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)儀一般只具備簡易報(bào)警功能，設(shè)計(jì)體積大，攜帶不方便[1-3]。基于以上心電監(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)可通過采集待測人員體表心電信號，實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)分析，通過自動(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采集模塊、放大與濾波處理模塊、顯示模塊、信號發(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 信號放大與濾波

采集自人體皮膚表面的微弱信號必須通過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。

信號采集后，必須經(jīng)過放大濾波電路處理。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輸送給單片機(jī)端口。采用四通道24位A/D轉(zhuǎn)換芯ADS1253對采集的信號進(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。

通過軟件濾波后，選取3個(gè)像素點(diǎn)作為像素?cái)?shù)據(jù)，并對應(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：有效信號在經(jīng)過小波變換后，對應(yīng)的小波系數(shù)大，而噪聲經(jīng)過小波變換后對應(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)采集的信號極多，每秒采集的信號超過100個(gè)，而這些信號在采集過程中會(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)將對采集的信號進(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仿真測試結(jié)果中，檢測波的個(gè)數(shù)為5個(gè)，PVC的值顯示為3。

圖11 Data 119 PVC段測試結(jié)果圖

5 結(jié) 論

本文通過系統(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設(shè)備，通過仿真和實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)，表明可以通過傳感器采集被測病人的體表心電信號，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析和診斷心律是否正常。信號采用整數(shù)小波進(jìn)行濾波，誤檢的原因可能由于其基線漂移過大或者濾波過程中R波波峰被削平可能造成檢測不到等，經(jīng)過檢測，測試結(jié)果顯示R波檢測效果很好，檢測準(zhǔn)確率達(dá)到98.3%。檢測精度高。此外，當(dāng)檢測到異常信號時(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。

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