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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
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。
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。
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。
















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