基于小波分析的智能心電監(jiān)控系統(tǒng)的研究

黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南株洲 412001）

當(dāng)前，心電監(jiān)護(hù)儀一般只具備簡(jiǎn)易報(bào)警功能，設(shè)計(jì)體積大，攜帶不方便[1-3]?；谝陨闲碾姳O(jiān)護(hù)儀的缺點(diǎn)，采用MSP430單片機(jī)為硬件核心，引入小波分析，研究設(shè)計(jì)了一套智能遠(yuǎn)程心電智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[4-8]。該系統(tǒng)可通過(guò)采集待測(cè)人員體表心電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析，通過(guò)自動(dòng)診斷心律失常癥狀時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。

1 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件模塊主要包括信號(hào)采集模塊、放大與濾波處理模塊、顯示模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、報(bào)警輸出模塊等[9-13]。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 單元電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)放大與濾波

采集自人體皮膚表面的微弱信號(hào)必須通過(guò)放大電路放大到適合單片機(jī)系統(tǒng)處理的電壓范圍[14-18]。本設(shè)計(jì)采用儀表放大器INA331與OPA2336搭建運(yùn)算放大電路，INA331和OPA2336都是軌對(duì)軌輸出、共模抑制比高、工作溫度范圍寬、靜態(tài)電流小的特點(diǎn)，其應(yīng)用可以適應(yīng)極端環(huán)境條件，功耗低。

信號(hào)采集后，必須經(jīng)過(guò)放大濾波電路處理。放大濾波電路由3部分組成。其前兩部分電路原理圖如圖2所示。

第三部分是低通濾波放大電路。它由兩部分組成。其一是同相比例運(yùn)算電路，其二是二階有源低通濾波電路。具體的電路原理圖如圖3所示。

圖2 放大濾波電路原理圖（部分）

圖3 放大濾波電路原理圖（低通濾波）

根據(jù)設(shè)計(jì)，可以求得同相比例運(yùn)算電路的增益以及二階有源低通濾波電路的頻率特性分別由式（1）和式（2）表示。

2.2 數(shù)據(jù)采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

將放大與濾波處理后的輸出信號(hào)輸送給單片機(jī)端口。采用四通道24位A/D轉(zhuǎn)換芯ADS1253對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用ADR444BRZ作為電壓基準(zhǔn)芯片，為A/D采樣提供基準(zhǔn)電壓。其原理圖如圖4和圖5所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路基準(zhǔn)電壓電路圖

2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊選用液晶模塊，具體選用LM240160GCW，完成數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)，心電波形能夠在數(shù)字示波器上方便顯示，易于觀察。設(shè)計(jì)需要完成模塊的初始設(shè)置。其操作的流程如圖6所示。

通過(guò)軟件濾波后，選取3個(gè)像素點(diǎn)作為像素?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)應(yīng)一個(gè)行地址，繪制出曲線，但是因?yàn)槊苛兄挥幸粋€(gè)點(diǎn)，效果不好，設(shè)計(jì)采用矢量繪圖法進(jìn)行優(yōu)化，將前單元3個(gè)像素和后單元第1個(gè)像素點(diǎn)一起考慮，根據(jù)其位置在兩點(diǎn)之間差值填充點(diǎn)，得到連貫的曲線。

2.4 心率顯示模塊流程設(shè)計(jì)

利用硬件模塊中自帶的段式液晶模塊實(shí)時(shí)顯示心率。具體流程如圖7所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖6 LCD操作流程圖

圖7 心率顯示模塊操作流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 小波變換的原理與仿真設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要闡述小波濾波。其工作原理是：有效信號(hào)在經(jīng)過(guò)小波變換后，對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)大，而噪聲經(jīng)過(guò)小波變換后對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)很小。設(shè)計(jì)采用Sweldens的提升小波變換中的CDF97小波，先構(gòu)造小波基函數(shù)，用matlab仿真出CDF97小波濾波器組，仿真顯示，其濾波效果好。如圖8所示。

圖8 CDF97小波濾波器組

3.2 系統(tǒng)算法流程與狀態(tài)機(jī)設(shè)置

小波變換的系統(tǒng)算法流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)算法流程圖

系統(tǒng)采集的信號(hào)極多，每秒采集的信號(hào)超過(guò)100個(gè)，而這些信號(hào)在采集過(guò)程中會(huì)受到很多因素的影響，有可能會(huì)造成誤檢，因此，這個(gè)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)將對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行二次分析，防止系統(tǒng)在誤檢狀態(tài)下頻繁報(bào)警，設(shè)計(jì)了狀態(tài)機(jī)，如圖10所示。

圖10 狀態(tài)機(jī)示意圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

隨機(jī)選取一段數(shù)據(jù)（109.data的第21.3～25.6 s），其中心拍數(shù)據(jù)為5個(gè)，PVC心拍的數(shù)據(jù)為3個(gè)。因此，在matlab仿真測(cè)試結(jié)果中，檢測(cè)波的個(gè)數(shù)為5個(gè)，PVC的值顯示為3。

圖11 Data 119 PVC段測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié) 論

本文通過(guò)系統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計(jì)，采用小波變換，設(shè)計(jì)了一套智能心率檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)仿真和實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)，表明可以通過(guò)傳感器采集被測(cè)病人的體表心電信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析和診斷心律是否正常。信號(hào)采用整數(shù)小波進(jìn)行濾波，誤檢的原因可能由于其基線漂移過(guò)大或者濾波過(guò)程中R波波峰被削平可能造成檢測(cè)不到等，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果顯示R波檢測(cè)效果很好，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到98.3%。檢測(cè)精度高。此外，當(dāng)檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)了狀態(tài)機(jī)，在可靠報(bào)警的同時(shí)，有效減少了誤報(bào)警。

參考文獻(xiàn)：

[1]金安.基于MSP430的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].吉林：吉林大學(xué)，2011.

[2]楊凱，叢林，胡文東，等.基于BMD101的嵌入式無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（1）：122-124.

[3]黃越.一種便攜式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].吉林：吉林大學(xué)，2013.

[4]管仲玲，楊雪萍，吳緒燈.基于嵌入式技術(shù)的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011（12）：168-170.

[5]閔珊，張歆東.基于C8051F320單片機(jī)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2011（29）：554-560.

[6]林靜.基于USB接口的虛擬心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011（30）12：74-77.

[7]馮康樂(lè).基于無(wú)線通信的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安工程大學(xué)，2012.

[8]李明昆，宋丹妮.基于小波分析和隨機(jī)森林算法的變流器電路故障診斷研究[J].電氣技術(shù)，2016（6）:36-40.

[9]李宏亮.基于小波分析與SVD的機(jī)械故障診斷[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（6）:81-84.

[10]付小葉.傅里葉變換與小波分析[J].數(shù)學(xué)建模及其應(yīng)用，2016，5（2）:83-84.

[11]余文琦，鄧建國(guó)，張鵬輝，等.基于Android的低功耗移動(dòng)心電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]電子世界，2013（21）:130-131.

[12]任曉.基于CC2530的心電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]科技信息，2013（23）:105-106.

[13]賈延江.基于Cortex-M3的實(shí)時(shí)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[14]劉文軒.GAMP壓縮算法的改進(jìn)及其在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué)，2012.

[15]劉賜民.無(wú)線動(dòng)態(tài)心電傳感終端設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2012.

[16]孔飛.基于小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的心電圖分類(lèi)識(shí)別研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.