基于C语言的心电图机的研究

基于C语言的心电图机的研究

薛皓洁       ,薛腾飞

陕西省计量科学研究院,    陕西 西安    710100

摘要：随着人们衣食住行水平的提高，高盐、高糖、高脂饮 食及工作生活压力使心血管病发病率与死亡率迅速攀升。《中国心血管病报告2018》指出，我国约2.9亿人患心血管病, 死亡率为各种疾病首位 。心血管疾病已成为威胁构建人 类卫生健康共同体的危险因素之一 ，也是全球医学界的 难题。心电图机是对心血管疾病早期筛查与检测的有效手段 ，对降低心血管疾病的死亡率有重要价值。医院普遍 使用的是常规心电图机和 Holter 心电图机，这两种心电设 备发展成熟，但存在的问题也愈加明显。常规心电图机体 积大、携带困难，仍然采取导线连接，其探头需要涂电导 液，操作过程复杂，很难实现对心血管疾病突发患者的及 时检测，而且在此过程中患者处于被动地位，只能等医生 做心电图，这样有可能延误抢救时机，导致患者死亡率的 增加。Holter 监护仪只能做到连续监测 1~2 d，原因是凝胶湿电极不适合长期与皮肤接触，容易引起皮肤红肿等过敏 反应，电极片易皱、易脱落，各种导线缠在身上，非常不便。再加上近期新型冠状病毒肺炎疫情已在全世界蔓延 ， 新冠肺炎也会造成患者的心脏损伤，方舱医院的隔离患者也需要一种新型的智能式心电图机。心电图机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。心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体组织向各部分传导。由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，这种人体心脏内电活动所产生的表面电位与时间的关系称为心电图。心电图机则是记录这些生理电信号的仪器。国内一般按照记录器同步输出道数分为：单道、三道、六道和十二道心电图机等。　本文针对临床心电图机的现状设计开发了基于 C的心电图机软件，并提出了由上位机软件、实 验室自行研制的无线网关和心电图机构成的无线智 能输液监测系统。系统中的上位机软件实现了多个心电图机的全面监测实时监控，且操作 简单，兼容性较强，易于在医院落实推广，有助于提 高工作效率和医护质量。

1、智能心电图机系统总体结构

智能心电图机是一种面向大众，预防和诊断心 脏疾病的重要仪器 , 它具有便携式、傻瓜式操作等特点， 能够及时对 ECG 信号进行采集、存储、处理、人工智能分 析、上传和下载典型的智能心电图机的工作原理，病人户外或家中发病时，及时拿出智能心电图机检测心电，然后 上传云端进行 AI 初步诊断，再由后台专家再次诊断。若诊 断心脏疾病，后台系统自动向急救中心报警，急救中心可 及时收到诊断，缩短了病人的抢救时间。用户、手机心电 图机、医院、医生，形成良好的四方交互，还可进一步建 立个体化心电云端数据库,实现疾病的筛查、早期诊断及 动态跟踪管理

发展历程 1902 年，荷兰生理学家 Einthoven 发明了弦线电流计， 并用它记录到清晰的心电波形，又在 1908 年将其改进为 弦线式心电图机，Einthoven 也因为对心电图学的开创性 工作于 1924 年被授予诺贝尔生理学和医学奖 [15-16]，从此 Einthoven 被称为“心电图之父”。这是第一代心电图机。 随着人们对心脏疾病的认识，有些疾病须要连续长程 检测心电。美国生物物理学家 Holter 在 1961 年发明出一种 便携式心电监测装置，它可以记录长达数十小时的心电数 据，这使在院外记录心电图成为了可能 。第二代心电 图机就此诞生。 进入 21 世纪，互联网的普及，科学家开始研制心电图机。2013中国赫米兹（Humeds） 公司研发了 CARDEA-3 手机心电图机。它通过了国际 SIQ 认证、中国 CMA 检验，融合了三导联、干电极、无线传输、 云系统、人工智能 AI 等技术，实现了连续 150 h 的长程监测， 相较于一二代心电图机，智能心电图机的优势更加明显 ，心电图机大致经历了以上 3 代变化如。

2、软件功能设计

该系统中的输液监测仪软件功能结构图如图2所示

图2

心电导联 心电导联是指采集心电信号时电极在体表放置的部位 及电极与设备的连接线路。临床常用的标准 12 导联心电 包括 3 个双极肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，3 个单极加压肢体导 联 aVL、aVR、aVF 和 6 个单极胸导联 V1~V6。不同导 联功能不同，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联适用于诊断左前分支传导阻 滞等心律失常 ；Ⅱ、Ⅲ、aVF 导联适合探测非特异性 ST、 T 段的改变，对心绞痛、冠心病等判断具有一定价值； aVR 导联可判断窦性心律、心室肥大、阵发性室上性心动 过速、室性心动过速等 [26]。目前常见的手机心电图机主。有单导联、三导联和十二导联系统。 智能心电图 机是单次三导联，比单导联设备获得的信息更为丰富，比 十二导联设备更加便捷，可分析大部分的心律失常。它可 分别测量 V1~V9 导联和肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，测量比较全 面，可以完成心脏的三维立体定位，诊断简单明了。

心脏急救应用 心脏病发病具有突发性和易过性特点。心脏病患者（尤其是早期）发病时常常不在医院，记录不到当时的心电图， 从而难以检测出病因 [34]。因此一部可随身携带、随时检测的智能心电图机，会对心脏病人的急救提供很大的帮助。 比如 智能心电图机，它开机且连接手机蓝牙需 要5 s，放在测量位置需要 1 s，发病 6 s 就可测心电图，这 对患者的急救相当重要，甚至因为这几秒钟就可以挽救患 者的生命。它的长程监测可长达 150 h，对患者心脏疾病的 预防也是一个保障。手机心电图机适合院外、社区、家庭、 个人急救使用，若它能像温度计一样普及到千家万户，那 么心脏病的抢救成功率将会大大提高 。 如今，人们的工作压力增加、饮食不规律、缺乏运动， 很容易诱发心脏疾病，如心律失常、房颤、心梗等。如果 在院外发病，人们很容易忽视心脏病的前兆症状，久而久之， 心脏疾病最终会爆发。如果能给每个家庭普及一台便携式 手机心电图机，让人们出现症状时及时给自己进行一次心电图筛查，

3、总结与展望 手机心电图机研发的不断进步与完善，是中国心血管疾病患者的最大福音。尤其是在农村基层，医疗设备严重 缺乏的地方，手机心电图机的普及能很大程度上改善我国 心血管疾病死亡率逐年增高的状况，为广大人民提供了健 康保障。智能心电图机已解决了干电极、5G 无线 传输、无限容量云端储存、人工智能 AI 实时分析、远程 专家世界会诊以及重大传染病疫情隔离式监护等问题。欧 美等发达国家已经建立了主要针对西方人类的心电数据库， 例如 MIT-BIH 数据库等，而我国心电数据库的研究起步相 对较晚，尽管有研究机构、学者尝试过建立心电数据库， 但大多是小样本数据 , 缺少严谨的科学设计以及广泛的样 本代表性，导致我国手机心电图机仍然在使用西方人的数 据库。研究建立开源、标准的适用于中国人群的智能心电数据库，对于智能心电图机的临床应用及普及有着 十分重要的意义。此外，在未来，手机心电图机有望将血 氧饱和度、体温、血糖、呼吸和血压等参数也囊括进来， 成为家用多功能手机监护仪。随着手机心电图机的作用愈 发重要，它将为构建精准的人工智能医疗模式做出巨大贡献，也为共同构建人类卫生健康共同体打下坚实的基础。