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一种新型多通道动态心电记录仪的研究 西北工业大学硕士学位论文一种新型多通道动态心电记录仪的研究姓名:杨力申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:孙超明北:I:业大学硕士学位论文 摘要摘要心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病之一,动态心电图是临床诊断心血管疾病的重要办法。因此,研制高性能的动态心电监护系统对于心血管疾病的诊断和治疗具有十分重要的意义。本论文结合一种新型动态心电记录仪的研制工作,对适用于低速嵌入式系统的心电信号处理算法进行了讨论,提出了该型动态心电记录仪的软硬件设计思想,详细阐述了各部分设计思路和工程实现,还讨论了建立动态心电记录仪开发平台的想法。本论文的工作有如下特点:(1)研制的动态心电记录仪可对心电数据进行高精度、高采样率、多同道同步采样,性能得到了很大提高;(2)该记录仪能够对心电信号进行实时分析。采用的算法运算量不大,相对适用于低速嵌入式系统;(3)很好的解决了两项关键技术:大容量的心电数据记录技术和低功耗技术:(4)实现了当前流行的USB总线接口,并且使用大屏幕的液晶作为记录仪的显示界面;(5)提出了建立动态心电记录仪开发平台的设想。本论文基本完成了一种新型多通道动态心电记录仪的研制工作,为该型记录仪投入到实际应用中奠定良好的基础,也为下一步的研制工作做了很好的铺垫。关键词:动态心电记录仪 实时分析 嵌入式系统USB总线 单片机两北工业大学硕士学位论文 ABSTRACTABSTRACTCardiovascular disease is one ofthe most dangerous threats to human health.Theapplication of dynamic electrocardiogram(DCG)is essential for the clinical diagnosisof cardiovascular disease.Therefore,it is of great significance to researchhigh-performance dynamic electrocardiogram monitor in cardiovascular diagnose andtreatment.Based on the development of one new—type holter,the ECG analysis algorithm,which is suitable for low·speed embedded system,is discussed in this thesis.Thesoftware and hardware design method of holter is proposed,with every part of designmentalities and project-realization explained in detail.The idea of setting up holterdeveloping platform is also discussed.The research of this thesis has the following characteristics:f1)The holterdeveloped in this thesis can sample ECG data with high accuracy,high sampling rates,and also can sample severaI channels simultaneously,therefore the performance hasbeen improved greatly.(2)This holter Can analyze ECG data in real—time.The algorithmadopted iS suitable for the low·speed real—time embedded system.(3)Has solved twokey techniques:ECG data record technology of the large capacity and low powerconsumption technology.(4)Has realized present popular USB bus interface,and theliquid crystal of the large screen has been used as the display inteffaces of holter.(51Has proposed the conceive ofsetting up the developing platf01Tn ofholter.In this thesis,the development of a kind of new-type holter has pleted,and this holter has been put into practical application.This thesis also provides agoodfoundation for next development.KEYWORDS:holterembedded systemmicroprocessorreal-time analysisUSB两北,[业大学硕士学位论文 第一章绪言第一章 绪 言1.1动态心电监护的临床意义随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快和饮食结构的改变,心血管疾病的发病率迅速上升,心血管疾病已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。目前,心电图(Electrocardiogram,ECG)检查对心血管疾病的诊断具有重要意义。由于诊断可靠、方法简便,对病人无损害,是一种很有价值的心血管检查方法。在现代医学中,心电图越来越成为医生诊断心脏疾病的依据…。但一次常规心电图描记的心博次数一般只有数十次,而一些异常心电信息,做常规心电图时,很难捕获到。例如一些心律不齐的病人,其心律失常发生的频率非常低,出现时间也不固定,需要相当长的心电图连续观察才有捕获的可能。针对常规心电图检查存在的缺点,为了及时发现和治疗早期心脏病以及各类隐形、偶发性心律失常、心肌局部缺血,就必须有一种心电图仪能携带在病人身上,在病人正常工作、生活的情况下,24小时以上长时间对病人进行检测,随时捕捉病人在工作紧张劳累、精神受到刺激、情绪激动或者其他特殊状态下发生病变的心脏的反应。动态心电图(Dynamic Electrocardiogram,DCG),是美国博士Norman J.Holter于1957年发明,1961年应用于临床的一种用磁带记录仪对正常活动状态下的病人做长时间连续心电图记录,然后对所记录的数据进行快速分析的临床诊断方法12J。习惯上也将这种方法称为Holter监护。Holter系统的出现使心电图测量由静态发展为动态,由短时测量发展为长时间测量,这是心电图技术的一个重大飞跃。所谓“静态测量”就是病人处于安静状态下,采集病人的心电图,因而是短时间、小信息量的。“动态长时间连续测量”就是对正常生活活动条件下的患者长时间的检测,采集其心电数据。这一飞跃,不仅使心电图技术获得了新的生命力,同时促进了心电图自动分析研究的发展,还给心电图的诊断带来了新的活力。因长时间连续监测能捕捉到早期心血管病变和偶发异常心律,并能更全面考察心电图变化,予以准确诊断。由于动态心电图仪器的不断完善,临床应用也飞速发展pj。早期仅用于心律失常的监测,目前在过性心肌缺血检测中的作用已经为大家所公认。近年来随着动态心电图在我国的广泛应用,关于动态心电图临床应用的研究报道不断涌现。动态心电图的临床应用范围不断扩大,如冠心病、病态窦房结综合症、心肌病患者西北工业大学硕士学位论文 第一章绪言的早期诊断,各种药物疗效、毒性反应评价,安装起搏器指征的评估及起博器类型的选择、起博器功能评定、故障的检出等都成为动态心电图重要应用领域。1.2动态心电监护的现状及发展动态动态心电监护自1961年正式用于临床以后,动态心电监护技术得到了飞速发展,并广泛应用于临床14l。动态心电监护系统分为两个部分。其一是动态心电记录仪,这是一个有患者随身携带的小型心电数据记录设备。另一个是心电数据回放分析部分,一般由计算机及其相应的心电分析软件组成。动态心电记录仪的发展主要表现在所记录心电信号的质量不断改善、记录心电数据的容量(时间、导联、分辨率)的增加和记录仪功能的改进。动态心电记录仪原来是磁带式记录仪pJ。该记录仪直接记录心电模拟信号,所记录的信号保真度高。但其机械结构要求精度高,在实际使用中,机械结构的误差所造成的心电信号的失真不可避免。随着半导体技术的发展,现代的动态心电汜录仪几乎都采用了电子固态存储设备作为动态心电记录仪的数据记录媒质。最初的固态存储器因为容量较小,所有的动态心电记录仪都采用了数据压缩技术,因而心电信号有不同程度的失真。近年来,动态心电记录仪一般采用各种类型的数据存储卡。由于该类存储设备的容量极大,从而使无压缩记录心电数据成为现实。随着存储器存储容量的增加,各种记录仪的记录通道数目也在增加,最新研制的记录仪都是12个通道。心电信号采样的精度也得到了提高,甚至有的记录仪使用了20bit的采样精度。采样率也可以实现每秒采样500点的高采样率,从而使得分析起搏器信号成为可能。现代的动态心电记录仪都使用低功耗的器件,并且电池的容量也得到了大幅度提高,记录的时间从24小时到72小时不等。小型化、多通道、高精度、高采样率和数据无压缩是动态心电记录仪发展的一个趋势。另外一个重要的发展动态是,动态心电记录仪的功能越来越强大。在许多动态心电记录仪中已经实现若干心电实时分析功能。例如与心率变异性分析相结合,进行心电信号的频域分析,时域分析(RR间期、RR差值等),时域指标分析和非线性分析等。有的记录仪甚至带有一块液晶屏,可以实时显示心电波形和心电数据分析的初步结果。由于电子技术和计算机技术的迅速发展,动态心电记录仪继续向全信息、固态记录、多导联、多功能、低功耗和小型化发展。在临床应用上,动态心电图已用于某些心血管疾病的流行病学调查,开拓了心率变异分析的新领域,加快了各种心率失常和心肌梗塞预报研究的进展,还用于探讨ST段与T波变化和心肌缺血的.2.西北工业大学硕士学位论文 第一章绪言关系研究16]。1.3 论文的主要内容上面的论述总结了近年来动态心电记录仪的应用背景和发展趋势。在借鉴国内外新型动态心电记录仪的基础上,本论文研制了带液晶显示的12通道动态心电记录仪。本论文是在研制该记录仪的基础上完成的。本文第二章为心电信号分析算法。这一章讨论了心电信号的噪声、抑制各种噪声和基线纠漂的算法,以及QRS波形检测算法和sT段检测算法。这里讨论的各种算法,由于算法简单,计算量小,都适用于微处理器。即使用于8位微处理器,也可以满足实时性的要求,非常适合在动态心电记录仪中对心电数据进行初步分析。第三章介绍了动态心电记录仪的系统设计原理。首先讨论的是动态心电汜录仪的性能指标要求,然后对系统的总体设计分为硬件设计和软件设计两个方面进行介绍。第四章详细分析了所采用的几项关键技术。在这一章详细讨论了动态心电记录仪的两项关键技术:大容量的数据记录和低功耗设计。其他技术,包括主程序设计、人机接口设计和抗干扰设计都在本章得到深入的讨论。第五章讨论的通用串行总线(USB)以及在动态心电记录仪中的应用。通过USB将计算机和动态心电记录仪连接起来,可以实现高速率的数据交换。本文讨论了USB的机理,分析了USB的有效带宽,还介绍了USB总线的具体实现。第六章提出一种动态心电记录仪开发的新模式,即建立以高速处理器和嵌入式操作系统为基础的开发平台,以快速实现产品的更新换代。第七章为全文总结。该章总结了全文的工作,并且指出了需要继续深入研究的各项内容。.3-幽北一I:业人学硕士学位论文 第二章心电信号分析基础第二章 心电信号分析基础2.I心电信号一II,电是一tl,脏有规律的收缩和舒张过程中心肌细胞产生的动作电位综合而成的电信号【7J。由电极从体表测得,经放大后显示或者描记下来的波形即为心电图。一11,电图的产生和心脏传导系统有关。心脏传导系统主要由窦房结、结间束、房室柬、房室结、左右束支以及浦氏纤维构成。正常情况下,心脏的起搏点在窦房结。心脏起搏产生的激动从窦房结发出后,传至心房及结间束,使·II,房除极,形成心电图上的P波。然后,激动经房室交界区与左、右束支进入,Ii,内膜下层的浦氏纤维,使心室壁由里向外进行除极,形成QRS波群。T波为心室的复极波。所以,每一个心动周期均产生一组心电波形,如图2.1,各波意义如下:P波:反映心房肌除极过程的电位与时间变化。P—R间期:代表激动从窦房结通过心房、房室交界区到心室肌开始除极的时间。QRS波群:反映心室肌除极和最早复极过程的电位与时间变化,但以心室肌除极化为主。S-T段:从QRS波群终点到T波起点的时间,代表心室肌早期复极化过程的电位及时问变化。T波:反映心室肌晚期复极化过程的电位与时间的变化。Q—T间期:从ORS波群起点到T波终点间的时间,代表心室肌除极化与复极化的总时间。U波:产生机理尚不清楚,目前一般认为是心肌激动的激后电位或负后电位。P图2.1 ECG信号波形特征.4.茜北工业大学硕士学位论文 第二章心电信号分析基础2.2心电信号的噪声动态心电记录仪采集的心电信号含有各种噪声。典型的有工频干扰,肌电干扰,基线漂移,电极接触噪声等【”。(1)工频干扰‘工频干扰是由于人体的分布电容所引起的一种噪声。这种干扰的频率成分包含50Hz的基波及其各次谐波,在幅度上最高可以达到ECG峰峰值的50%。50Hz工频干扰的特征如图2.2所示,表现为心电图形记录上可见J下弦波或正弦波的叠加。(2)肌电干扰肌电干扰属高频干扰信号,可以将其近似为零均值高斯噪声的短暂爆发,其高频成分可达10000Hz,幅度为毫伏级,表现为不规则的快速变化波形,如图2.3。图2.2叠加在ECG信号上的工频干扰 图2.3叠加在ECG信号上的肌电干扰(3)基线漂移基线漂移主要由病人呼吸运动或者电极一电极一皮肤界面阻抗所致。基线漂移属低频干扰信号,其频响一般小于1Hz,幅度为ECG峰峰值的15%,近似缓慢变化的正弦曲线,如图2.4。可以看出,基线漂移主要表现为对心电信号的幅度调制。(4)运动伪迹运动伪迹是电极移动引起的短暂基线改变,这是动态心电记录中由于人体移动或抖动产生的不可避免的干扰。其持续时间为100--500ms,幅度可达记录放大器满输出,即所谓的跃变干扰,如图2.5。图2.4基线漂移对心电信号的幅度调制 图2.5叠加在ECG信号上的运动伪迹一5-两北工业大学硕士学位论文 第二章心电信号分析基础2.3心电信号的噪声抑制与基线纠漂从七十年代来,发展了了许多抑制心电噪声的算法19’14】。本节讨论的一些算法,包括低通滤波器【9】,自适应滤波抑制工频干扰㈣,用整系数构成基线纠漂滤波器【1“,抑制工频干扰和基线漂移的自适应模板法【121等。选择算法的标准是尽量避开浮点、乘方或开方等复杂而费时的算术运算,从而可用于实现心电信号在低速嵌入式系统中的实时分析和快速处理。2.3.1低通滤波器令心电信号通过低通滤波器可有效地抑制混杂在心电信号中的肌电信号等高频干扰。移动平滑滤波是最简单的低通滤波处理,其传递函数为:1 1&KH(z)2专(1+z“+z‘2+…+Z-k+1)2专‘;j!量:i一 (2·1)戽 七 l—Z。它虽然是一个FIR滤波器,但可以用递归方法快速实现:y(n)=亡∑xo—f+1)=y(n—1)+々x(月)一x(n一女)] (2.2)^I_I ^在实际应用中,这种滤波器并不太理想。首先是幅频特性太差。图2.6示出k=8时的幅频特性,它有大量旁瓣,且第一旁瓣的峰值仅比主瓣低约13dB。并且这个数值随k的增加提高甚微。因此,这种滤波器不可能很好地抑制高频干扰。其次,虽然滤波器的相频特性在通带内保持线性,但进入阻带后有幅度为Ⅱ的跳变,有可能造成心电信号的高频相位失真。解决的办法是采用二阶低通滤波,传递函数为:M(z)--(i1·#鲁)2 (2.3)它可以用重复两次移动平滑滤波实现,亦可用下列递归方法实现:1y(n)=2y(n一2)一y(n—1)+音Ix(n)一2x(n—k)+x(n一2七)】 (2.4)图2.7是k=8时二阶低通滤器的幅频响应曲线。可看出,它的幅频特性比移动平均滤波(一阶低通滤波)有了显著改善,第一旁瓣峰值比主瓣低26.7dB,而且具有真正的线性相位特性,这对于波形形态保真要求较高的心电信号来说是极其珍贵的。另外,从式(2.4)可以看出,若适当选取k=2”,对每一个采样数据只需做若干次左右移位与求和运算就能得到相应的滤波输出,在系统中很容易用汇编语言实现与采样同步的滤波处理。如果采样频率Z=1000Hz,该滤波器的带宽约为.6.西北工业大学硕士学位论文 第二章心电信号分析基础40Hz,这对于实时心电监护系统是非常适用的。图2.6 k=8时一阶低通滤波器的幅频特性 图2.7 k=8时二阶低通滤器的幅频特性2.3.2自适应滤波抑制工频干扰自适应滤波抑制工频干扰的工作原理如图2.8所示。假定采集到的心电信号x(n)中只含有单纯的心电信号s0)和加性工频干扰n(n)。由于参考信号“0)是从工频电源引入的,因而与n(n)相关,与s(n)无关。这里,可以把工频干扰看作是平稳信号,而心电信号则视为随机信号。将u(n)引入系数时变的自适应滤波器,其输出y(n)与输入信号x(n)相减,于是得到误差信号P(n)。当把e(月)反馈,通过适当算法调节自适应滤波器的系数时,y(n)将逐渐逼近n(n),则输出信号e(n)将是“干净”的心电信号s(n)。由于抵消的仅仅是工频干扰成分月细),所以心电本身所固有的各分量没有丝毫损失。ET图2.8 自适应滤波抑制工频干扰原理(1)最简单的自适应滤波器一个用于抵消工频干扰的自适应滤波器的结构如图2.9所示。滤波器的两个系数K和曩通过LMS(Least Mean Square,最小均方)算法调整。它的基本思想是沿误差特性曲面梯度的反方向,以一定步长不断修正系数,经过一步步更新,最终逼近其最佳维纳解。这种算法的系数更新公式为:%+。=%一胛’ (2.5).7.播放器加载中，请稍候...
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