【2023研电赛】西北赛区二等奖：单链全导联便携式心脏健康监测系统

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参赛命题：技术竞赛类-开放命题-信息感知系统与应用类
获奖级别：西北赛区二等奖
参赛单位：西安邮电大学
指导老师：刘星宇姚引娣
参赛队员：朱士程宋晓晓李宇航

项目简介

我们设计了一款单链全导联便携式心电健康监测系统，包含一种防脱水的石墨烯尼龙织物电极，用以代替传统的Ag/AgCl电极，用于人体心电信号采集。通过结合滤波和抗干扰电路以及心电信号小波阈值算法，我们能够削减心电信号采集过程中的噪声干扰，从而提高数据采集的准确性和可靠性。系统还包含我们设计的与人体皮肤契合的便携式单链环带模具，有效减少导联线的束缚，提升佩戴的舒适性和便携性。此外，系统还具有导联脱落提醒功能。最后，我们引入心率异常检测和云服务器存储数据的功能。解决了传统心电检测设备体积庞大、导联线繁多等痛点，满足用户居家使用的需求。

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应用场景

本项目适用于心血管疾病患者、中老年人心血管疾病预防诊断以及基层医疗
机构等需要进行心脏健康监测的场景，如：
(1)存在心脏不适症状，到医院却不能检查出病因的人群；
(2)经常性胸闷胸痛、喘不过气、头晕目眩等症状的用户；
(3)中老年等易多发心血管疾病人群的疾病预防治疗；
(4)疑似心脏疾病患者的深入分析及病情监测；
(5)经常熬夜加班等需要进行心脏健康监测的商务人士等；
(6)智能穿戴式医疗电子服务商的设备零售及租赁等场景。

项目难点

(1)单链全导联便携式心电监测系统在使用过程中，需要进行尽可能长时间的连续心电监测，但由于各传感器及硬件模块均需要供电，硬件采集系统的能量有限，因此需要考虑各传感器及硬件模块的能量消耗及网络能量均衡使用的问题，将降低能耗作为延长整个网络的生存周期的重要目标。
(2)在实际心电采集过程中，心电信号容易受到基线漂移、工频干扰、肌电干扰等噪声的影响，导致最终采集到的数据准确度不足，因此采集过程中对心电信号进行及时有效的滤波处理也是保证最终数据准确可靠所必不可少的一步。
(3)实际测量中，采集十二导联心电信号往往需要十根导联线，且需要使用者掌握一定的专业知识方能正确放置采集电极，给用户带来极大的不便，不利于长时间的心电信号采集。因此需合理对硬件 PCB 电路进行布局，以有效缩减硬件系统的体积，减少对心电采集过程中给用户造成的不便。
(4)心电采集过程中，需要通过电极贴片与人体的体表进行有效贴合，贴合的程度将影响最终采集结果的准确度。而测量过程中，由于运动流汗、长时间的贴合等因素导致电极容易出现脱落或者粘合不牢等情况，直接影响采集到的心电数据的精准度。
(5)所涉及的各导联心电数据将应用于用户的心脏健康诊断中，但由于心脏类疾病的诊断需要准确的心电数据作为依据，因此对心电数据进行及时的截图及存储分析功能进行设计是提高本项目实用性的主要目标之一。

项目创新

(1)基于石墨烯导电尼龙织物电极的心电信号耦合滤波电路贴片设计
考虑到传统 Ag/AgCl 电极在长期监测中不仅可能引起皮肤刺激，还存在凝胶脱水的弊端，无法满足长期监测。本项目基于石墨烯良好导电性能与纺织织物无脱水问题的基础之上，设计一种新型石墨烯尼龙织物电极代替传统 Ag/AgCl 电极采集人体心电信号，同时设计滤波与抗干扰电路，以滤除心电信号采集过程中的干扰信号。

(2)单链环带式心电模具的设计
本项目提出了一种单链环带式模具，该环带模具内部设置十个纽扣母头，纽扣母头通过内部导线与硬件 PCB 电路板相连接，通过该母头与心电信号耦合电路贴片公头相扣，可将贴片采集到的心电信号传输到硬件 PCB 电路板中。单链多导联心电监测系统整体贴于人体表面，以达到小面积接触人体，不影响用户肢体行动，且可满足长期监测的需要。

(3)导联脱落提醒
心电监测设备在进行心脏健康状态监测时需要进行长期穿戴以实现更佳的
诊断效果，在使用过程中，剧烈的运动以及流汗等因素均可造成电极贴片的脱落，经过对比发现，现有的心电监测设备很少有能及时提醒用户使用过程中电极贴片脱落等异常情况的出现。基于上述问题，本项目在单链全导联便携式心电系统中融入了导联脱落检测提醒这一功能，以实现用户使用过程中电极贴片粘合状态的实时检测与提醒。

(4)截图与数据存储功能设计
考虑到心电信号监测过程中，心电波形以及心电数据的变化趋势对于用户的心脏健康分析与诊断起着关键作用。因此，便携式心脏健康监测系统中截图及数据存储分析功能成为不可或缺的功能之一。基于上述目的，在心电信号数据分析平台中融入了波形截图及数据存储分析功能，便于用户在使用过程中，对包含心脏信息的心电信号变化趋势等进行及时高效的截图与存储，同时为后续医护人员进行精准诊断心脏疾病提供有利的帮助。

总结

本项目给出了单链式便携式心脏健康监护系统的整体解决方案，完成了系统的软件及硬件设计并制作出了第一代产品，经过软硬件测试表明该系统能够实现便携式的十二导联心电数据采集工作，同时可进行长时间的连续心电监测，满足用户居家监测需求。此外，系统还具备导联脱落提醒以及截图、数据存储等功能，为用户心脏健康预防及诊断分析提供可靠依据。

本项目所做的工作和主要成果如下：
单链全导联便携式心电健康监测系统的硬件设计与制作
(1)完成了对单链便携式心电监测系统的设计等工作，包括心电信号采集模块、心电信号耦合滤波电路贴片、心电数据处理模块以及单链环带模具。详细介绍了各部分的主要电路，并进行了相应的 PCB 电路板的绘制，制作出了硬件实物，同时对各模块的软件设计程序进行了详细说明。

(2)基于石墨烯导电尼龙织物电极的心电信号耦合滤波电路贴片设计
本项目基于石墨烯良好导电性能与纺织织物无脱水问题的基础之上，设计一种新型石墨烯尼龙织物电极代替传统 Ag/AgCl 电极采集人体心电信号，以克服传统 Ag/AgCl 电极在长期监测中可能引起皮肤刺激以及存在凝胶脱水的弊端，同时设计滤波与抗干扰电路，以滤除心电信号采集过程中的干扰信号。

(3)单链环带式心电模具的研究与设计
本项目提出并设计了一种单链环带式模具，该环带模具内部设置十个纽扣母头，纽扣母头通过内部导线与硬件 PCB 电路板相连接，通过该母头与心电信号耦合电路贴片公头相扣，可将贴片采集到的心电信号传输到硬件 PCB 电路板中。单链多导联心电监测系统整体贴于人体表面，以达到小面积接触人体，不影响用户肢体行动，且可满足长期监测的需要。

(4)导联脱落提醒
心电监测设备在进行心脏健康状态监测时需要进行长期穿戴以实现更佳的诊断效果，在使用过程中，剧烈的运动以及流汗等因素均可造成电极贴片的脱落，经过对比发现，现有的心电监测设备很少有能及时提醒用户使用过程中电极贴片脱落等异常情况的出现。基于上述问题，本项目在单链全导联便携式心电系统中设计了导联脱落检测提醒功能，以实现用户使用过程中电极贴片粘合状态的实时检测与提醒。

(5)心电数据上位机软件开发
PC 端开发了心电数据综合处理上位机软件，通过蓝牙 4.0 的低功耗蓝牙与心电信号硬件采集系统之间进行通信，获取心电数据并进行实时波形分析显示。开发截图及数据存储功能对心电监测过程中可能出现的异常波形等进行及时的截取和存储，便于后续为专业医护人员诊断心脏疾病提供可靠依据。

(6)上传数据信息到云服务器
我们增加了上传心电信号信息到云服务器的功能，在监测过程中，将采集到的心电信号信息上传至云服务器，实现远程实时监控和管理。为了保证数据的安全性，我们使用了加密技术对心电信号信息进行加密传输，并设置了权限控制，只有授权的用户才能访问和使用这些数据。此外，我们还提供了数据存储功能，对心电监测过程中可能出现的异常波形等进行及时的截取和存储，便于后续为专业医护人员诊断心脏疾病提供可靠依据。通过上传心电信号信息到云服务器，我们可以更加高效地进行心电监测和管理，提高医疗服务水平，为广大患者带来更好的医疗体验。

参赛心得

(1)深入理解命题要求：在准备阶段，首先要仔细阅读和理解竞赛的命题要求。弄清楚竞赛所关注的技术领域、要求的功能、性能指标等等，这将有助于你为设计和实现过程明确方向。
(2)团队合作：如果竞赛允许团队参赛，充分利用团队成员的不同专长，合理分工合作。分工明确可以提高效率，同时确保每个部分都得到专业的关注。
(3)创新与独特性：竞赛评审通常会重视项目的创新性和独特性。在设计过程中，思考如何将你的项目与现有解决方案区分开来，可能通过引入新颖的功能、设计理念或者应用场景。
(4)系统整合能力：信息感知系统往往包括多个模块，如传感器、数据处理、通信等。学会将这些模块有机地整合在一起，并确保它们协同工作，是一个关键的能力。
(5)性能与稳定性：确保你的系统在各种情况下都能够稳定运行，并且达到所要求的性能指标。对系统进行充分的测试和验证，以确保它能够在现实应用中表现出色。
(6)文档与展示：不要忽视书面文档和展示的重要性。清晰的文档能够让评审人员理解你的设计过程和思路，而演示能力强的展示则能更好地展现你的项目价值。
(7)时间管理：在时间紧迫的情况下，合理安排时间非常关键。制定一个详细的时间计划，确保你能够在竞赛截止日期前完成所有任务。
(8)借鉴与学习：在设计过程中，你可能会遇到一些技术难题。不要害怕借鉴已有的解决方案或者学习相关的知识，这能够帮助你更好地克服困难。
(9)反思与改进：竞赛结束后，不论获奖与否，都要进行反思。回顾整个过程，分析成功之处和可以改进之处，为将来的类似竞赛积累经验。
(10)乐观和耐心：竞赛过程中可能会遇到各种挑战和困难，保持乐观的态度和耐心十分重要。相信自己的能力，相信团队的合作，相信最终能够完成出色的作品。

通过这次竞赛，我不仅学到了许多技术和知识，还培养了团队合作、创新思维、解决问题的能力。无论结果如何，这些经验都将对我未来的学习和职业发展产生积极的影响。