1 系統(tǒng)的工作原理
該測(cè)試平臺(tái)以AT91SAM9261s為核心,該款ARM9芯片工作于190 MHz時(shí)性能高達(dá)210 MIPS,分別具有16 KB數(shù)據(jù)緩存和16 KB指令緩存,32 KB片內(nèi)ROM和16 KB片內(nèi)SRAM,這些特征保證了整個(gè)心電系統(tǒng)工作的可靠性和實(shí)時(shí)性。
系統(tǒng)的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)如圖1所示,從SD卡內(nèi)讀取心電信號(hào),進(jìn)行前置處理和特征分析,通過(guò)RR間期及QRS波的寬度等進(jìn)行心電疾病的診斷,如果正常則不進(jìn)行信息反饋,如果有某種心電疾病,則給出反饋信息,監(jiān)護(hù)人員可以結(jié)合心電疾病情況給出相應(yīng)的處理。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件測(cè)試環(huán)境的建立
具體需要完成的工作包括底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植。
在IAR Embedded Workhench IDE 5.4開(kāi)發(fā)環(huán)境下,建立工程,將μC/OS操作系統(tǒng)和μC/GUI移植進(jìn)來(lái),通過(guò)Jlink進(jìn)行調(diào)試,保證硬件的正常工作,為了順利讀取SD卡中存儲(chǔ)的心電信號(hào)(dat格式),還需要將FAT文件系統(tǒng)移植到工程中。移植過(guò)程中,參照AT91SAM9261S的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)配置,首先是系統(tǒng)CPU主頻配置和液晶屏有關(guān)的硬件接口配置(包括數(shù)據(jù)傳輸端口和SPI口的配置等),與液晶屏的最高工作頻率相對(duì)應(yīng),這里配置系統(tǒng)工作頻率為174 MHz,其他還有各項(xiàng)寄存器的設(shè)置,而μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植只需要修改相關(guān)參數(shù),如LCD屏的各項(xiàng)參數(shù),讀取數(shù)據(jù)的寄存器地址等。這樣就可以編寫(xiě)系統(tǒng)所需的界面,方便心電信號(hào)各項(xiàng)波形和結(jié)果的顯示。
2.2 心電信號(hào)處理與分析
這里采用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)的心電信號(hào),在讀取dat文件后,按照其存儲(chǔ)格式進(jìn)行解析和降采樣,可以得到原始的心電信號(hào),接下來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理和分析。
2.2.1 前置處理
心電信號(hào)的頻率在O.05~100 Hz之間,其中含的常見(jiàn)噪聲有:60 Hz工頻干擾及其各次諧波,由于呼吸運(yùn)動(dòng)和電極運(yùn)動(dòng)等所產(chǎn)生的頻率小于5 Hz的干擾和肌肉收縮所產(chǎn)生的肌電噪聲。為了得到正常的心電波形,必須要把這些干擾濾除,考慮到QRS波群的中心頻率在17Hz附近且?guī)捈s為10 Hz,這里采用了低通濾波、高通濾波及梳狀濾波器。
考慮到AT91SAM9261S的數(shù)字運(yùn)算能力和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,低通濾波和高通濾波采用了簡(jiǎn)化的FIR濾波,濾波系數(shù)在Matlab環(huán)境下通過(guò)firl函數(shù)獲得,實(shí)現(xiàn)了0.05 Hz的線性相位高通濾波器和100 Hz的線性相位低通濾波器。這里高通濾波器的系數(shù)為:b=[O.000 0,O.000 2,O.999 2,-O.000 2,O.000 O];a=[1.000],低通濾波器的系數(shù)為:b=[O.011 1,0.488 9,O.488 9,0.011 1];a=[1.000]。這里設(shè)計(jì)的陷波器用到了減法技術(shù),采用一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)減去一個(gè)具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出,得到一個(gè)具有尖銳陷波特性的陷波器(NOTCH),其原理如圖2所示。
該陷波濾波器實(shí)際上是一個(gè)梳狀濾波器,其傳遞函數(shù)為:
式中:Q=R/P。
實(shí)際應(yīng)用時(shí),采樣率Fs為360 Hz,工頻干擾Fc為60 Hz,則P=Fs/Fc=6,n和R決定了濾波器的阻帶帶寬,通過(guò)參數(shù)調(diào)整,該系統(tǒng)選取n=2,R=162,則有Q=27。上述濾波器對(duì)60 Hz工頻及其諧波和基頻干擾有較好的濾除效果。
2.2.2 波形檢測(cè)與分析
波形分析包括QRS波群和P,T波的檢測(cè)標(biāo)記。關(guān)于QRS波群檢測(cè)部分,計(jì)算差分信號(hào)y(n+1)-y(n-1),結(jié)合原心電信號(hào)和差分信號(hào)的閾值設(shè)定及差分信號(hào)符號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)R波的存在,并計(jì)算RR間期同時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤R波的去除,之后依照Q,S波的特性在R波前后確定QRS波群的位置,P,T波也是參照QRS波群的位置結(jié)合差分值變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
3 系統(tǒng)的結(jié)果顯示與分析
該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)自動(dòng)診斷,作出心電情況的判斷并反饋,給出了各項(xiàng)波形和特征值的直觀顯示和標(biāo)記。在μC/GUI下編寫(xiě)自己需要的界面,方便對(duì)心電信號(hào)的各項(xiàng)檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行顯示,如圖3所示,可以畫(huà)出心電波形和差分信號(hào)并進(jìn)行R波標(biāo)記。
這里對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的時(shí)間測(cè)試,在心電數(shù)據(jù)寬度為3min,即數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為64 800(即360×180)的情況下,整個(gè)處理分析所花時(shí)間小于2s,整套處理分析算法很好地達(dá)到了實(shí)時(shí)性要求。下面給出系統(tǒng)所用算法對(duì)MIT-BIH標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)中的心電信號(hào)(取前12 000個(gè)點(diǎn))的R波檢測(cè)結(jié)果,如表1所示,總的R波檢測(cè)正確率為96.93%,準(zhǔn)確的R波檢測(cè)對(duì)后續(xù)進(jìn)一步檢測(cè)診斷工作提供了有力的保障。
說(shuō)明:測(cè)試文件有100,101,102,103,105,106,107,111,112,113,114,115,116,117和118。
4 結(jié)語(yǔ)
本文描述了心電疾病自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì),完成了硬件端的驅(qū)動(dòng)和軟件端的信號(hào)處理與分析顯示。采用的算法簡(jiǎn)單有效,符合小型疾病診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí),該系統(tǒng)還有很多不足的地方,如硬件平臺(tái)的擴(kuò)展、心電算法的完善等,需要后續(xù)的進(jìn)一步改進(jìn)。
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