機(jī)能來糾正、恢復(fù)或者穩(wěn)定其內(nèi)臟器官活動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到防治疾病的目的。生物反饋的實(shí)現(xiàn)，需要患者機(jī)體各系統(tǒng)的參與，受控部分不斷發(fā)出的反饋信息通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的識別、理解，調(diào)動(dòng)各系統(tǒng)參與生理、心理功能的調(diào)節(jié)，進(jìn)而形成反饋信息—調(diào)節(jié)環(huán)路，使患者機(jī)體不平衡的心理、生理狀態(tài)向相對平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)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(tǒng)一的整體觀。作為行為療法的發(fā)展，自20世紀(jì)60年代末，隨著行為主義理論的建立以及系統(tǒng)論、控制論和信息論的興起而出現(xiàn)以來，在心理學(xué)、生理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代電子學(xué)等諸學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，順應(yīng)“生物→心理→社會(huì)”醫(yī)學(xué)模式的發(fā)展，以其無損傷、無痛苦、無藥物不良反應(yīng)、方法簡便及療效滿意等優(yōu)點(diǎn)在預(yù)防醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2 生物反饋訓(xùn)練

生物反饋訓(xùn)練重在患者機(jī)體行為(生理和心理行為)的調(diào)節(jié)和矯正，是心理和生理發(fā)展的過程，強(qiáng)調(diào)持之以恒，生物反饋的作用機(jī)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。治療過程中患者須真正認(rèn)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(xùn)練效果，但不能替代訓(xùn)練，患者須自覺調(diào)動(dòng)自身潛力，積極參與到治療中來。經(jīng)過一定時(shí)間的訓(xùn)練，患者可以不再使用生物反饋治療裝置也可達(dá)到良好的放松效果和對特定內(nèi)臟器官的一定控制。如果僅僅注重行為的訓(xùn)練，忽視生理和心理治療，療效將不會(huì)持久。將行為訓(xùn)練和生理治療、心理治療相結(jié)合，能夠使治療效果更加穩(wěn)定、持久。

具有良好的抗應(yīng)激效果的生物反饋放松訓(xùn)練，不僅可以使患者克服由于病痛帶來的負(fù)面情緒和精神創(chuàng)傷，而且通過訓(xùn)練能夠使痙攣和緊張的肌肉逐漸放松，加強(qiáng)對病痛部位生理信息的感知和控制，鼓勵(lì)患者增加康復(fù)的信心，能夠使其從精神痛苦中解脫出來?；颊咴诜潘蔂顟B(tài)時(shí)表現(xiàn)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。生物反饋放松訓(xùn)練可單獨(dú)使用，也可與藥物或其他心理療法配合，從而達(dá)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(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備逐漸成為研究熱點(diǎn)?？纱┐鬟h(yuǎn)程醫(yī)療能夠?yàn)榛颊咛峁┑拓?fù)荷、非接觸及長期連續(xù)的生理檢測，作為新一代醫(yī)療監(jiān)護(hù)模式，被認(rèn)為是最有效和最實(shí)際可行的監(jiān)護(hù)手段。本研究應(yīng)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(jiān)測系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)患者心電參數(shù)的連續(xù)、長時(shí)間監(jiān)測的同時(shí)，輔以專家指導(dǎo)功能，指導(dǎo)患者有意識地進(jìn)行生物反饋訓(xùn)練。

2.1 可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(diào)理電路處理后，通過RFID無線傳輸至485總線，數(shù)據(jù)由485總線送入PC機(jī)并存入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(如圖2所示)。

圖2：心電采集系統(tǒng)框圖

RFID通過射頻信號自動(dòng)識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)識別速度快、容量大、可同時(shí)識別多目標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)且操作方便快捷。RFID系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀和(或)寫卡器、數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)等3大部分。RFID電子標(biāo)簽存儲(chǔ)容量可達(dá)兆字節(jié)，亦可以重復(fù)讀寫，可隨時(shí)存取設(shè)備信息。

為了實(shí)時(shí)掌握可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)的使用狀況，在其上固定粘貼有源RFID標(biāo)簽;在一定范圍的患者自由活動(dòng)區(qū)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(qū)域越大，讀卡器的電子編碼可對應(yīng)相應(yīng)的患者活動(dòng)區(qū)域身份(Identity，ID)標(biāo)識。帶有主動(dòng)式RFID的可穿戴式心電監(jiān)測裝置只要在分布安裝有RFID讀卡器的一定范圍的區(qū)域內(nèi)，即可被該區(qū)域內(nèi)的RFID讀卡器識別，RFID對應(yīng)的可穿戴式心電監(jiān)測裝置信息以及采集的心電數(shù)據(jù)通過485總線傳輸給上位PC機(jī)，上位PC機(jī)根據(jù)所獲得的信息將RFID編碼與相應(yīng)心電監(jiān)測裝置即相應(yīng)患者ID對應(yīng)，即可自動(dòng)跟蹤、監(jiān)控該心電監(jiān)測裝置的運(yùn)行，并后臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中;如果需要，還可以實(shí)時(shí)在上位機(jī)屏幕顯示采集到的心電圖。而醫(yī)生或患者也可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)患者ID提取對應(yīng)的心電數(shù)據(jù)，進(jìn)而應(yīng)用配套的系統(tǒng)軟件隨時(shí)監(jiān)測相應(yīng)心電圖。

2.2 可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件讀取采集來的心電數(shù)據(jù)，可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示心電信號，并應(yīng)用MATLAB的小波分析工具箱，對實(shí)時(shí)采集的心電信號進(jìn)行簡單的參數(shù)檢測和波形檢測。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows窗口界面風(fēng)格，主要由系統(tǒng)設(shè)置、心電采集、心電分析及幫助等功能模塊組成。進(jìn)入系統(tǒng)后可以隨時(shí)對被監(jiān)測患者的基本信息資料進(jìn)行查詢、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(xiàn)心電信號的采集、預(yù)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(wěn)信號，應(yīng)用MATLAB的小波分析工具箱，對實(shí)時(shí)采集的心電信號進(jìn)行簡單的參數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)的幫助模塊功能分為下述3部分。

(1)操作說明及在線幫助。能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進(jìn)行較詳盡的操作說明，并給予使用者在線幫助。

(2)專家咨詢功能。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)心電監(jiān)測及生物反饋訓(xùn)練問答系統(tǒng)，系統(tǒng)可以調(diào)用相關(guān)chm文件，使普通使用者可詳盡了解心電監(jiān)測及生物反饋訓(xùn)練的相關(guān)理論知識，以做好生物反饋訓(xùn)練。在使用本系統(tǒng)之前患者可在醫(yī)生指導(dǎo)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(xùn)練，通過訓(xùn)練，學(xué)會(huì)在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)其自身的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的高級機(jī)能來糾正、恢復(fù)或者穩(wěn)定其心電。經(jīng)多次訓(xùn)練后使患者能夠自發(fā)地對反饋信息通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的識別、理解，調(diào)動(dòng)其自身機(jī)能系統(tǒng)參與生理、心理功能的調(diào)節(jié)，形成反饋信息—調(diào)節(jié)環(huán)路，使患者保持身心健康，進(jìn)而達(dá)到防治疾病的目的。在使用過程中患者可隨時(shí)借助系統(tǒng)幫助模塊指導(dǎo)其訓(xùn)練。

(3)數(shù)據(jù)庫管理。可在線對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、修改、保存及打印等操作。

3 結(jié)語

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(jī)制以及缺乏操作簡便而能定量評價(jià)訓(xùn)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(shè)計(jì)的基于生物反饋技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)，是生物反饋技術(shù)應(yīng)用的有益探索和嘗試，經(jīng)試用表明具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。隨著研究的深入，生物反饋技術(shù)將擁有越來越廣泛的應(yīng)用前景。