摘 要： 一種以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)線傳輸和24小時(shí)心電數(shù)據(jù)連續(xù)記錄功能的多功能Holter系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過(guò)EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)模塊采集心電信號(hào)，然后采用小波變換算法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)特征提取，并將心電數(shù)據(jù)存入MicroSD卡實(shí)現(xiàn)24小時(shí)心電數(shù)據(jù)記錄；或者通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸模塊將心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及十二導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)的推導(dǎo)。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號(hào)處理器；Holter；EASI十二導(dǎo)聯(lián)；心電信號(hào)；小波變換
心血管疾病是當(dāng)今醫(yī)學(xué)上發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有超過(guò)1 700萬(wàn)人死于心臟疾病。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，心電圖ECG(Electrocardiograph)是診斷心電疾病的重要依據(jù)。常規(guī)的靜態(tài)心電圖只能分析病人較短時(shí)間的靜態(tài)心電信息，而動(dòng)態(tài)心電圖則能反映長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)心電信息，在臨床醫(yī)學(xué)診斷中具有重要作用。1961年美國(guó)Norman J.Holter最先把動(dòng)態(tài)心電圖記錄儀投入臨床使用，因此常把記錄心臟病病人動(dòng)態(tài)心電圖的儀器稱(chēng)為Holter。
傳統(tǒng)基于單片機(jī)的Holter能實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的顯示、傳輸及簡(jiǎn)單的判病報(bào)警，但受限于單片機(jī)的運(yùn)算速度，難以采用檢測(cè)準(zhǔn)確但耗費(fèi)資源相對(duì)較多的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)心電數(shù)據(jù)的在線分析。本文以TI公司的TMS320VC5509A為處理系統(tǒng)核心，搭配具有高共模抑制比的EASI十二導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集方案，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)線傳輸和24小時(shí)心電數(shù)據(jù)記錄功能的多功能Holter系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便醫(yī)生實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的心電信息以應(yīng)對(duì)疾病的突發(fā)狀況，這將是新一代“數(shù)字醫(yī)療社區(qū)/醫(yī)院”在遠(yuǎn)程醫(yī)療方面的重要發(fā)展方向。
1 EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)
EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)是臨床醫(yī)學(xué)診斷中常用的心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。EASI心電圖是一種衍生的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖，最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)5個(gè)心電電極產(chǎn)生三路雙極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出極近似標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)的心電數(shù)據(jù)。此導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)由5個(gè)電極E（胸骨下部平第5 肋間）、A（左腋中線平E點(diǎn)位置）、I（右腋中線平E點(diǎn)位置）、S（胸骨柄）和RL（右腿驅(qū)動(dòng)電極，一般置放右腹）組成[1]。電極貼放位置如圖1所示。
EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式：Ld=a(A-I)+b(E-S)+c(A-S)轉(zhuǎn)化后得出十二導(dǎo)聯(lián)心電信息。其中A-I、E-S、A-S為三路雙極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，能分別反映心電向量在冠狀面、矢狀面和額狀面的心電變化，a、b、c為經(jīng)過(guò)大樣本研究后得出的精確相關(guān)系數(shù)[2]。經(jīng)過(guò)大量的臨床研究證實(shí)，通過(guò)EASI十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)獲得的心電信息量非常接近標(biāo)準(zhǔn)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖[3]。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。
本Holter系統(tǒng)主要由EASI十二導(dǎo)聯(lián)心電采集電路、TMS320VC5509A、外圍大容量存儲(chǔ)器(如SD存儲(chǔ)卡)、液晶顯示模塊、Zigbee模塊和電源管理部分組成。電極從人體體表獲取生物心電信號(hào)，低通濾波后接入帶通放大電路進(jìn)行兩級(jí)放大及A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)除了能直接存儲(chǔ)在MicroSD卡以便離線分析外，還可由TMS320VC5509A運(yùn)行經(jīng)二次微分小波變換算法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，或者通過(guò)Zigbee傳輸方式將心電信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。
2.2 帶通放大電路
心電信號(hào)幅度一般在0.5 mV～4 mV，頻帶通常為0.05 Hz～100 Hz，頻帶范圍不寬，但50 Hz工頻干擾和人體其他信號(hào)（如肌電干擾、運(yùn)動(dòng)基線漂移）幾乎都落在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)。人體體表阻抗比較大，容易吸取較多共模噪聲。為了使心電信號(hào)受到的干擾更小，本系統(tǒng)的心電放大電路采用兩級(jí)放大的架構(gòu)，體表兩點(diǎn)的電位差為心電信號(hào)源，前級(jí)放大使用高輸入阻抗的儀表放大器INA326，采用差分輸入，把心電信號(hào)放大5倍；后級(jí)放大采用高精度運(yùn)放OPA2335設(shè)計(jì)帶通放大電路，把0.5 Hz～106 Hz的信號(hào)放大200倍[4]。
2.3 右腿驅(qū)動(dòng)電路
右腿驅(qū)動(dòng)電路是專(zhuān)為克服50 Hz工頻共模干擾、提高共模抑制比（CMRR）而設(shè)計(jì)的，原理是采用以人體為相加點(diǎn)的共模電壓作并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是提取前級(jí)放大電路中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路倒相放大后再加回人體右腿上。本文使用的EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)可以把RL電極接到右腹處。
2.4 TMS320VC5509A最小系統(tǒng)
Holter是便攜式設(shè)備，要求保證至少有24小時(shí)連續(xù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，同時(shí)要運(yùn)行心電檢測(cè)等復(fù)雜算法。因而作為系統(tǒng)核心的DSP必須具備低功耗和高性能的特點(diǎn)。本文使用TMS320VC5509A作為系統(tǒng)運(yùn)算和控制核心，系統(tǒng)配置DSP的McBSP接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8325和CC2430 Zigbee模塊進(jìn)行通信，通過(guò)SD控制器與MicroSD卡連接，通過(guò)GPIO口與液晶模塊相連接，設(shè)置3個(gè)由按鍵控制的外部中斷，用于多功能切換。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 DSP程序設(shè)計(jì)
DSP系統(tǒng)初始化需要完成以下操作：初始化CPU、外設(shè)、引腳功能與中斷，通過(guò)判斷中斷源確定是否存儲(chǔ)在MicroSD卡上；然后開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換采集心電信號(hào)，根據(jù)此前所選擇的方式通過(guò)DMA保存采集到的數(shù)據(jù)；同時(shí)數(shù)據(jù)累積到特征提取所需后對(duì)其進(jìn)行處理，判斷是否有異常。一旦產(chǎn)生異常，則通過(guò)Zigbee模塊發(fā)送提示信息，否則繼續(xù)循環(huán)信號(hào)處理流程。
3.2 算法設(shè)計(jì)
ECG信號(hào)中QRS波群的檢測(cè)是對(duì)ECG信號(hào)自動(dòng)分析診斷的前提和基礎(chǔ)，只有在R波標(biāo)定后才可做進(jìn)一步分析。本系統(tǒng)采用墨西哥草帽小波變換進(jìn)行R波檢測(cè)。該小波母函數(shù)是高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，心電信號(hào)的特征點(diǎn)與小波變換的模極大值點(diǎn)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以據(jù)此實(shí)現(xiàn)R波的定位[5]。式(1)為小波母函數(shù)函數(shù)表達(dá)式：
具體檢測(cè)方法為：在小波變換尺度4上，分等長(zhǎng)區(qū)間分別求模極大值，再對(duì)這組模極大值求均值，將該均值二分之一作為閾值，求出過(guò)閾值的連續(xù)區(qū)間中極大值為R波的相應(yīng)位置，再修正時(shí)移。此時(shí)與尺度4相應(yīng)時(shí)延為20點(diǎn)，即與原始信號(hào)中R波位置有20點(diǎn)的延時(shí)。
為了檢查算法的有效性，本實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際通用的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由于噪聲在小波變換的第3、第4尺度上已得到抑制，所以系統(tǒng)中所采用的方法可以有效地從噪聲干擾中識(shí)別出心電信號(hào)中R波的位置，并且識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了99.83%。
在完成R波識(shí)別流程后，分別以R波位置為起始點(diǎn)，向前在長(zhǎng)度為0.04 s的區(qū)間中搜索模極小值點(diǎn)位置，以對(duì)Q波進(jìn)行定位。對(duì)S波進(jìn)行識(shí)別的基本流程與Q波相似，不同點(diǎn)是向R波后向檢索，并且由于S波延續(xù)時(shí)間較Q波長(zhǎng)，搜索區(qū)間長(zhǎng)度為0.06 s。
3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
本文的心電遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)界面采用LabVIEW虛擬儀器編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主要功能為實(shí)時(shí)從串口采集心電數(shù)據(jù)，切換顯示十二導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，分析和存儲(chǔ)等功能。
本系統(tǒng)中，Holter終端節(jié)點(diǎn)采集分析的數(shù)據(jù)應(yīng)用ZigBee無(wú)線協(xié)議傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將接收到的用戶信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過(guò)串口傳送到PC機(jī)上[6]。
4 系統(tǒng)測(cè)試
4.1 心電采集和預(yù)處理
按照?qǐng)D1的EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)電極位置所示，通過(guò)心電電極片連接人體和系統(tǒng)前端電路，采集心電信號(hào)。圖3為實(shí)際采集的AI通道的心電信號(hào)并在CCS(Code Composer Studio)v3.3上顯示的心電信號(hào)片段。
4.2 算法實(shí)現(xiàn)
在TMS320VC5509A采用小波變換的方法，在小波變換尺度4上對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)特征提取，并對(duì)QRS波群的各個(gè)特征點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算。小波變換尺度4如圖4所示。
如圖4所示，圓圈標(biāo)記為R波在尺度4上對(duì)應(yīng)的位置，三角形標(biāo)記為Q波，矩形標(biāo)記為S波。然后據(jù)此再對(duì)其他參數(shù)如P波、T波及其端點(diǎn)檢測(cè)。
4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)
在上位機(jī)運(yùn)行心電遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)界面，可同時(shí)實(shí)時(shí)顯示用戶的心電數(shù)據(jù)及根據(jù)EASI導(dǎo)聯(lián)推導(dǎo)出的十二導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)。
本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于DSP的多功能Holter系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)、EASI十二導(dǎo)聯(lián)心電采集電路、心電識(shí)別算法、Zigbee無(wú)線傳輸通信和上位機(jī)監(jiān)護(hù)程序等都已調(diào)試成功。Holter系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基于小波變換算法實(shí)時(shí)檢測(cè)從心電模擬前端采集的心電信號(hào)，并通過(guò)Zigbee實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行心電遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)與十二導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)的推導(dǎo)及實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
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