基于壓縮采樣的便攜式心電信號采集系統的設計*

徐明月，錢 慧，江 浩

(福州大學 物理與信息學院，福建 福州 350116)

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基于壓縮采樣的便攜式心電信號采集系統的設計*

徐明月，錢 慧，江 浩

(福州大學 物理與信息學院，福建 福州 350116)

針對現有便攜式心電采集系統進行長時采集時，如何通過降低數據量來解決由電池供電引起的續航不足的問題，將壓縮采樣原理引入系統，并對其核心部分進行硬件設計，最終以采集重構信號的R波檢測率作為系統的評價標準。在MATLAB中搭建整個系統，硬件中路在Simulink模塊搭建。結果表明該設計在一定壓縮比情況下重構信號的R波識別率與原始信號的R波識別率基本一致，可以應用于便攜式心電信號采集系統，該系統與傳統心電采集系統相比具有硬件實現簡單、數據量低、功耗低等優點。

便攜式；心電采集；壓縮采樣；硬件實現；Simulink

0 引言

近年來，便攜式心電信號采集系統的出現彌補了傳統采集設備在實時性與靈活性方面的不足，可以做到“隨時隨地”采集傳輸[1-2]，此類系統一般由采集前端以及無線傳輸模塊組成。無線傳輸功能的添加方便了使用者，但是系統的整體功耗增加，續航短成為便攜式心電信號采集系統的短板。有研究發現[3]，無線傳輸的功耗約占據了整個設備功耗的70%，影響無線傳輸功率最主要的因素是傳輸速率，所以通過降低傳輸速率即降低數據量來降低發射器的負載持續率，從而降低系統的功耗、提升系統地續航能力是可行的。傳統的心電信號采集系統采用的解決方案是將心電信號采集完成后壓縮再傳輸。不管是有損壓縮還是無損壓縮，在實現的過程中，大多需要高性能處理器進行處理，這樣不僅不能帶來功耗的降低反而加大了設備的硬件復雜度。如何才能在降低數據量的同時，又不增加硬件實現的復雜度，做到邊壓縮邊采集？壓縮采樣的出現解決了這一問題。

本文主要針對心電信號頻域塊稀疏性，將壓縮采樣應用于心電采集，通過隨機解調將壓縮采樣原理直接應用于心電信號，并根據隨機解調的基本結構進行硬件設計，用MIT-BIH心電數據庫的信號作為仿真源，做出系統級以及電路級的仿真進行驗證。

1 壓縮采樣

壓縮采樣[7-8]其基本思想是：對于RN空間一維有限長離散實信號f，找到一個合適的變換域Ψ，由一組變換基組成的基矩陣：

(1)

使得信號在此變換域下具有稀疏性，那么就可以用少量非零大系數和對應的變換基來表示原信號：

(2)

其中系數向量α=[α1,α2,α3，…，αN]T中的非零元素的個數遠小于它的維數N。用一個與基矩陣不相關的觀測矩陣Φ將原來高維的信號投影到一個低維空間，對原信號執行壓縮觀測處理：

y=Φf

(3)

假設觀測矩陣Φ為M×N階矩陣，其中M<

目前對于壓縮采樣信號重構算法[9]主要有匹配算法與貪婪算法，匹配算法主要有壓縮采樣匹配追蹤算法(CoSaMp)以及正交匹配追蹤算法(OMP)，貪婪算法主要有貪婪基追蹤算法(GBP)以及Supspace追蹤算法(SP)。本文采用重構時間相對較短以及重構概率較高的正交匹配追蹤算法作為本文的重構算法。

由于壓縮采樣原理的提出是針對離散時間信號，而本文處理的是模擬連續的心電信號，因此就需要一種實現方法來將壓縮感知從數字域拓展到模擬域，隨機解調[10]就是解決該問題的新方法。

2 隨機解調原理及硬件設計

圖1 隨機解調的基本框圖

隨機解調的基本框圖如圖1所示。

系統的輸入信號f(t)，其信號的表現形式為:

(4)

Ω為K個整數頻率的合集并滿足Ω?{0±1±2 …±(W/2-1)W/2},aω為幅值的集合，W為其奈奎斯特率帶寬。根據壓縮感知的基本原理，利用觀測矩陣Φ對原始的離散信號執行壓縮觀測，提取出信號的觀測向量，而在隨機解調系統中，觀測矩陣由混頻、積分和低速采樣三個部分實現。輸入信號經過混頻，首先偽隨機序列發生器產生離散時間序列ε0,ε1,…，其值等概率取自±1，用來產生連續時間調制信號：

(5)

混頻器將信號f(t)與p(t)相乘：

y(t)=x(t)·p(t)

(6)

由于p(t)的隨機特性，時域相乘在頻域表現為卷積，將信號f(t)的頻譜信息在頻率軸上無限延展。隨之混頻信號進入積分、低速采樣。最后得到信號的觀測向量。

2.1 離散建模

在理想的情況下，隨機解調是線性系統，將連續時間信號轉換成離散時間信號。根據壓縮感知的基本理論，對系統各個步驟行為進行離散建模。

對于連續時間信號f(t)，首先f(t)與隨機序列相乘后在積分器中累積，低速采樣。那么在時間間隔1/W內，對原始信號取平均值，并不會對后續過程產生影響。

在tn=n/W時刻，下一個時間間隔1/W內，信號f(t)被其平均值xn所代替：

(7)

原始信號f(t)被轉換成了離散模型：

x=[x1x2…xW-1]

(8)

混頻階段，信號x分別與隨機序列P(t)相乘，x=xD，D為W×W的對角矩陣。

(9)

混頻后，系統進行積分采樣，假設系統采樣速率為m，每一次采的點的值為W/m個信號xn累加和，積分采樣過程同樣可以用m×W矩陣建模：

(10)

那么Φ=HD就是整個隨機解調系統作用于離散信號x的數學模型，而這里Φ就是壓縮采樣理論中的觀測矩陣。通過觀測矩陣對信號執行壓縮觀測就可得到：

(11)

2.2 電路設計

為了降低整個系統的功耗，本文主要以開關的形式實現隨機解調采樣系統，由于在實際電路設計中難以產生±1形式的電平控制，本文考慮以0和1單極性形式電平作為開關的控制信號，具體電路如圖2所示。

圖2 隨機解調電路設計

（1）所獲取的電網規劃數據包括有地理環境信息數據、電力系統運行數據以及外部數據等。其中，可以利用無人機航測、衛星遙感以及雷達測繪等信息采集手段來獲取地理環境信息數據，與原有的人工測繪方式相比而言，這種先進的信息采集技術可以有效提升數據信息的精確度和實效性；電力系統的運行數據主要是由電力系統內部的各工作部門提供，電力系統各部門之間能夠實現數據的實時共享，進而大大提升數據的利用效率，充分發揮電力數據的價值；社會數據、用戶意見與反饋以及新能源數據等都是外部數據，但在原有的電網規劃中，外部數據是最容易被忽略的非結構化數據，在現階段的電力系統中缺少針對非結構數據的處理對策和應用方式。

(12)

φ(t)持續時間為TC的基帶脈沖波形，也是積分器開關的控制信號，εn值以一定概率在0和1之間變化。控制信號φR(t)為持續時間為NTC的基帶脈沖波形，作為積分器的重置信號。對于間隔NTC～(N+1)TC,當PN序列φm為1時：

(13)

反之為0時：

(14)

(15)

(16)

由于TS=NTC,電荷累積轉移過程將被執行N次，最終會得到：

(17)

同理：

(18)

(19)

至此，一次積分完成時對輸出信號進行采樣，可獲得觀測向量y中一個值。此過程不斷重復最終得到觀測向量y。

(20)

3 仿真實驗

本文系統的仿真數據來自于麻省理工大學的MIT-BIH[11]第100號心電數據，數據的采樣率為360 Hz，采樣精度為11 bit，選取的信號長度N為3 600點，持續時間t為10 s，系統仿真實驗在MATLAB環境下進行，電路仿真在MATLAB的Simulink環境下進行。對于壓縮采樣系統的性能評指標主要有重構信號R波的檢測[12]準確率。

3.1 電路仿真結果

以MIT-BIH數據庫的采集速率作為對比標準，電路仿真的輸入由前端心電信號調理模塊獲得，信號持續時間為10 s，電路模塊由Simulink中Simscap工具體設置參數如表1所示。

表1 電路參數設置

仿真結果如表2和圖3所示。

表2 為重構信號與原始信號R波檢測的個數

圖3 壓縮比在2倍和3倍時，R波在原始信號與重構信號的識別位置，信號持續時間為10 s

3.2 結果分析

系統的性能由重構心電信號R波的識別率來衡量，影響因素有壓縮比，心電信號的稀疏度，重構算法重構概率以及電路器件性能。實驗結果表明，在2～3倍的壓縮比下，R波識別率可以達到100%。

4 結論

本文在壓縮采樣基本理論的基礎上，采用隨機解調作為實現方法，應用于便攜式心電采集系統中。并且設計了硬件實現電路，最后在MATLAB的Simulink模塊完成了對電路系統性能的仿真，結果表明在低壓縮比的情況下，信號可以高概率重構，并且R波的檢測率達到100%。該系統硬件實現簡單，數據量小優點。由于電路的非理想特性使得系統在高壓縮比情況下性能下降。優化電路以及改進重構算法可以進一步提升整個系統地性能，這也是下一步研究方向。

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Design of portable ECG acquisition system based on compressed sensing

Xu Mingyue, Qian Hui, Jiang Hao

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

Aiming at the problems of power consumption and data volume in the state-of-art portable ECG acquisition system, the compressed sensing is introduced into the system, hardware circuit is designed, and the principle of the judgment is the accuracy of the R wave position test. The whole system is built in the MATLAB, and the hardware circuit is built in block of Simulink. The result indicates that the hardware circuit design can be applied to the portable ECG acquisition system, and under a certain compression ratio, the system has the advantages of simple hardware architecture, less data quantity and low power consumption.

portable; ECG acquisition; compressed sensing; hardware circuit; Simulink

福州市科技局科技計劃項目(822848/2013-G-85)；福建省教育廳資助項目(JA13039)

TP216

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.022

徐明月，錢慧，江浩.基于壓縮采樣的便攜式心電信號采集系統的設計[J].微型機與應用，2017,36(14)：71-74，78.

2016-12-27)

徐明月(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：壓縮感知。

錢慧(1977-)，女，博士，講師，主要研究方向：通信信號處理與實踐、壓縮感知、數字集成前端設計。

江浩(1979-)，女，講師，主要研究方向：集成電路設計。