基于遠(yuǎn)端平臺(tái)的便攜式心電診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一。而心電圖則是治療此類疾病的主要依據(jù)，具有診斷可靠，方法簡(jiǎn)便，對(duì)病人無損害的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，變得越來越重要。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動(dòng)，歷時(shí)僅為幾s~1 m，只能獲取少量有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，所以在有限時(shí)間內(nèi)即使發(fā)生心率失常，被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。因此有必要通過相應(yīng)的監(jiān)護(hù)裝置對(duì)患者進(jìn)行長時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，記錄患者的心電數(shù)據(jù)。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點(diǎn)，患者不可能長時(shí)間地靜臥在醫(yī)院，但又需實(shí)時(shí)得到醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)護(hù)，所以研發(fā)相應(yīng)的便攜式心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品就顯得更加重要。本文提出了一種基于遠(yuǎn)端診斷平臺(tái)的心電診斷系統(tǒng)，由此來實(shí)現(xiàn)便攜易用、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及降低診斷成本等功能。

1遠(yuǎn)端診斷模式的實(shí)現(xiàn)

提出遠(yuǎn)端診斷模式主要是基于兩個(gè)原因：一是便攜性，傳統(tǒng)心電檢測(cè)設(shè)備由于其局限性難以實(shí)現(xiàn)隨身攜帶，病人需要檢測(cè)時(shí)只能到特定地點(diǎn)，不僅無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，而且增加了醫(yī)療成本；二是易用性，傳統(tǒng)設(shè)備對(duì)操作者有一定的專業(yè)要求，往往病人自己難以操作。提出遠(yuǎn)端診斷模式，將系統(tǒng)分為用戶終端與遠(yuǎn)程服務(wù)終端，用戶只需攜帶用戶終端設(shè)備，而且只需操作用戶終端，將專業(yè)性的操作隔離開留給遠(yuǎn)程服務(wù)終端，從而實(shí)現(xiàn)其便攜性與易用性。

在遠(yuǎn)端診斷模式中，用戶終端主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集心電信號(hào)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，控制GPRS通訊模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)終端；遠(yuǎn)程服務(wù)終端主要承擔(dān)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理，甚至可以與專家在線分析和實(shí)時(shí)診斷，最后將診斷結(jié)果返回用戶終端。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

便攜式心電診斷系統(tǒng)主要由前端采集電路、用戶端主控模塊、兩個(gè)GPRS終端和遠(yuǎn)端服務(wù)器幾部分組成，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中前端采集電路主要承擔(dān)心電信號(hào)采集的功能，采集的信號(hào)經(jīng)初步的濾波及放大后送入用戶端主控模塊，主控MCU對(duì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和一些基本處理之后存儲(chǔ)在EEPROM中，等待用戶的命令指示。GPRS終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。遠(yuǎn)端服務(wù)器接收到用戶發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之后進(jìn)行詳盡的處理，得到診斷結(jié)果后將結(jié)果發(fā)送回用戶終端。

2.1前端采集電路

前端采集電路主要由心電電極、前置差分低通濾波電路、前置差動(dòng)放大電路、高通濾波電路、主放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、過壓保護(hù)電路和電源模塊組成。如圖2所示。

將兩個(gè)電極置于人體表面上不同的兩點(diǎn)，通過導(dǎo)線與心電圖機(jī)相連，就可以描出一種心電圖波形。描記心電圖時(shí)的電極安放位置及導(dǎo)線與放大器的聯(lián)接方式稱為心電圖導(dǎo)聯(lián)。設(shè)計(jì)中采用的是標(biāo)準(zhǔn)雙極導(dǎo)聯(lián)Ⅰ。它是以兩肢體間的電位差為所獲取的體表心電，電極安放位置以及與放大器的連接為：左上肢（L）接放大器正輸入端，右上肢（R）接放大器負(fù)輸人端，同時(shí)，右下肢（RF）應(yīng)直接接浮。在本系統(tǒng)中，右下肢接右腳電極驅(qū)動(dòng)器的輸出端，間接接地。

在此電路中，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于防止RFI整流誤差的差分低通濾波器電路，如圖3所示。該濾波器除了提供對(duì)RFI的抑制，還提供附加的輸入過載保護(hù)，因?yàn)殡娮杵鱎1、R2幫助把儀表放大器的輸入電路與外部信號(hào)源隔離。C3跨接電橋輸出端，以便C3有效地與C1和C2的串聯(lián)組合并聯(lián)。C3非常有效地減小了由于不匹配造成的任何AC-CMR（交流-共模抑制）誤差。

心電信號(hào)采集電路中最重要的部分是放大電路。由于心電信號(hào)很微弱，而且采集過程中存在著極化電壓、熱噪聲和儀器產(chǎn)生的噪聲等多種干擾信號(hào)，對(duì)后續(xù)特征波形的檢出與分析有很大的影響。這些干擾大都屬于共模干擾，因此要求前置放大器有足夠高的共模抑制比，同時(shí)為了抑制信號(hào)的基線漂移，還要有足夠小的溫度漂移。設(shè)計(jì)中采用TI公司的INA326放大器，電路如圖4所示。

2.2用戶端主控模塊

主控模塊選擇MSP430F149作為系統(tǒng)的中央控制器，主要完成對(duì)放大濾波后的心電信號(hào)采樣量化、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、LCD顯示及用戶交互等功能。用戶端系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

2.3 GPRS無線發(fā)送模塊

GPRS無線收發(fā)模塊采用了集成TCP/IP協(xié)議的SIM300.SIM300是一個(gè)三頻GSM/GPRS模塊，能夠工作在EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz和PCS 1 900 MHz三種頻率，同時(shí)SIM300提供兩種時(shí)隙供選擇，并支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四種GPRS編碼方案。

在整體方案中，心電信號(hào)數(shù)據(jù)通過主控模塊的初步處理之后打包，通過串口送到GPRS發(fā)送模塊，傳送到GPRS接收端之后交由上位機(jī)處理。整個(gè)流程如圖7所示。

在設(shè)計(jì)SIM300外圍接口電路時(shí)，采用MAX809自動(dòng)控制通信模塊的復(fù)位，可以在上電和VBAT下降到3.3 V時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。而由于在實(shí)際應(yīng)用中GPRS數(shù)據(jù)傳送是偶發(fā)性事件，所以SIM300模塊的RESET和ON/OFF交由主控制器控制，通過程序來實(shí)現(xiàn)模塊的開關(guān)機(jī)，達(dá)到降低功耗的效果。總體設(shè)計(jì)如圖8所示。

2.4基于小波變換的心電信號(hào)消噪

信號(hào)經(jīng)過前端采集與主控模塊進(jìn)行初步處理之后，發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端運(yùn)行上位機(jī)系統(tǒng)，對(duì)接收到的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，經(jīng)過進(jìn)一步消噪與匹配之后得到診斷結(jié)果，同時(shí)提供專家診斷平臺(tái)接口。而后處理中主要是利用小波變換來實(shí)現(xiàn)消噪，因此為了更好地實(shí)現(xiàn)算法的嵌入，采用了MATLAB的GUI來編寫上位機(jī)程序。

2.4.1心電信號(hào)的奇異值小波消噪法

心電信號(hào)是毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，容易受到噪聲的干擾如工頻干擾、基線漂移干擾和肌電干擾等，部分心電信號(hào)因此具有噪聲非均勻分布現(xiàn)象。Ahlstrom等用低通濾波器法進(jìn)行心電信號(hào)消噪，但低通僅濾除了高頻信息，對(duì)心電信號(hào)消噪的效果不理想，必須經(jīng)過進(jìn)一步處理才能應(yīng)用于診斷。本系統(tǒng)采用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪。

小波變換具有時(shí)頻局部化特性，因此，小波變換可在時(shí)間軸上準(zhǔn)確定位信號(hào)的突變點(diǎn)，同時(shí)其多分辨率特性又決定了小波變換可在不同尺度上描述信號(hào)的局部特征，但對(duì)噪聲非均勻分布信號(hào)具有局限性。為解決這個(gè)問題，本文引入奇異值分解消噪法與小波閾值消噪相結(jié)合，利用矩陣奇異值正交分解和小波閾值消噪特點(diǎn)，以解決非均勻噪聲分布心電信號(hào)的消噪問題。

對(duì)于噪聲分布不均勻的信號(hào)，因?yàn)閰^(qū)域噪聲分布特征不同，規(guī)則的選擇相互矛盾，所以在處理信號(hào)時(shí)先將非均勻噪聲分布信號(hào)經(jīng)過奇異值分解，然后利用小波軟閾值消噪法分別對(duì)分解后的正交分量進(jìn)行消噪，由線性疊加消噪后的分量得出消噪后的心電信號(hào)。奇異值小波消噪法步驟如下：

其流程圖如圖9所示。

2.4.2消噪結(jié)果分析

圖10給出了利用奇異值小波消噪法對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行降噪后的結(jié)果。

圖10（a）是原始的心電信號(hào)，圖10（b）是去零點(diǎn)漂移后的波形。可以看出，去零點(diǎn)漂移后波形趨于平穩(wěn)。圖10（c）是經(jīng)過奇異值小波降噪后得到的信號(hào)，對(duì)比原始信號(hào)可以較清晰地看到PQRST波的基本特征，波峰和幅值的損失較小。由此可以看出，消噪取得了良好的效果。

本文提出了一種基于遠(yuǎn)端診斷平臺(tái)的便攜式心電診斷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了前端采集部分、主控模塊、GPRS模塊；編寫了服務(wù)器端的上位機(jī)軟件并采用基于小波變換的算法對(duì)心電信號(hào)實(shí)現(xiàn)了降噪處理，預(yù)留了接口，方便新檢測(cè)方法的更新；測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單易用、診斷成本低、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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