描述

健康領(lǐng)域

具有心率分析、基于 Azure 云和儀表板的動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)測(cè)器。

永遠(yuǎn)用技術(shù)來(lái)改善世界，如果你是黑帽或灰帽黑客，請(qǐng)?jiān)谶@一點(diǎn)上棄權(quán)......或者至少留下你的星星讓我對(duì) XP 感到不那么內(nèi)疚。

免責(zé)聲明：此應(yīng)用程序僅用于演示和說(shuō)明目的，并不構(gòu)成已通過(guò)監(jiān)管審查的產(chǎn)品。它不打算用作醫(yī)療應(yīng)用。對(duì)于此應(yīng)用程序輸出的準(zhǔn)確性沒(méi)有任何陳述，并且不提供任何保證。

介紹：

我們的心臟每天跳動(dòng) 115200 次，這是一臺(tái)在我們一生中不停歇的好機(jī)器。然而，沒(méi)有多少人擁有讓這臺(tái)機(jī)器處于良好狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)。日常生活中的許多因素都會(huì)永久性地影響心臟功能。

諸如以下因素：

• 久坐不動(dòng)。
• 富含鹽、飽和脂肪和精制糖的飲食。
• 酒精攝入。
• 抽煙
• 高血壓
• 肥胖
• 心臟病家族史
• 既往心臟病發(fā)作史
• 男性45歲以上，女性55歲以上
• 男性（與心血管疾病有直接關(guān)系）
• 藥物濫用
• 低鉀或鎂

這給我們帶來(lái)了我們的痛點(diǎn)：

相當(dāng)多的人不得不在昂貴的醫(yī)院里頻繁地進(jìn)行心臟檢查，并配備巨大的測(cè)量設(shè)備。我們正處于一個(gè)開(kāi)放式健康比以往任何時(shí)候都更加強(qiáng)大的時(shí)代，是時(shí)候讓患者成為關(guān)注點(diǎn)。

心電圖市場(chǎng)非常巨大，因?yàn)樗殉蔀樾呐K病患者的標(biāo)準(zhǔn)。

我們?cè)谶@張圖中可以看到，大多數(shù)心電圖儀都是那些大型機(jī)器（作為一名生物醫(yī)學(xué)工程師，我可以證明大多數(shù)都是相當(dāng)老的）。除此之外，“動(dòng)態(tài)心電圖”類別中的大多數(shù)并不是真正的可穿戴設(shè)備，而是可以攜帶的較小的設(shè)備，盡管可以在家中使用的可穿戴設(shè)備可以提供有關(guān)患者心臟的寶貴信息。

我們必須首先注意的一件事。第一款可穿戴設(shè)備已經(jīng)面市，效果并不理想。Doctors 提出的主要問(wèn)題是信息太多，在數(shù)據(jù)聚合器之前先考慮互聯(lián)網(wǎng)，如果不能正確解釋它就沒(méi)有價(jià)值，這是必須考慮的事情。解決方案應(yīng)匯總所有數(shù)據(jù)并為護(hù)理人員提供有用的信息。

由于這些原因，通過(guò) AzureSphere 的技術(shù)，我們將創(chuàng)建一個(gè)實(shí)時(shí)心率、EKG 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和儀表板部署，從 MCU 到操作系統(tǒng)，再到云，這將是開(kāi)箱即用的安全。醫(yī)療保健數(shù)據(jù)是我們最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，很明顯，這種安全性必須成為每臺(tái)設(shè)備的規(guī)范。

連接圖：

為了開(kāi)發(fā)這個(gè)想法，我們首先需要一個(gè)支持 EKG 的芯片（EKG 代表心電圖，K 代替 C，因?yàn)樗鹪从诤商m）。

它是一個(gè) 3.3V 兼容的擴(kuò)展板，可以更好地與 3.3V 板配合使用，例如新的 Arduino 板系列，如 MKR 線。由于 Azure sphere 中的大多數(shù) ADC 沒(méi)有開(kāi)發(fā)庫(kù)來(lái)激活它們，我們將使用 Arduino MRK GSM 1400（可以是 MKR 系列中的任何 Arduino 或任何其他小型 3.3V 兼容微控制器）制作可穿戴動(dòng)態(tài)心電圖模塊， GSM 是我手頭的）并在其上連接一個(gè)藍(lán)牙模塊（如果你有 Arduino MKR 1010，你可以避免使用 BT 模塊?。?dāng)然還有心電圖板。該模塊將通過(guò)藍(lán)牙將其信息發(fā)送到 Azure Sphere，Azure Sphere 將有一個(gè)連接到串行端口的藍(lán)牙模塊，然后它將與 Azure 云進(jìn)行通信。

這是系統(tǒng)的連接圖。Azure 模塊和 Holter 模塊。

服務(wù)連接圖：

Azure Sphere 和 Azure 云設(shè)置：

Azure Sphere 的初始配置有點(diǎn)長(zhǎng)，但我建議您按照微軟官方文檔進(jìn)行操作，該文檔提供了非常清晰的說(shuō)明。

您需要保存以下數(shù)據(jù)以備后用：

• 中心名稱。

• 設(shè)備ID。

• 標(biāo)識(shí)范圍

• 身份驗(yàn)證號(hào)（Azure Sphere CLI）

azsphere tenant show-selected

下載名為“Health Sphere”的 Azure Sphere 代碼。下載后，使用 VS 打開(kāi)它并在文件“app_manifiest.json”中（在本文末尾的“代碼”部分提供）。然后像這樣改變它：

• 在 "CmdArgs" 中寫(xiě)入ID Scope : [ "xxxxxxxxxxxxx" ]
• 在“AllowedConnections”中寫(xiě)入Hubname ：[“global.azure-devices-provisioning.net”，“xxxxxxxxxxxxxx.azure-devices.net”]
• 替換“DeviceAuthentication”中的Auth Number ：“xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx”

{
    "SchemaVersion": 1,
    "Name": "AvnetStarterKit-Hackster.io-V1.0",
    "ComponentId": "685f13af-25a5-40b2-8dd8-8cbc253ecbd8",
    "EntryPoint": "/bin/app",
    "CmdArgs": [ "xxxxxxxxxxxxx" ],
    "Capabilities": {
      "AllowedConnections": [ "global.azure-devices-provisioning.net", "xxxxxxxx.azure-devices.net" ],
      "AllowedTcpServerPorts": [],
      "AllowedUdpServerPorts": [],
      "Gpio": [ 0, 4, 5, 8, 9, 10, 12, 13, 34 ],
      "Uart": [ "ISU0" ],
      "I2cMaster": [ "ISU2" ],
      "SpiMaster": [],
      "WifiConfig": true,
      "NetworkConfig": false,
      "SystemTime": false,
      "DeviceAuthentication": "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    }
  }

然后編譯 i。

更新21/11/2019：該項(xiàng)目已經(jīng)更新到 Target API Set 的“3+Beta1909”版本。很多項(xiàng)目在 Visual Studio 中無(wú)法運(yùn)行，如果你有一個(gè)舊版本的 VS，它可能突然無(wú)法在那個(gè)版本中編譯。如果您有同樣的問(wèn)題，請(qǐng)使用此版本更新您的版本：

https://docs.microsoft.com/en-us/azure-sphere/resources/release-notes-1909

這僅適用于舊安裝，如果您有最新安裝，請(qǐng)不要打擾最后一個(gè)細(xì)節(jié)。

有用的鏈接要記住：

Github Azure 示例（這些示例適用于早期版本的 Azure Sphere，但芯片相同，因此大多數(shù)示例都適用于此 Azure Sphere 版本）：

• https://github.com/Azure/azure-sphere-samples

Azure 設(shè)備熱圖：

Arduino 動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)視器：

在繼續(xù)之前，讓我們解釋一下心電圖的基礎(chǔ)知識(shí)。產(chǎn)生它的生理現(xiàn)象以及我們?nèi)绾伍喿x它非常有趣，但超出了本文的范圍。為此閱讀：

EKG 由下圖組成，我們稱此段為 PT。

心率是通過(guò)取兩個(gè)圖的峰值之間的距離來(lái)獲得的，這稱為 RR 段。

在這種情況下，頻率將通過(guò)板上實(shí)現(xiàn)的算法獲得。

• 首先，我們得到 AD8232 模塊工作的范圍。

我們可以觀察到波形在 ADC 讀數(shù)中大約從 420 變?yōu)?680，我們將使用以下假設(shè)來(lái)檢測(cè)頻率。

• 由于我們正在尋找的是 R 段的參考，我們可以注意到 650 是 R 段將始終達(dá)到的值，因此檢測(cè)到大于 650 的值將是 R 段。

當(dāng)然，如果一個(gè)人的心臟收縮強(qiáng)度應(yīng)該更強(qiáng)或更弱，則可以改變這一點(diǎn)，從而提供不同的范圍。并提供一個(gè)校準(zhǔn)范圍來(lái)分配R波。比在更商業(yè)的應(yīng)用程序中使用。

注意：代碼在 Arduino 代碼文件夾中（github & down here ）

這是獲得心率的公式。

arduino 以毫秒為單位生成計(jì)數(shù)，因此將修改公式以適用于 Arduino 范圍。

這是先前算法的示例。如您所見(jiàn)，它可以正確檢測(cè)頻率。右側(cè)可以看到 Arduino 獲得的值，左側(cè)是小米手環(huán) 3 的測(cè)試。

藍(lán)牙模塊配置

HC06：

通過(guò) USB - 串行 TTL 連接您的 BT 模塊。（串行配置為 9600 波特率，無(wú)行尾）

Send: AT
Response: OK
Send: AT+NAME
Response: OKsetname
Send: AT+PIN<4 digit code>
Response: OK4 digit code>

波特率(1:1200, 2:2400, 3:4800, 4:9600, 5:19200, 6:38400, 7:57600, 8:115200, 9:230400, A:460800, B:921600, C:1382400 )

Send: AT+BAUD8                  (115200 Baud Rate) 
Response: OK<baud rate>

HC05：

通過(guò) USB - 串行 TTL 連接您的 BT 模塊。（串行配置 38400 波特率，NL & CR）

該模塊有一個(gè)按鈕，連接時(shí)必須按下才能啟用使用AT命令配置它的功能，所以我建議你在它上面放一個(gè)夾子，這樣更容易。

配置 HC 05 時(shí)保持 HC06 連接，因?yàn)槲覀冃枰獙蓚€(gè)設(shè)備配對(duì)

Send: AT
Response: OK
Send: AT+RMAAD
Response: OK
Send: AT+ROLE=1
Response: OK
Send: AT+RESET
Response: OK
Send: AT+CMODE=0
Response: OK
Send: AT+INQM=0,5,9
Response: OK
Send: AT+INIT
Response: OK
Send: AT+INQ
Response: 
+INQ:AA1:BBB:CCC,XXXXX,XXXX
+INQ:AA2:BBB:CCC,XXXXX,XXXX
+INQ:AA3:BBB:CCC,XXXXX,XXXX

Use the following command with all the BT addresses you get until you find HC 06, Example if AA1: BBB: CCC is the correct address.

Send: AT+RNAME?AA1,BBB,CCC
Response: +RNAME:
Send: AT+PAIR=AA1,BBB,CCC,9
Response: OK
Send: AT+BIND=AA1,BBB,CCC
Response: OK
Send: AT+CMODE=1
Response: OK
Send: AT+LINK=AA1,BBB,CCC
Response: OK

現(xiàn)在已經(jīng)建立了連接，HC-05每次開(kāi)機(jī)都會(huì)自動(dòng)連接到HC-06。

Azure CLI 設(shè)置：

要安裝 Azure CLI，您需要根據(jù)您的操作系統(tǒng)（Windows 10 for me）遵循 microsoft 提供的正確教程：

輸入以下命令獲取 Azure IoT 擴(kuò)展

az extension add --name azure-cli-iot-ext

之后登錄到您的 azure 帳戶。

az login

完成后，我們可以檢查數(shù)據(jù)是否正確發(fā)送到 Azure IoT Hub。運(yùn)行以下命令，將HUBNAME和DEVICEID替換為您自己的。

az iot hub monitor-events --hub-name HUBNAME --device-id DEVICEID

正如我們之前在 Arduino 代碼中設(shè)置的那樣，我們?cè)谟行лd荷中每 10 秒接收一次心率。

接收數(shù)據(jù)并保存。

為了發(fā)送數(shù)據(jù)，我所做的是“手動(dòng)”保存、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程。但是，最后我將展示如何通過(guò) MACRO 實(shí)現(xiàn)一切自動(dòng)化。

• 第一步是執(zhí)行以下命令，它將 Azure CLI 接收到的所有信息保存在一個(gè)文件中。

az iot hub monitor-events --hub-name HUBNAME --device-id DEVICEID> datain.txt

• 由于我們每 10 秒接收一次數(shù)據(jù)，因此我們只需等待 10 秒即可執(zhí)行命令，然后按 CTRL + C 將其停止。在 datain.txt 文件中，我們可以找到接收到的數(shù)據(jù)。

設(shè)置 Python 代碼。

對(duì)于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，我們必須配置 CloudMQTT 憑據(jù)，用于發(fā)送從 CLI 接收的數(shù)據(jù)。

• 在 Cloud MQTT 中創(chuàng)建一個(gè)帳戶。

https://www.cloudmqtt.com/

• 復(fù)制“服務(wù)器”、“用戶”、“密碼”和“端口”的憑據(jù)。

在 python 代碼中，我們將為我們的憑據(jù)更改以下參數(shù)。

client.username_pw_set ("USER", "PASSWORD")
client.connect ("SERVER", PORT)

一旦我們有了數(shù)據(jù)，我們必須執(zhí)行“Python Code”文件夾中的 Exe.py 程序，這將處理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到主題為“/Azure”的 CloudMQTT

節(jié)點(diǎn)紅色設(shè)置：

Node Red 是 NodeJS 的一個(gè)工具，我們可以在其中輕松集成服務(wù)，無(wú)需代碼。當(dāng)然，創(chuàng)建出色的儀表板。使用以下文檔來(lái)啟動(dòng)和安裝儀表板節(jié)點(diǎn)

“Node-RED Flow”文件夾中的“flows.json”文件（位于末尾或 Github 上）包含將流導(dǎo)入 NodeRED 的所有信息。

完成后，我們將編輯 MQTT 節(jié)點(diǎn)以輸入我們的憑據(jù)。

設(shè)置服務(wù)器和端口。

設(shè)置用戶和密碼。

如果一切正常，請(qǐng)按“部署”按鈕并輸入以下 URL 以檢查儀表板。

如果我們執(zhí)行 Exe.py 文件，我們將看到數(shù)據(jù)在 Dashboard 上的顯示方式。

自動(dòng)化一切：

要使一切自動(dòng)化，請(qǐng)使用名為“Mouse Recorder Premium”的程序創(chuàng)建一個(gè)宏，該程序的宏位于“宏文件”文件夾中。

為了讓它正常工作，我們必須在宏的這一部分更改我們的值。

最終產(chǎn)品：

下圖展示了 Holter Monitor 和 Azure Sphere 模塊的構(gòu)建過(guò)程。對(duì)于這兩種情況，我們都制作了一個(gè)定制的、手動(dòng)焊接的 PCB，我們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)了一個(gè) Pycom 外殼，因?yàn)樗_地安裝了 Holter Monitor。

桌面界面：

手機(jī)界面：

動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)視器：

蔚藍(lán)球體：

我們的史詩(shī)演示：

評(píng)論和未來(lái)推出：

由于醫(yī)療保健信息的性質(zhì)以及它如何（在某些情況下將）被使用或?yàn)E用，安全性至關(guān)重要。Azure Sphere 在這個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中為我們提供了這種特性，然后是一些特性。

• 盡管如此，因?yàn)檫@里的每個(gè)早期項(xiàng)目都提出了一些改進(jìn)建議
• 一是尺寸，我們可以做得更小。
• 第二個(gè)最臭名昭著的是，理想的硬件配置是包含所有僅使用 Azure Sphere 和 microE 板的東西。
• 在中間步驟中，可以將 Arduino 1400 切換為 MKR 1010 以節(jié)省藍(lán)牙模塊。
• 集成后，我們還可以避免使用額外的服務(wù)，直接通過(guò)網(wǎng)頁(yè)和 Azure 云實(shí)現(xiàn)儀表板。

醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備市場(chǎng)目前正在流行且炙手可熱，而蘋(píng)果已經(jīng)證明，創(chuàng)造醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的興趣正在上升。這會(huì)為項(xiàng)目創(chuàng)建額外的（如果只是表面的）驗(yàn)證，但這也會(huì)引起關(guān)注。一方面，我們有開(kāi)放的健康運(yùn)動(dòng)，試圖將患者轉(zhuǎn)變?yōu)樽o(hù)理點(diǎn)，另一方面，我們有這些龐大的公司也試圖為自己分一杯羹（或全部）。是否獲勝將取決于如何處理信息的隱私和所有權(quán)，這可能是塑造我們未來(lái)的最重要的決定之一。目前，像這樣的項(xiàng)目提供了一種既安全又可以安全實(shí)施的替代方案。希望您喜歡它并感謝您的閱讀。