基于生物反饋技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

　　［摘要］ 目的：設(shè)計一種可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測患者的心電變化。方法：基于生物反饋技術(shù)，引入生物反饋訓練，設(shè)計具有放松療法和行為療法功能的可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用射頻識別（RFID）的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無線傳輸，并應用矩陣實驗室（MATLAB）軟件簡單實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的家庭化分析。結(jié)果：系統(tǒng)實現(xiàn)了可穿戴式的無線心電監(jiān)測，可更好地調(diào)動患者的主觀能動作用，使其自發(fā)地進行心理、生理活動的內(nèi)在調(diào)節(jié)，進而達到預防疾病或治療疾病的目的。結(jié)論：應用生物反饋技術(shù)和基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)具有較強的實用性，可推廣應用。

　　心電監(jiān)測廣泛應用于臨床與康復護理中，能夠?qū)崟r監(jiān)測患者的心電變化，且監(jiān)測設(shè)備能夠及時、自動地給予患者一定的指導，使患者能夠有意識地自主調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能，進而調(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功能的配套軟件有著廣闊的應用前景。本研究應用基于無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了可穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)；借助普通個人計算機（personal computer，PC），充分發(fā)揮矩陣實驗室 （matrix laboratory，MATLAB）軟件的強大數(shù)據(jù)分析處理能力，便于在MATLAB環(huán)境中實現(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現(xiàn)一定范圍的遠程心電監(jiān)測，還可以在PC機上自助分析其心電信號，進行簡單的參數(shù)檢測和波形檢測。

　　1 生物反饋技術(shù)及生物反饋訓練

　　1.1 生物反饋技術(shù)

　　心理活動和生理活動之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，這是無意識的生理活動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)即通過有意識地訓練，使患者意志可以在一定條件和范圍內(nèi)支配原來認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，使患者實實在在地“感覺”到自己內(nèi)臟器官的活動情況；患者通過學習和訓練，學會在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)其自身的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的高級機能來糾正、恢復或者穩(wěn)定其內(nèi)臟器官活動，進而達到防治疾病的目的。生物反饋的實現(xiàn)，需要患者機體各系統(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)動各系統(tǒng)參與生理、心理功能的調(diào)節(jié)，進而形成反饋信息—調(diào)節(jié)環(huán)路，使患者機體不平衡的心理、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、生理學、臨床醫(yī)學和現(xiàn)代電子學等諸學科發(fā)展的基礎(chǔ)上，順應“生物→心理→社會”醫(yī)學模式的發(fā)展，以其無損傷、無痛苦、無藥物不良反應、方法簡便及療效滿意等優(yōu)點在預防醫(yī)學、康復醫(yī)學、臨床醫(yī)學和其他領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應用。

　　1.2 生物反饋訓練

　　生物反饋訓練重在患者機體行為（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，強調(diào)持之以恒，生物反饋的作用機制如圖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練效果，但不能替代訓練，患者須自覺調(diào)動自身潛力，積極參與到治療中來。經(jīng)過一定時間的訓練，患者可以不再使用生物反饋治療裝置也可達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練，忽視生理和心理治療，療效將不會持久。將行為訓練和生理治療、心理治療相結(jié)合，能夠使治療效果更加穩(wěn)定、持久。

　　具有良好的抗應激效果的生物反饋放松訓練，不僅可以使患者克服由于病痛帶來的負面情緒和精神創(chuàng)傷，而且通過訓練能夠使痙攣和緊張的肌肉逐漸放松，加強對病痛部位生理信息的感知和控制，鼓勵患者增加康復的信心，能夠使其從精神痛苦中解脫出來。患者在放松狀態(tài)時表現(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。生物反饋放松訓練可單獨使用，也可與藥物或其他心理療法配合，從而達到減少藥物用量，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)的設(shè)計

　　隨著計算機技術(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?？纱┐鬟h程醫(yī)療能夠為患者提供低負荷、非接觸及長期連續(xù)的生理檢測，作為新一代醫(yī)療監(jiān)護模式，被認為是最有效和最實際可行的監(jiān)護手段。本研究應用基于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)，在實現(xiàn)患者心電參數(shù)的連續(xù)、長時間監(jiān)測的同時，輔以專家指導功能，指導患者有意識地進行生物反饋訓練。

　　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、可同時識別多目標以及運動目標且操作方便快捷。RFID系統(tǒng)包括電子標簽、讀和（或）寫卡器、數(shù)據(jù)處理軟件平臺等3大部分。RFID電子標簽存儲容量可達兆字節(jié)，亦可以重復讀寫，可隨時存取設(shè)備信息。

　　為了實時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標簽；在一定范圍的患者自由活動區(qū)域分布安裝RFID讀卡器，其安裝范圍越廣，則患者可自由活動區(qū)域越大，讀卡器的電子編碼可對應相應的患者活動區(qū)域身份（Identity，ID）標識。帶有主動式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，上位PC機根據(jù)所獲得的信息將RFID編碼與相應心電監(jiān)測裝置即相應患者ID對應，即可自動跟蹤、監(jiān)控該心電監(jiān)測裝置的運行，并后臺存儲數(shù)據(jù)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中；如果需要，還可以實時在上位機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提取對應的心電數(shù)據(jù)，進而應用配套的系統(tǒng)軟件隨時監(jiān)測相應心電圖。

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

　　系統(tǒng)軟件讀取采集來的心電數(shù)據(jù)，可在計算機上實時動態(tài)顯示心電信號，并應用MATLAB的小波分析工具箱，對實時采集的心電信號進行簡單的參數(shù)檢測和波形檢測。系統(tǒng)采用標準的Windows窗口界面風格，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。進入系統(tǒng)后可以隨時對被監(jiān)測患者的基本信息資料進行查詢、修改、保存及打印等操作。

　　2.2.1 心電采集及分析模塊

　　實現(xiàn)心電信號的采集、預處理以及分析顯示。小波變換非常適用于分析心電信號這種非平穩(wěn)信號，應用MATLAB的小波分析工具箱，對實時采集的心電信號進行簡單的參數(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。

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

　?。?）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)測及生物反饋訓練的相關(guān)理論知識，以做好生物反饋訓練。在使用本系統(tǒng)之前患者可在醫(yī)生指導下針對其心電狀況進行一段時間的有意識的生物反饋訓練，通過訓練，學會在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)其自身的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的高級機能來糾正、恢復或者穩(wěn)定其心電。經(jīng)多次訓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)動其自身機能系統(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，進而達到防治疾病的目的。在使用過程中患者可隨時借助系統(tǒng)幫助模塊指導其訓練。

　?。?）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制以及缺乏操作簡便而能定量評價訓練效果的生物反饋裝置等，均有待于進一步地研究。本研究設(shè)計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)應用的有益探索和嘗試，經(jīng)試用表明具有一定的推廣應用價值。隨著研究的深入，生物反饋技術(shù)將擁有越來越廣泛的應用前景。