CN104224162B - 一种基于安卓手机与3d电极的驾驶员心电监护系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统及方法，该系统包括传导电极、心电采集电路、下位机模块、蓝牙模块和安卓手机。导电布电极有两个，分别安置在方向盘上与驾驶员双手接触位置；电极有三个，其中两个安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应的位置，另一个安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置；心电采集电路包括前置放大电路和工频限波电路，下位机模块与工频限波电路连接，下位机模块与蓝牙模块连接；安卓手机通过蓝牙模块与下位机模块建立无线连接。本发明采用3D电极作为参考电极提高抗干扰能力，3D电极能够更好地贴合于测试者的身体表面，不需要额外的支撑；利用安卓手机本身完成GPRS、GPS和报警功能，系统便携性和可靠性也大大提高。

Description

一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统及方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程和机械电子工程技术交叉领域，具体涉及一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统及方法。

背景技术

近年来，随着汽车的数量急剧增加，道路交通安全问题也日益严峻，驾驶员的健康状况也引起了人们的关注。司机一族由于交通环境恶劣和休息不足等原因患心血管病的比例也在逐年上升。国内有新闻调查统计，有大约10％的驾驶者患有心血管疾病。在当下恶劣的交通环境下，很容易出现突发心脏疾病或者疲劳驾驶从而引发事故。而检测驾驶员的心电信号直接关系到驾驶员的生命安全，因此，准确快速检测驾驶员心电信号并对异常状况及时预警尤为重要。

目前常用的心电测量系统大都使用湿电极，即在测量心电信号时需要涂抹导电膏，这种做法具有如下缺陷：导电膏会对人体皮肤产生刺激，使得被试者产生不同程度的过敏反应；并且一段时间之后导电膏中的水分会蒸发致使阻抗增加，增大信号采集噪声；对于长时间的监测，为降低阻抗需多次涂抹导电膏，这样会带来极大的不便；在车辆行驶过程中会影响驾驶人员的操作，不适合驾驶员使用。对此我们提出使用干电极(无需导电膏)，采用非接触方式采集驾驶员的心电信号。

3D打印快速成型技术无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短了产品的研制周期，提高了生产率和降低了生产成本。3D打印技术改变了传统制造业的格局，将引领又一次新技术革命。用3D打印技术制作干电极，降低了使用成本，并可以根据使用者的情况自制干电极，可有的放矢的制造测量电极。

近年来，由于集成电路技术和无线通讯技术的发展，给驾驶员健康监护的研究拓宽了空间。目前也出现了一些驾驶员安全监测的设备，例如疲劳驾驶远程预警系统，汽车司机防睡唤醒器，这些方案解决了关于疲劳驾驶的部分问题，但是对于驾驶员突发疾病状况没有提及；再如专利文献201220268385.6公开了“一种汽车驾驶员健康状态监测系统”，采用安装在汽车上的若干电极、模数转换单元、中央控制单元、报警单元和数据存储单元、GPRS无线通讯单元、GPS全球定位单元组成，虽然解决了对驾驶员突发心脏疾病的预测和报警，但是采用的模块较多，成本较高，另外设备的便携性和可靠性有待进一步提高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统，包括：传导电极、心电采集电路、下位机模块、蓝牙模块和安卓手机。

所述传导电极包括导电布电极和3D电极；

所述导电布电极有两个，分别安置在方向盘上与驾驶员双手接触位置；

所述3D电极有三个，其中两个安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应的位置，另一个安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置；

所述心电采集电路包括前置放大电路和工频限波电路，前置放大电路的输入端分别连接三个3D电极，或者前置放大电路的输入端分别连接两个导电布电极和安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置的3D电极；前置放大电路的输出端连接工频限波电路的输入端；

所述下位机模块的输入端与所述工频限波电路的输出端连接，下位机模块通过串口与蓝牙模块连接；

所述安卓手机通过蓝牙模块与下位机模块建立无线连接。

所述安卓手机存储有报警短信、报警电话和求助语音文件。

采用所述的基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统进行驾驶员心电监护的方法，包括以下步骤：

步骤1：在车辆行进过程中，安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置的3D电极实时采集驾驶员右腿部的电信号作为参考信号，两个导电布电极实时采集驾驶员双手的心电信号或者安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应位置的3D电极实时采集驾驶员背部的心电信号；

步骤2：前置放大电路利用采集到的参考信号对心电信号去除干扰，心电信号经放大和工频限波处理后输出至下位机模块；

步骤3：下位机模块对采集到的心电信号进行抬高电压和A/D转换处理，并将驾驶员心电信号通过蓝牙模块发给安卓手机；

步骤4：安卓手机对接收到的心电信号去除基线漂移并计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤4-1：对心电信号去除基线漂移，得到平滑的心电信号；

步骤4-2：根据去除基线漂移后的心电信号计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤4-2-1：利用差分法检测心电信号的R点位置：设定心电信号的数据间隔为75个数据点，采样率为200Hz，对心电信号分段进行差分运算，得到R点位置；

步骤4-2-2：计算R点位置两侧的与R点距离最近的极小值点的位置，即Q点位置和S点位置；

步骤4-2-3：根据R点位置、Q点位置和S点位置计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤5：根据心率、R-R间期和QRS间期判断驾驶员的心电信号是否异常：若一个周期内的平均心率大于100、一个周期内的平均心率小于60或者QRS间期大于120ms，则驾驶员的心电信号异常，安卓手机发出声音报警，并通过安卓手机内的GPS模块获取安卓手机所在位置，并发送报警短信和拨打报警电话，该报警短信的内容包括驾驶员所在位置和求助信息，报警电话接通时播放求助语音文件；否则，返回步骤1。

有益效果：

本发明的心电监护系统，在驾驶员腿部采用非接触3D电极作为参考电极实施起来更简洁，提高了抗干扰能力；利用安卓手机本身完成GPRS单元、GPS单元和报警单元的功能，降低了系统成本，实现心电数据的高级处理方法，系统整体便携性和可靠性也大大提高；在汽车行驶过程中实现对驾驶员心电信号实时监测，对突发疾病的判断提供必要的参数信息，使行车更为安全。

本发明的另一优点为可以采用非接触式3D打印快速成型电极，相比于贴片电极它能够重复使用，这样会大大节约资源与能源。3D打印机能够打印出复杂的形状，经过实验得出凸面结构能够增大导电铜线与被测部位的接触面积并增大压强。相比于导电布等非接触式电极，3D打印电极能够更好地贴合于测试者的身体表面，不需要额外的支撑；还可以根据不同的测试部位，制作出不同的电极模型。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式的基于安卓手机与3D电极的驾驶员非接触心电监护系统结构示意图；

图2为本发明的具体实施方式的导电布电极的安装位置示意图；

图3为本发明的具体实施方式的3D电极的安装位置示意图；

图4为本发明的具体实施方式的3D电极的结构示意图；

图5为本发明的具体实施方式的单片机外围的加法电路原理图；

图6为本发明的具体实施方式的单片机外围的复位电路原理图；

图7为本发明的具体实施方式的单片机外围的晶振电路原理图；

图8为本发明的具体实施方式的下位机模块与蓝牙模块的电路连接原理图；

图9为本发明的具体实施方式的安卓手机工作流程图；

图10为本发明的具体实施方式的安卓手机心电分析和异常预警工作流程图；

图11本发明的具体实施方式的驾驶员心电监护方法流程图；

图12为本发明的具体实施方式的心电采集电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统，包括：传导电极、心电采集电路、下位机模块、蓝牙模块和安卓手机。

传导电极包括导电布电极和3D电极；如图2所示，导电布电极1有两个，分别安置在方向盘上与驾驶员双手接触位置；导电布电极1是以纤维布(常用聚酯纤维布)经过前置处理后施以电镀金属镀层使其具有金属特性而成为导电纤维布，置于方向盘上，从驾驶员手部采集心电信号。如图3所示，3D电极有三个，本实施方式采用基于3D打印模型的非接触式生物电信号采集电极，如图4所示，这种电极是将除去绝缘胶皮的铜导线6穿过并缠绕于3D打印模型4，在模型表面制作出凸面结构5用以增大导电铜线与被测部位的接触面积并增大压强；其中两个3D电极2安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应的位置，以便从驾驶员背部采集心电信号；另一个3D电极3安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置，用作参考电极去除干扰。

本实施方式的3D电极的材料为ABS塑料，3D电极的长宽尺寸均为6cm，尺寸的大小没有严格限制，但太大容易相互接触造成短接，设计过程是：先通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。3D建模是在SolidWorks环境下完成的，将三维模型保存为stl格式。打印时设定分层厚度为0.1mm，表皮厚度为0.8mm,底层/顶层厚度为0.6mm，填充率为80％，打印速度为60mm/s，喷嘴温度为190℃，底板温度为60℃，支撑类型选择无，耗材的直径设为2.9mm，挤出量为100％。3D模型打印好后将除去绝缘胶皮的铜导线依次穿过并缠绕于模型表面凸面结构，至此基于3D打印模型的生物电信号采集电极制作完成。

心电采集电路包括前置放大电路和工频限波电路，前置放大电路的输入端分别连接三个3D电极，或者前置放大电路的输入端分别连接两个导电布电极和安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置的3D电极；前置放大电路的输出端连接工频限波电路的输入端。

如图12所示，本实施方式以仪器放大器AD620作为前置放大器的核心器件，采用差动输入的方式，其中TL064运放、R1、R2和C1组成“浮地”驱动电路。输入信号分别取自人的手臂或背部(RA置于左边，LA置于右边)，右腿(RL)电极作为参考，导联引线使用屏蔽电缆以增强系统抗干扰能力，将屏蔽层接到与共模输入信号相等的电位点上，以避免信号线和屏蔽层之间产生的分布电容造成的共模误差；双T有源限波电路用于滤除50Hz的工频干扰；

本实施方式的下位机模块采用MSP430F149型号的单片机，用于将采集的心电信号转成数字信号。单片机外围连接有加法电路(如图5所示)、复位电路(如图6所示)和晶振电路(如图7所示)。从心电采集电路输出的信号UO接下位机模块的IN端。下位机模块与蓝牙模块的电路连接如图8所示。由于之前采用差动放大的方式，电压有可能会出现负值，故使用R10、R11、R12、R13、R14和TL064组成加法电路，抬高信号电压，经过处理的信号接到单片机的P6.0引脚进行模数转换，模数转换器选择MSP430F149单片机内置的12位AD转换器。

下位机模块的输入端与工频限波电路的输出端连接，下位机模块通过串口与蓝牙模块连接；安卓手机通过蓝牙模块与下位机模块建立无线连接。

本实施方式的蓝牙模块型号为BLK-MD-BC04-B，支持UART接口。蓝牙模块的RXD和TXD两管脚分别与单片机的UTXD0和URXD0相连，两者的波特率均设为9600，并且两者共地。

本实施方式的安卓手机可以采用任意一款采用安卓系统的智能手机，安卓设备接收到蓝牙模块发送的心电数据后将其保存到一个ArrayList动态数组中，数组采取循环移位的方式大小一直控制在1600个点，实际上该数组就是8s内的所有接收数据，对心电数据的实时监测就是由对此数组的分析得出的。安卓手机存储有报警短信、报警电话和求助语音文件。

本实施方式的安卓手机可以按如图9所示的工作流程工作，当安卓手机接收到远程蓝牙模块上发送来的心电数据，进行滤波后，采用支持双线程SurfaceView绘出相应的心电波形，通过Timer来刷新心电波形。计算心率、R-R间期和QRS间期等特征参数，并根据心率、R-R间期和QRS间期判断驾驶员的心电信号是否异常，如图10所示。远程报警功能的实现方式为：当心电信号出现异常时，安卓手机获取其当前位置的经度和纬度，进而得出具体位置以字符串形式和报警短信内容一起以短信形式发送到报警电话号码上；同样的，安卓手机可以自动拨打预设的报警电话号码，在通话接通时可以播放预先录好的求助语音文件，实现通信求助。

采用基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统进行驾驶员心电监护的方法，如图11所示，包括以下步骤：

步骤1：在车辆行进过程中，安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置的3D电极实时采集驾驶员右腿部的电信号作为参考信号，两个导电布电极实时采集驾驶员双手的心电信号或者安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应位置的3D电极实时采集驾驶员背部的心电信号；

步骤2：前置放大电路利用采集到的参考信号对心电信号去除干扰，心电信号经放大和工频限波处理后输出至下位机模块；

步骤3：下位机模块对采集到的心电信号进行抬高电压和A/D转换处理，并将驾驶员心电信号通过蓝牙模块发给安卓手机；

安卓手机接收到蓝牙模块发送的心电信号后将其保存到一个ArrayList动态数组中，数组采取循环移位的方式大小一直控制在1600个点，系统采样率为200Hz，两采样点间隔为5ms，实际上该数组就是8s内的心电接收数据，对采集的驾驶员心电信号进行带通滤波预处理，滤波器选择整系数滤波器，采用方式为：一个全通滤波器-(一个低通滤波器+一个高通滤波器)。低通滤波器中心频率设在ω＝0处，高通滤波器中心频率设在ω＝π处，两者带宽均设为1Hz；

步骤4：安卓手机对接收到的心电信号去除基线漂移并计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤4-1：对心电信号去除基线漂移，得到平滑的心电信号；

步骤4-2：根据去除基线漂移后的心电信号计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤4-2-1：利用差分法检测心电信号的R点位置：设定心电信号的数据间隔为75个数据点，采样率为200Hz，对心电信号分段进行差分运算，得到R点位置；

对ArrayList动态数组设定数据间隔为75个点，对信号分段做差分运算，公式如下：

y₀[n]＝|x[n]-x[n-2]|，y₁[n]＝|x[n]-2x[n-2]+x[n-4]|，y₂[n]＝1.3y₀[n]+1.1y₁[n]

计算y₂[n]数据中的最大值y_max，判断其是否超过设定的阈值，即y_max≥0.6是否成立，如果是则判定数据点x[n-2]为R点。

步骤4-2-2：计算R点位置两侧的与R点距离最近的极小值点的位置，即Q点位置和S点位置；

得到R点后求出两侧与之距离最近的极小值点，左侧即为Q点，右侧为S点，Q和S点的位置相减再乘时间间隔(5ms)可求出QRS间期。

步骤4-2-3：根据R点位置、Q点位置和S点位置计算R-R间期、QRS间期以及心率；

根据相邻两个R点位置可求得R-R间期。计算平均心率HR的公式为：HR＝60/R-R。

步骤5：根据心率、R-R间期和QRS间期判断驾驶员的心电信号是否异常：若一个周期内的平均心率大于100、一个周期内的平均心率小于60或者QRS间期大于120ms，则驾驶员的心电信号异常，安卓手机发出声音报警，并通过安卓手机内的GPS模块获取安卓手机所在位置，并发送报警短信和拨打报警电话，该报警短信的内容包括驾驶员所在位置和求助信息，报警电话接通时播放求助语音文件；否则，返回步骤1。

Claims (1)

1.一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护方法，采用一种基于安卓手机与3D电极的驾驶员心电监护系统，包括：传导电极、心电采集电路、下位机模块、蓝牙模块和安卓手机；

所述传导电极包括导电布电极和3D电极；

所述导电布电极有两个，分别安置在方向盘上与驾驶员双手接触位置；

所述3D电极有三个，其中两个安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应的位置，另一个安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置；

所述心电采集电路包括前置放大电路和工频限波电路，前置放大电路的输入端分别连接三个3D电极，或者前置放大电路的输入端分别连接两个导电布电极和安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置的3D电极；前置放大电路的输出端连接工频限波电路的输入端；

所述下位机模块的输入端与所述工频限波电路的输出端连接，下位机模块通过串口与蓝牙模块连接；

所述安卓手机通过蓝牙模块与下位机模块建立无线连接；

其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：在车辆行进过程中，安置在驾驶员座椅与驾驶员右腿部对应位置的3D电极实时采集驾驶员右腿部的电信号作为参考信号，两个导电布电极实时采集驾驶员双手的心电信号或者安置在驾驶员座椅与驾驶员背部对应位置的3D电极实时采集驾驶员背部的心电信号；

步骤2：前置放大电路利用采集到的参考信号对心电信号去除干扰，心电信号经放大和工频限波处理后输出至下位机模块；

步骤3：下位机模块对采集到的心电信号进行抬高电压和A/D转换处理，并将驾驶员心电信号通过蓝牙模块发给安卓手机；

步骤4：安卓手机对接收到的心电信号去除基线漂移并计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤4-1：对心电信号去除基线漂移，得到平滑的心电信号；

步骤4-2：根据去除基线漂移后的心电信号计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤4-2-1：利用差分法检测心电信号的R点位置：设定心电信号的数据间隔为75个数据点，采样率为200Hz，对心电信号分段进行差分运算，得到R点位置；

步骤4-2-2：计算R点位置两侧的与R点距离最近的极小值点的位置，即Q点位置和S点位置；

步骤4-2-3：根据R点位置、Q点位置和S点位置计算R-R间期、QRS间期以及心率；

步骤5：根据心率、R-R间期和QRS间期判断驾驶员的心电信号是否异常：若一个周期内的平均心率大于100、一个周期内的平均心率小于60或者QRS间期大于120ms，则驾驶员的心电信号异常，安卓手机发出声音报警，并通过安卓手机内的GPS模块获取安卓手机所在位置，并发送报警短信和拨打报警电话，该报警短信的内容包括驾驶员所在位置和求助信息，报警电话接通时播放求助语音文件；否则，返回步骤1。