基于iOS平台的便携心率监测系统设计

此外，尽管ｉＰｈｏｎｅ ４的内存达到了５１２ Ｍ，但长时间不 间断的绘图会 导 致 内 存 不 断 消 耗，为 了 避 免 内 存 危 机，设
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第 ３５ 卷
电 子 测 量 技 术
定：若心电图宽度达到１ ８００像素，从图形上下文中 获 取 心 电图，然后调用 ＵＩＩｍａｇｅＰＮＧＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ方法将图片描 述成 ＰＮＧ 格式的数据，将 其 写 入 临 时 文 件 夹，并 且 释 放 它 所占用的内存。当选择 保 存 心 电 图 时，将 临 时 文 件 夹 中 的 心电图逐 一 复 制 到 相 应 的 文 件 夹，从 而 实 现 了 心 电 图 的 保存。 １．２．２ Ｒ 波检测与心率计算
心电信号的噪声主 要 有：基 线 漂 移、工 频 干 扰、肌 电 干 扰、人工影响与周围环境影响等 。 ［８－９］ 心电信号９９％的能量 集中在０～４０ Ｈｚ范 围 内，ＱＲＳ 波 的 波 峰 能 量 集 中 在 ８～ １６ Ｈｚ附 近 。 ［１０］ 为 了 抑 制 噪 声 与 无 关 信 息，突 出 ＱＲＳ 波 群，ｉＰｈｏｎｅ端在 Ｒ 波检测前对心电信号进行了数 字 滤 波 预 处 理 。 设 计 中 使 用 了 截 止 频 率 为 ４０ Ｈｚ的 二 阶 巴 特 沃 斯 低 通滤波器和截止频率为７ Ｈｚ的一阶高通滤波器，这可以看 作是１个通带为７～４０ Ｈｚ的 带 通 滤 波 器。该 滤 波 处 理 既 可消除基线漂移等低频干扰，也能抑制高频干扰，而且 对 Ｒ 波的影响很小，滤波效果如图 ４所示。
心脏疾病的发病具 有 很 大 的 突 发 性 和 偶 然 性，心 脏 疾 病的前期诊断越来越受 人 们 的 重 视［２］。Ｊ．Ｙｏｕｓｅｆ和 Ａ．Ｎ． Ｌａｒｓ在文献［３］提 到，ＥＣＧ 传 感 器 和 手 机 可 以 集 成 到 １ 个 实用的远程心电监控系统 。ｉＰｈｏｎｅ是一种主流智能手 机 ，
１ 设 计 方 案
设计的总体框图如图１所示。将１个心电数据采集端 和ｉＰｈｏｎｅ组 成 便 携 心 率 监 测 系 统 ，用 户 可 以 随 时 随 地 监 测 自己的心电状况。首先，传 感 器 采 集 心 电 数 据；然 后，数 据 采集 端 通 过 无 线 模 块 将 心 电 数 据 实 时 发 送 给 ｉＰｈｏｎｅ、 ｉＰｈｏｎｅ端再对数据作进 一 步 处 理，从 而 实 现 动 态 心 电 图 的 显示和心率的实时监测。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉＯＳ ｐｌａｔｆｏｒｍ
Ｈｕａｎｇ Ｚｈｅｎｃａｉ Ｌｉｕ Ｙｕ Ｄｉ Ｗｅｎｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２）
心电信号的自动检测与分析是远程医疗的１个重要分 支。心 率 检 测 的 关 键 是 对 ＱＲＳ 波 的 准 确 识 别。Ｒ 波 具 有 相对斜 率 大、幅 度 大 的 特 点。 检 测 Ｒ 波 的 方 法 主 要 有：差 分阈值法、模 板 匹 配 法、小 波 变 换 法 和 神 经 网 络 法 等 。 ［６－７］ 其中，差分阈值法具有算法简单、运算量少、速度快 的优 点， 非常适合实时检测。
图 １ 设 计 总 体
１．１ 数 据 采 集 与 发 送 通过心电数据采集设备的传感器采集人体心电标准肢
体导联ＩＩ的数据，采样 频 率 设 置 为 １８０ Ｈｚ，采 样 得 到 的 结 果是采样时间与采样值一一对应的二维数组。
通过心电数据采集 端 的 无 线 模 块 组 建 １ 个 ＡｄＨｏｃ网 络 ，ＡｄＨｏｃ网 络 是 一 种 符 合ＩＥＥＥ８０２．１１ 标 准 的 无 线 网 络 ， 由 若 干 移 动 节 点 组 成 ，不 需 要 固 定 基 础 设 施 支 持 ，具 有 自 组 织性和拓 扑 动 态 变 化 的 特 点［４］。ｉＰｈｏｎｅ 加 入 这 个 自 组 网 络，可 以 实 现 数 据 采 集 端 与ｉＰｈｏｎｅ端 的 点 对 点 连 接。 然 后，在 发 送 端 与 接 收 端 的 应 用 软 件 中 使 用 ＣＳｏｃｋｅｔ实 现 数 据的发送与接收，将 心 电 数 据 以 １８０×３２ｂ／ｓ的 速 率 实 时 同步 发 送 给ｉＰｈｏｎｅ端。此 处，发 送 端 和 接 收 端 的 ＣＳｏｃｋｅｔ 服从 ＴＣＰ／ＩＰ 协议，该协议提供面向对象 的可靠 连接，能保 证数据准确发送与接收。 １．２ 软 件 终 端 设 计
心 电 图 是 心 脏 的 电 活 动 的 一 种 图 形 反 应［２］，它 对 心 脏 功能以及相关病理的研究具有重要的参考价值。心电监测 系统需要实时显示用户的动态心电图。心电图的绘制是基 于 Ｑｕａｒｔｚ ２Ｄ 绘图库实 现 的，它 是 Ｃｏｒｅ Ｇｒａｐｈｉｃｓ框 架 的 １ 个部分。Ｑｕａｒｔｚ ２Ｄ 为 开 发 者 提 供 了 各 种 直 线、形 状 以 及 图像的绘制方法，比较容易使用［５］，其绘制 动 态 心 电 图 的 主 要流程如图 ３所示。
Ｑｕａｒｔｚ ２Ｄ 绘 图 是 在 图 形 上 下 文 中 进 行 的，调 用 ＵＩＧｒａｐｈｉｃｓＧｅｔＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｅｘｔ方 法 可 以 获 得 当 前 视 图 上 下文。程序 使 用 了 ＣＧＣｏｎｔｅｘｔＳｅｔＳｈｏｕｌｄＡｎｔｉａｌｉａｓ选 项，用 于抗 锯 齿 处 理，这 能 使 绘 制 出 的 线 条 更 光 滑。 调 用 ＣＧＣｏｎｔｅｘｔＳｅｔＬｉｎｅＷｉｄｔｈ和 ＣＧＣｏｎｔｅｘｔＳｅｔＳｔｒｏｋｅＣｏｌｏｒＷｉｔｈＣｏｌｏｒ
０ 引 言
移动健康是近年来医 疗、信 息 与 通 信 领 域 研 究 的 １ 个 热点。在医疗健康的探 索 与 发 展 中，智 能 手 机 正 扮 演 着 重 要角色，医疗服务向智能手机应用方向拓展成为 １种需 求。 智能手机应用程序可 以 为 用 户 提 供 健 康 小 提 示，帮 助 用 户 预 防 疾 病 ，也 可 以 对 一 些 疾 病 进 行 监 测 ，及 时 反 应 用 户 的 健 康状态。当患者处于移 动 时，智 能 手 机 适 合 做 生 理 数 据 的 初步处理和发送医疗 警 报，它 通 常 拥 有 足 够 的 存 储 空 间 和 计 算 能 力 ，且 提 供 了 灵 活 的 编 程 环 境 ，是 理 想 的 存 储 和 处 理 传感器数据的便携 终 端［１］，适 合 作 为 远 程 医 疗 监 控 系 统 中 的１个重要组成部分。
本 文 于 ２０１２ 年 ６ 月 收 到 。
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黄镇彩 等：基于ｉＯＳ平台的便携心率监测系统设计
第９期
方法可以分别设定线条宽度和填充颜色。当缓存数组的数 据 量 达 到 １９ 时 ，将 缓 存 数 组 中 的 采 样 数 据 转 化 为 当 前 视 图 上下文中具体的点，即设定各点 Ｘ 轴和Ｙ 轴的坐标。确定 每个采样点的坐标后，调用 ＣＧＣｏｎｔｅｘｔＳｔｒｏｋｅＬｉｎｅＳｅｇｍｅｎｔｓ 方法将点连成线，这 样 就 实 现 了 心 电 波 形 的 绘 制。 绘 制 心 电 波 形 后 清 空 缓 存 数 组 ，然 后 将 此 后 的 数 据 放 进 缓 存 数 组 ， 如 此 循 环 ，即 实 现 了 心以 及 处 理 生 理 数 据，在 医 疗 诊 断 时具有一定的参考价值。虽然在ｉＰｈｏｎｅ的 Ａｐｐ Ｓｔｏｒｅ已经 有一些基于ｉＯＳ的心 率 监 测 应 用，但 是 大 多 数 的 实 用 性 和 可靠性都不高。本文将 介 绍 基 于ｉＯＳ 平 台，实 现 便 携 心 率 监测的系统设 计 方 案、软 件 设 计 流 程 以 及 仿 真 实 现 效 果。 使用ｉＰｈｏｎｅ ４进行 测 试，也 可 以 应 用 于ｉＰｏｄ、ｉＰａｄ 等 其 他 ｉＯＳ 设 备 。
ｉＰｈｏｎｅ端 的 软 件 在 Ｘｃｏｄｅ 平 台 上 进 行 开 发，采 用 Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ－Ｃ 编程，其主要设 计 流 程 如 图 ２ 所 示。 启 动 程 序 后，ｉＰｈｏｎｅ首先与数据采 集 端 建 立 点 对 点 连 接，然 后，启 动 １个后台线程１，该线程完成心电 数 据 的 实 时 接 收。线 程 １ 接收到数据后，将数 据 传 递 给 主 线 程。 主 线 程 则 负 责 数 据 缓存、调 用 Ｑｕａｒｔｚ ２Ｄ 进 行 心 电 图 绘 制 以 及 将 数 据 滤 波 后 传给线程２。程序在线 程 ２ 里 实 现 Ｒ 波 检 测 和 心 率 计 算。 线程２完 成 心 率 计 算 后，程 序 会 更 新 用 户 界 面 显 示 的 心 率值。 １．２．１ 动 态 心 电 图 的 绘 制
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｂｉｌｅ ｈｅａｌｔｈ ｉｓ ｇｅｔｔｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｕｂｌｉｃ ａｎｄ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅｓ ｓｔａｒｔ ｔｏ ｐｌａｙ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｄｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉＯＳ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｄｙｎａｍｉｃ ＥＣＧ ａｎｄ ｔｉｍｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ Ｒ ｗａｖｅ ｏｆ ＥＣＧ ｕｓｅｄ ｏｎ ｉＰｈｏｎｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ， ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ．ＭＩＴ－ＢＩＨ ａｒｒｈｙｔｈｍｉａ ｄａｔａｂａｓｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｇｅｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ ｈｅａｌｔｈ；ｉＰｈｏｎｅ；ｉＯＳ；ＥＣＧ；ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ