《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于AT91SAM9261S的心電疾病診斷系統(tǒng)
摘要: 本文描述了心電疾病自動診斷系統(tǒng)的設(shè)計,完成了硬件端的驅(qū)動和軟件端的信號處理與分析顯示。采用的算法簡單有效,符合小型疾病診斷系統(tǒng)的實時性要求。同時,該系統(tǒng)還有很多不足的地方,如硬件平臺的擴(kuò)展、心電算法的完善等,需要后續(xù)的進(jìn)一步改進(jìn)。
Abstract:
Key words :

 引言

近年來,心臟病的發(fā)病率不斷上升,便攜式的移動心電監(jiān)護(hù)設(shè)備成為心臟狀況不良好的人們的迫切需要。既要考慮設(shè)備方便攜帶和使用,同時要保證心電信號" title="心電信號">心電信號得到高質(zhì)量的分析和處理,這就需要選用盡量優(yōu)化的硬件、軟件資源來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。硬件選用AT91SAM9261S" title="AT91SAM9261S">AT91SAM9261S芯片,并加入液晶屏,SD卡等外圍部件組成設(shè)計所需的硬件測試平臺,相應(yīng)地,選擇軟件開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench IDE 5.4。

1 系統(tǒng)的工作原理

該測試平臺以AT91SAM9261s為核心,該款ARM9" title="ARM9">ARM9芯片工作于190 MHz時性能高達(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心電系統(tǒng)工作的可靠性和實時性。


系統(tǒng)的總體規(guī)劃設(shè)計如圖1所示,從SD卡內(nèi)讀取心電信號,進(jìn)行前置處理和特征分析,通過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

2.1 軟件測試環(huán)境的建立

具體需要完成的工作包括底層驅(qū)動開發(fā)、μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植。

在IAR Embedded Workhench IDE 5.4開發(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,通過Jlink進(jìn)行調(diào)試,保證硬件的正常工作,為了順利讀取SD卡中存儲的心電信號(dat格式),還需要將FAT文件系統(tǒng)移植到工程中。移植過程中,參照AT91SAM9261S的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行各項參數(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應(yīng),這里配置系統(tǒng)工作頻率為174 MHz,其他還有各項寄存器的設(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屏的各項參數(shù),讀取數(shù)據(jù)的寄存器地址等。這樣就可以編寫系統(tǒng)所需的界面,方便心電信號各項波形和結(jié)果的顯示。

2.2 心電信號處理與分析

這里采用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫的心電信號,在讀取dat文件后,按照其存儲格式進(jìn)行解析和降采樣,可以得到原始的心電信號,接下來對其進(jìn)行處理和分析。

2.2.1 前置處理

心電信號的頻率在O.05~100 Hz之間,其中含的常見噪聲有:60 Hz工頻干擾及其各次諧波,由于呼吸運動和電極運動等所產(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)字運算能力和系統(tǒng)的實時性要求,低通濾波和高通濾波采用了簡化的FIR濾波,濾波系數(shù)在Matlab環(huán)境下通過firl函數(shù)獲得,實現(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)計的陷波器用到了減法技術(shù),采用一個全通網(wǎng)絡(luò)減去一個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。


該陷波濾波器實際上是一個梳狀濾波器,其傳遞函數(shù)為:


式中:Q=R/P。

實際應(yīng)用時,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 波形檢測與分析

波形分析包括QRS波群和P,T波的檢測標(biāo)記。關(guān)于QRS波群檢測部分,計算差分信號y(n+1)-y(n-1),結(jié)合原心電信號和差分信號的閾值設(shè)定及差分信號符號的變化來檢測R波的存在,并計算RR間期同時進(jìn)行錯誤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)合差分值變化來進(jìn)行檢測。

3 系統(tǒng)的結(jié)果顯示與分析

該設(shè)計可以實現(xiàn)心電信號自動診斷,作出心電情況的判斷并反饋,給出了各項波形和特征值的直觀顯示和標(biāo)記。在μC/GUI下編寫自己需要的界面,方便對心電信號的各項檢測分析結(jié)果進(jìn)行顯示,如圖3所示,可以畫出心電波形和差分信號并進(jìn)行R波標(biāo)記。


這里對該系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的時間測試,在心電數(shù)據(jù)寬度為3min,即數(shù)據(jù)點數(shù)為64 800(即360×180)的情況下,整個處理分析所花時間小于2s,整套處理分析算法很好地達(dá)到了實時性要求。下面給出系統(tǒng)所用算法對MIT-BIH標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫中的心電信號(取前12 000個點)的R波檢測結(jié)果,如表1所示,總的R波檢測正確率為96.93%,準(zhǔn)確的R波檢測對后續(xù)進(jìn)一步檢測診斷工作提供了有力的保障。


說明:測試文件有100,101,102,103,105,106,107,111,112,113,114,115,116,117和118。

4 結(jié)語

本文描述了心電疾病自動診斷系統(tǒng)的設(shè)計,完成了硬件端的驅(qū)動和軟件端的信號處理與分析顯示。采用的算法簡單有效,符合小型疾病診斷" title="疾病診斷">疾病診斷系統(tǒng)的實時性要求。同時,該系統(tǒng)還有很多不足的地方,如硬件平臺的擴(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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