具心电图病症判读之可携式紧急救援系统.doc

具心電圖病症判讀之可攜式緊急救援系統具心電圖病症判讀之可攜式緊急救援系統1A Portable Tele-Emergent System Supporting Electrocardiogram (ECG) Discrimination李仁貴* 陳崇慶 蔡百原 楊坤岳R. G. Lee*, C. C. Chen, P. Y. Tsai, K. Y. Yang台北科技大學台北科技大學台北科技大學台北科技大學電通所電通所電子系電子系副教授摘要本文在現有GSM網路架構下，運用簡訊服務(Short Message Services, SMS)實現緊急救援裝置(Tele-emergent device)，系統結合生理訊號擷取電路、藍芽無線傳輸及全球定位系統(GPS)，具備輕巧及無線化之特性。利用”So and Chan” R波偵測演算法，將心電訊號依R波位置切割成許多模板，並使用心電圖樣板(Template)進行相關係數(correlation coefficient)運算，達到異常心率判讀之目的。系統提供兩種使用模式，可針對外出的慢性心臟病患者或是居家型睡眠阻斷症與無法自主呼救的使用者，皆能有效掌握所在位置及生理狀態，提高救援行動的時效性。對於罹患心臟疾病的患者能提供更有效率的救援模式。AbstractThis article describes a system concept that under existing GSM (Global System of Mobile communication) using Short Message Services (SMS) and Tele-emergence devices, a system integrates Electrocardiogram (ECG) signal acquisition circuit, Bluetooth transmission protocol, and Global Positioning System (GPS). Features of the device are light, compact, and wireless. The system utilizes “So and Chan” QRS Detection algorithm to partition the signal of ECG based on R signal wave into templates and to calculate correlation coefficient for these templates to detect abnormal heat rate. The system provides 2 modes, which are suitable for two kinds of users: 1. Chronic cardiac patients who go out at times. 2. Sleep blocking symptom patients who are at home and who cant call for help. The users location and physical condition can be obtained to increase efficiency for rescue. We are providing more efficient rescuing methods for cardiac patients.2臺北科技大學學報第三十七之一期關鍵詞(Keywords)：緊急救援、藍芽、全球定位系統、簡訊服務、心電圖、R波偵測、心電圖判讀(Emergency-care，bluetooth、Global Positioning System、Short message service，electrocardiogram，QRS Detection，ECG Discrimination)投稿受理時間: 92 年 10 月 15 日 審查通過時間: 92 年 12 月 24 日215壹、緣由與目的依據行政院衛生署2001年的統計資料，按致命疾病類別來區分，國人死因排行第一位是惡性腫瘤，約有11,406人，第二位則是心臟病，亦有4,703人。惡性腫瘤是一種慢性疾病，然而心臟病卻可能導致急性心肌梗塞而造成猝死，一般來說心臟病發生的年齡層為中、老階層，近幾年由於飲食習慣的改變，心臟疾病有漸漸年輕化的趨勢，因此心臟病遂成為現代人的隱形殺手，隨時可能造成不能挽回之遺憾。由於醫療科技的進步，心電訊號被廣泛地用來監測異常心臟生理現象，如心率不整、房室阻斷、心肌埂塞等。許多的心電異常訊號並非長期存在，一般心電監測都是透過霍特式(Holter)心電圖紀錄器來進行24小時的紀錄，因而限制了病患的活動，造成許多日常生活上的不便。所謂的異常心電訊號並非都會出現立即性的危機，但有些心電狀況像是心室顫動，若是無法即時察覺緊急處理，常是造成成人猝死的主要原因。為了提供心臟病患者正常的生活品質及保障其生命安全，發展出一套可攜式且具備異常心電訊號即時判讀的緊急救援系統是發展現今社會醫療體系值得重視的課題12。心電圖是用來診斷心臟疾病最主要的工具之一。在心電圖的分析上，R波是個非常顯著的特徵，絕大部分的自動ECG判讀技術都需要一個高精確度的R波偵測演算法。由於每個人彼此存在許多的差異性，要如何發展出一套偵測R波的演算法來適應各式不同的心電圖，是一個重要的研究議題1,2,3,4,8。本文採用GSM網路為基礎，利用藍芽無線通訊技術(Bluetooth Communication Technology)整合心電信號(electrocardiogram)判讀技術及GPS(Global Positioning System)定位服務，運用簡訊服務機制達到緊急救援的目的。具心電圖病症判讀之可攜式緊急救援系統3貳、系統功能系統包括兩大部分，USER端及SERVER端，USER端又可分為居家模式及戶外模式。USER端系統架構圖如圖(一)、(二)所示。居家模式及戶外模式可適用於罹患心臟疾病之患者甚至是平時無人照護的獨居老人或是失智老人。居家模式為使用者平日在住家時，利用生理訊號擷取電路，透過短距離的藍芽無線介面傳輸，傳至PC端(具藍芽傳輸介面)，在PC上撰寫異常心電判斷程式，透過GSM模組來發送SMS訊息(包含求救訊息及居家位置)至SERVER端(通常是救護醫療單位)，當SERVER端接受到此求救訊息時，便能進行緊急救護的行動。圖(一)USER端居家模式戶外模式則是當使用者外出時，利用心電圖擷取電路擷取ECG透過藍芽傳輸至行動通訊裝置(GSM-Based藍芽傳輸介面)，同時GPS模組亦正常運作(POWER ON)，我們在行動通訊裝置上執行異常心電圖判讀程式，當異常心律發生且危急生命時將藍芽模組傳輸切換至GPS模組，經由行動通訊裝置的簡訊服務，發送使用者所在位置信息給SERVER端，進行必要的救援行動。圖(二)USER端戶外模式圖(三)為SERVER端架構圖，SERVER端利用GSM模組接收SMS緊急求救訊息(包含位置訊息)，將位置訊息匯入電子地圖中，取得使用者所在位置，以便進行緊急救援的服務。圖(三)SERVER端參、系統架構與方法圖(四)為本系統完整架構圖，包含心電圖前端擷取電路、藍芽傳輸模組、GPS模組、混和訊號處理器(MSP 430)、LCD觸控面板(Touch Panel)、 GSM無線通訊裝置及個人電腦(含GSM模組)等。演算法部分，則是在USER端的GSM手機及PC平台上開發。4臺北科技大學學報第三十七之一期圖(四)系統架構圖圖(五)為本文的生理訊號擷取電路方塊圖，原始的心電訊號極為微弱，所以要透過儀表放大器放大原始心電訊號。高通與低通濾波器主要是濾除電源(60Hz)及肌電信號的干擾。額外加上OP放大器，使整體電路放大倍率為1,638倍。 圖(五)生理訊號擷取電路方塊圖在處理器的選用上，是以德州儀器(TI)所推出的省電型16bit混合訊號處理器 (MSP 430) 作為整個系統裝置的訊號流程控制核心，來符合系統可攜式裝置的要求，處理器所要處理的功能包含如下：一、心電圖的訊號擷取轉換：以內建的ADC以232Hz的Sample Rate讀取前級心電圖擷取電路的ECG訊號轉換成8bit的數位訊號。二、接收GPS定位資訊：利用串列埠介面接收GPS模組上的位置訊息格式字元。三、控制藍芽傳輸模組：將數位ECG訊號及GPS的位置訊息字元透過藍芽傳輸介面傳送至居家模式的PC端或是戶外模式的GSM手機端作即時程式運算處理。四、觸控面板的控制：系統中利用Touch Panel的方式，對各個外加模組完成初始化的設定，避免了外加硬體控制電路，縮小系統的體積。系統軟體的設計主要是在PC端及GSM手機端的平台上開發，程式將即時接收的訊號進行演算法運算及整合，本文所提出的緊急救援系統，除了能整合心電圖擷取電路、GPS定位服務、藍芽傳輸介面及GSM簡訊求救外，最主要是還具備心電圖病症判讀的功能。為了可攜式系統的考量，我們必須選擇一個計算量較小且精確度高的R波偵測演算法，本文基於“So and Chan ”R波偵測演算法來達成目的5,6，流程圖如圖(六)所示。圖(六) R波偵測流程圖具心電圖病症判讀之可攜式緊急救援系統5首先，我們要計算每一點原始心電訊號X(n)的斜率Slope(n)，公式如下所示：斜率的閥值為：閥值的參數(thresh_param)可設定為2、4、8、16。當連續兩點的斜率大於斜率閥值時，代表QRS波的起始位置(onset)被偵測到。此時R波所在位置就能很容易的被偵測出來。每次偵測出R波後，maxi必須被更新一次，公式如下：濾波器參數(filter_param)可設定為2、4、8、16。maxi 的初始值預設為ECG訊號前250點最大斜率值。當我們獲得精確的R波位置後，再來就是發展異常心電判讀的方法。一般來說心電圖判讀有類神經網路9,10及相關係數法兩種技術。類神經網路法除了R波的正確位置外，還需偵測出其它心電訊號的特徵值，如P波、T波、Q波、S波及其波的寬度，由於每個人的心電訊號有所差異，加上其餘波形特性並無R波顯著，現今並無發展出有效的演算法來加以偵測。所以我們決定採用相關係數法7,11來作為病症判讀的主要演算法。相關係數的公式如下：n代表取樣點數(250點)，x(n)是輸入之心電訊號，mx、my為平均值(mean value)，y(n)則是心電訊號的病症樣板(template)。在本文中，我們可針對四種心電圖加以分類：一、正常心電圖(Normal beat)。二、心房早期收縮(PAC, Atrial premature contraction)。三、心室早期收縮(PVC, Ventricular premature contraction)。四、右束支傳導阻斷(RBBB, Right bundle branch block)。心電圖病症分析的步驟如下：一、用“So and Chan”method取得每個R點的位置。二、用所得R點往前擷取100點，往後100點作為比較之樣板(x(n)。三、由已知樣板(y(n),Template)進行相關係數運算。四、根據相關係數數值，分析是否與病症樣板耦合(match)。系統架構中，其它硬體模組如藍芽無線傳輸模組，透過SERIAL PORT(串列埠)的介面，將數位訊號以藍芽傳輸封包送至PC端或是行動通訊裝置，來做為後續資料處理。GPS模組，使用串列埠介面的GPS模組，將GPS所接收的NMEA0813標準格式(含經、緯度位置資訊)經處理後，透過無線藍芽6臺北科技大學學報第三十七之一期傳輸送至行動通訊裝置(戶外模式)，傳送具有位置資訊及求救信息的位置簡訊。肆、實作與結果為了減少電路所佔體積及雜訊干擾，本文將生理訊號擷取電路設計成PCB電路，以達到電路縮小化及可攜式之目的，如圖(七)所示。圖(七)生理訊號擷取電路圖(八)實際量測波形圖(八)是利用ML (modified limb lead )導程實際量測出的心電圖波形。由示波器波形發現，擷取電路有效濾除電源及肌電訊號影響，另外心電訊號亦放大至12V左右，有助於往後資料處理。USE端的硬體整合電路如圖(九)所示，包含LCD Touch Panel、GPS傳輸模組、藍芽傳輸模組及之前的生理訊號擷取電路，圖中為利用LCD Touch Panel進行系統初始化的畫面。圖(九)USER端硬體整合電路 (戶外模式)由於實際系統中無法驗證演算法程式的正確性，所以利用Matlab開發程式來模擬R波偵測演算法，以MIT-BIH Arrhythmia Database Record 100為例，前五分鐘心跳合計371下，“So and Chan”偵測演算法模擬結果亦為371下心跳無誤(包含4次的PVC心室早期收縮)。圖(十)是擷取matlab程式執行演算法之結果，圖中為Record 100所描繪出的心電圖波形，每一個R波的頂點有一個小原點，是我們利用演算法所偵測出來的結果，與實際顯示的R點位置相符。具心電圖病症判讀之可攜式緊急救援系統7圖(十)Record 100 R波偵測結果為了驗證“So and Chan”偵測法的可靠度，以MIT-BIH Arrhythmia Database Record 100、118、119、212來測試。其結果如表(一)，Beat為每個Record一分鐘之心跳數，TP(True Positive)為正確偵測；FP(False Positive)為誤偵測；FN(False Negative)為漏偵測。結果顯示四個Record的R波偵測準確率均為100%，皆能有效提供相關係數法所需之R點精確位置。表(一)MIT-BIH Database驗證表Tape1minBeatTPFPFNAccuracy(%)100747400100118747400100119656500100212909000100同樣以Record 100、118、119、212驗證相關係數法，其結果如表(二)。Record中出現的心跳類型有正常心跳(Normal beat)、心室早期收縮(PVC)、心房早期收縮(PAC)及右束支傳導阻斷(RBBB)四種。每個Record均有12種的異常心電波形，我們藉由相關係數的運算，成功的辨識出異常心電波形，其辨識率高達100%。表(二)相關係數法測試結果表Tape(1 min)100118119212Total Beat74746590N (Normal)7314625V(PVC)01190A(PAC)1000R(RBBB)072065Accuracy (%)100100100100系統USER端PC程式畫面如圖(十一)所示，以藍芽傳輸介面接收即時心電圖訊號，執行演算法程式處理及控制GSM模組進行緊急求救簡訊的發送。圖中為程式即時接收心電圖訊號。圖(十一)PC端程式即時心電圖畫面 (居家模式)系統SERVER端實際接收求救簡訊包含使用者名稱、求救時間、GPS 經度、緯度訊息，並將訊息載入電子地圖軟體中，顯示結果如圖(十一二)、(十三)所示：8臺北科技大學學報第三十七之一期圖(十二)SERVER端接收到求救訊息畫面圖(十三)圓點顯示使用者所在位置圖(十四)離線心電圖診斷畫面當使用者發生緊急情況時，USER端除發送求救訊息外，醫師亦可利用系統利用辨識程式所儲存的異常心電圖波形進行離線診斷的工作。如圖(十四)所示。伍、結論本文提出一種針對心臟病患者的緊急救援系統，同時在可攜式的裝置上提供了心電圖R波偵測及病症判讀演算法的實現，以利異常心電訊號發生時，能配合GSM系統的簡訊服務提供緊急求救的功能。系統整合方面則是透過藍芽無線傳輸特性，將救援系統微小化、無線化，提供系統的便利性及可攜性，使USER對系統服務不會產生排斥感，以提昇使用的普及率。致謝本論文感謝國科會計畫編號：NSC 91-2614-E-027-001支持，特此誌謝！參考文獻1P. 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