一种便携式智能手表设计方案

一种便携式智能手表设计方案
摘要：心血管疾病危害严重，不仅给患者带来痛苦，更使现有的医保系统不堪重负。

推动心血管疾病从末期的高成本救治转向疾病早期预防尤为重要。

在心血管疾病中，以致命性的心律失常的危害性最大。

而对其判定和诊断，常要用到心脏信号的检测。

本文总结和分析了现在常用的心电设备，说明了发展面向特定的大众用户便携心电设备的重要性，并设计开发了一款便携式的智能心脏信号设备。

我们详细讨论了其系统框架和技术可行性。

本方案能够实时的检测使用者的脉搏信号并给出初步判断，而且根据情况传输数据给社区的医生，由医生配合相应的软件进行分析和诊断，进而得到相应的处理。

本文还对其使用的软件平台进行了介绍，阐述了其基本原理和功能。

1、引言
目前，心血管疾病是许多发达国家主要的疾病死亡原因，我国每年有300万人死于心血管疾病，占全部死亡原因的40％，比这些发达国家还高，是我国居民的头号杀手。

我国是世界上老年人口最多的国家，人口年龄结构已开始进入老年型，很多城市已逐渐进入老龄化社会。

随着人口的快速老龄化，伴之而来的可能是心血管疾病的大流行。

我国每年死于心血管病的人数达250万，用于心血管病的医疗费用每年高达1350亿元人民币。

这不仅给患者带来痛苦，更使现有的医保系统不堪重负。

因此，著名心血管病学专家胡大一教授指出我们必须在问题变得更严重之前及早采取预防措施，推动从心血管疾病终末期的高成本救治转向疾病早期预防的战略转移。

顺应这种变化趋势，很多研究通过基因和分子学技术发现一些心脏疾病，像心律失常等和特定基因的变异有一定关系，以便对一些可能患病人群的前期筛查和早期预警。

但是如高血压、血脂紊乱、肥胖也是心脏疾病的直接诱因，而且这样的高危人群远远多于带有特定基因变异的人群。

心血管疾病中，以致命性的心律失常的危害性最大。

但是，心律失常的起因目前仍不清楚，即使正常人也有可能在没有明显症状下发病。

更为严重的是，心脏病人从正常心律发展到致命性的心律失常也没有明显的预警信号。

所以综合起来，如何对人体心脏系统进行监护和过程预警显得更为迫切和尤为重要。

对于心律失常等病症的监护和检测，常要用到心脏信号的检测。

心脏信号的采集可以采用多种方式，而其中最常用的为心电信号。

心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化，这些生物电的变化称为心电。

这种生物电变化的方向、频率、强度是有规律的。

若通过电极将体表不同部位的电信号检测出来，再用放大器加以放大，并用记录器描记下来，就可得到心电图形。

医生根据所记录的心电图波形的形态、波幅大小以及各波之间的相对时间关系，再与正常心电图相比较，便能诊断出心脏疾病。

诸如心电节律不齐、心肌梗塞、期前收缩、高血压、心脏异位搏动等。

2、常用心电设备的现状和分析
目前最常使用的心电设备为心电图机，即能将心脏活动时心肌激动产生的生物电信号(心电信号)自动记录下来，为临床诊断和科研常用的医疗电子仪器。

由于心电图机诊断技术成熟、可靠，操作简便，价格适中，对病人无损伤等优点，已成为各级医院中最普及的医用电子仪器之一。

心电图机有不同的分类方法。

如：按照机器的功能可分为图形描记普通式心电图机（模拟式心电图机）和图形描记与分析诊断功能心电图机（数字式智能化心电图机）。

按一次可记录的信号导数来分，心电图分为单导式和多导式（如三导、六导、十二导）。

另一种常用的，功能更为强大的心电设备是心电工作站，如图2.1所示。

心电工作站不仅有
大量数据的采集记录功能，还可自动识别各种异常心拍和心律，并自动给出准确的诊断结果。

作为工作站的延伸，使用者需要配套便携式记录器，用于记录他一段时间的动态心电信号。

例如，使用者一周时间十二导联的心电数据。

记录仪器的数据在医院通过USB数据线和SD 读卡器进行数据传输到心电工作站上进行分析和判断，进而给出结果。

图2.1心电工作站和便携式记录器
上述医用心电设备检测准确，功能强大，但是也有许多问题。

这包括设备操作比较复杂，无法实时检测，而且用户端设备配套起来非常不方便，不易携带。

同时用户端设备只完成信号记录，对于用户而言可读性差，必须专业的心电医生的分析。

当然，使用专门的热敏心电图纸等配件，经济效益差。

我们知道心脏病的发生的特点就是瞬间发生，需要随时监测。

这里就出现一个问题，虽然目前已经有设备可以24小时监测患者心电图，但基本都是用于危重病人，一般心脏病患者往往做不到24小时心电图监测的。

而实际上，那些有心脏病，又没有到危重期的患者才更加需要操作简便的心脏信号监测，才能及时发现早跳、心律失常、房颤等病情的变化，及时就医，防止病情恶化。

例如，目前中国由老年夫妇或一个人单独生活的“空巢家庭”的数量很大，因此，病情一旦发生，无法自行处理，也无人知晓他个人的情况，而很有可能因为得不到及时治疗而死亡。

而且，对于那些并没有确诊的心脏病的潜在患者，也就是日常生活中的普通人，往往会有一些疑似心脏病的症状发生和出现，能不能及
时对其身体的状况迅速的做出预警和判断，从而达到预防和治疗的目的这也是一个值的得注重的问题。

基于以上的分析可知，对于心电设备，不仅要强调专业性和准确性，还应该注重便携性和一定的实时性。

便携式记录器这类的心电信号采集仪器，虽然具有一定的便携性，主要面向医院的住院病人，将病人生理信息采集、传输，实现远端病房呼叫。

但病人端设备只是简单地记录、传输。

所以这类产品只适合医院使用，用户层单一。

同时，由于同样的原因，这类产品功能相对简单，更多时候只是起到类似平安钟的作用。

所以目前市场上有关产品存在功能同质化严重、缺乏核心软硬件技术的问题。

只有实现心电设备的多样性，实现不同类别和层次的区分，才能满足更广泛人群的日常需求。

针对目前市场现有产品现状和分类，我们提出我们的心脏监护产品的设计方案以及它的市场定位和受众人群。

3、便携心脏信号设备的方案
我们研制的智能脉搏手表的构想如图3.1所示。

其中，手表的触摸屏显示了主要的功能选项：脉搏数据记录和分析、疲劳度感知、体表和周围温度和基本的时间功能。

疲劳感知是通过某种金属传感器测量在它和人体皮肤之间形成的电场的微弱电流来检测人体疲劳程度。

因为这个弱电流的大小实际上是受人体自身的精神状态影响的。

所以通过测量这个电流的幅度，智能手表就可以感知使用者的疲劳程度（精神状态），并提示使用者注意休息或者保持放松等。

图3：智能脉搏手表详解图。

对于心脏信号的采集和获取，最常用的选择是心电信号，但这在实际操作上回有一定的复杂性和不便性，因为它需要记录用户至少五导乃至十二导联的心电信号，这在日常使用中是无法做到的。

因此本方案选用容易测量的脉搏信号。

脉搏同样是是反映人体循环系统功能的重要生理参数，它包含了人体的心率变化等重要信息。

对脉搏波进行准确地测量，在临床上具有非常重要的意义。

图4：智能手表电路框图
在上图中我们采用红外线作为传送媒质，使用时用户将手表的数据传送装置对准电脑上的接收装置来传送各种记录信息。

目前我们开发的智能脉搏手表采用的是无线传输技术，目前可以实现500米范围的数据传送和接受。

从技术发展的角度来看，医疗监护产品的无线化、网络化是发展趋势，移动型、具备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流。

因此研制这样无线监护产品势在必行。

基于现代计算机、通信技术的诊疗模式促使远程诊断成为可能而且其发展也方兴未艾。

我们设计解决方案将会对用户的电脑终端进行组网，每个终端的数据可以通过网络发送到医生的电脑或者社区健康中心的电脑上供医生做出专业诊断如果采用无线组网的方式，每个用户的数据将会按需实时地传送到位于社区医疗中心的接收服务器上。

如图3.3所示。

其中在医生或者社区监控中心的电脑上将连接用于还原用户脉搏信号的装置，这样医生可以有一个直观的感觉，真实地体会用户脉搏、心跳等信息。

而我们开发的全套人体心脏系统的非线
性动力特征分析软件将安装在电脑上，给出详细的自我诊断分析。

其中部分非线性动力特征分析软件将会嵌入到手表的控制系统中，实现实时监护和预警。

目前我国现在大力提倡两级医疗卫生服务体制，即区域医疗中心（医院）+社区医疗服务中心（社区健康服务中心）。

社区卫生机构主要提供健康教育、预防和一般常见病、多发病诊疗等服务。

其中，心血管疾病的预防和早期诊治都将在社区医疗中心完成。

本方案不但适用与家庭用户，还可广泛应用于社区医院，社会上的独居老人等，在必要时，可及时可靠的发出紧急呼救信号，并在最短的时间内提供急救服务。

此产品正是面向社区医疗服务，为社区的老人和心脏病人等特定人群的心脏健康提供实时监护。

图3.3用户将保存的脉搏等数据传递到社区健康中心的电脑供医生分析。

在社区健康中心的电脑上用户的脉搏数据将通过激励装置还原。

4、数据处理和分析
智能手表是在手表带内侧固定脉搏和体表电流传感器来实现采集心脏数据的，对于所采集的数据，人们习惯于对复杂的研究对象进行简化和抽象，建立理想的线性模型，对其进行时域、频域或时频变换等线性分析与处理。

因此对心脏系统的建模通常假设其内在动力特性为线性关系从而应用线性预测技术。

然而如果仅对其进行线性近似及相应的分析，就不可能认识到生命活动过程中与非线性有关的问题，而且会对研究结果的分析带来偏差。

人体许多生理信号呈现周期性的特征，但它们不是严格的周期信号，以健康人体的心电信号为例，它的心跳间期呈现一定的变化。

人体的心脏系统实质上是一个的非线性系统，具有时变动力系统特点。

而且，人体正常的心脏数据具有确定性的混沌的特征，而高致命的心律失常也表现出类似混沌的行为。

在数据进行必要的预处理之后，利用相空间重构技术，构造其动力特征，然后提取其特征模式完成分类。

利用相空间重构和频谱技术对周期性信号特征提取和降噪。

获得心脏数据的重构动力特征后，建模这个动力系统的演变过程，再对其进行分析。

下图为对所采集的脉搏数据进行的相空间重构的情况：
由于现代计算机和网络技术的发展，在用户终端才能决定服务的类型与水平。

对于智能手表采集来的数据，将通过电脑终端用网络传输到可进行分析和诊断的社区服务终端上。

在社区的电脑上，除了有医生的诊断外，还会安装结合本中心对心电信号的研究，开发的可应用于体心脏系统的非线性动力特征分析软件，从而可实现ECG时域分析，心率变异率（Hear Rate Variability，HRV）分析，和有关非线性动力特征分析（Reconstructed Phase Space，RPS）分析等。

该软件进行信号的处理分析、疾病的辅助诊断，并给出综合报告。

对于心脏信号具体诊断分析过程大致如下：①用户登录进行身份验证。

②建立档案，用来录入被测试者基本信息，包括姓名、性别等。

③监测主要负责脉搏信号的采集与动态显示，接收数据、波形实时显示屏幕上，数据保存后，可对使用者进行数据分析。

④进行数据的分析与维护，其中可以调出保存的被测试者的过往数据作为参考。

本软件可以实现选择用户记录、修改用户信息、显示该被测试者的脉搏波形，数据存储和分析等功能。

建立与脉搏信号相对应的疾病样本数据库具有重要的意义，不仅有利于临床应用研究，而且具有重要的商业价值。

图4.3为此医生端软件分析平台拟采用的用户理界面。

进入界面后，再进一步选择所需的项目
进行具体的分析，例如图4.3为选择HRV分析时给出的各类分析图表。

图4.3专业分析软件的主界面
图4.4HRV分析软件界面和相关分析图表
5、结论
心脏病，由于其危害严重和检测的复杂性，一直倍受关注。

常用的检测手段和设备，虽然已经比较成熟，但是主要是面向医院中的患者，对于潜在患者和老龄人口等人群却不适用。

本文对常用心电设备进行了讨论和分析，说明了便携性，实时性的重要性，根据无线技术的发展趋势，提出了一种便携式心脏信号设备的设计方案，并讨论了其原理和可行性。

此设备利用网络或无线技术，可实时的进行数据传输，进而实现远程医疗，以及小的成本，实现对特定人群的监护和预警。

对于采集来的数据，再该辅以相应的软件平台支持，本文对正在开发的此软件平台进行了简要的讨论和介绍。

如何完善和提供准确合理的软件平台，将是下一步的主要工作。