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(lèi)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(xiàn)。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！），當(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(chēng)。

• 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(chēng)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(chēng)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(hù)。

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(hù)。

https://www.cloudmqtt.com/

• 復(fù)制“服務(wù)器”、“用戶(hù)”、“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(hù)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。