基于nRF51822的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/ 呂閃 金巳婷 沈巍 吳陽(yáng)明 大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院(遼寧 大連 116028)

*基金項(xiàng)目：遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(編號(hào)：20141108)

呂閃(1991-)，女，碩士生，研究方向：嵌入式控制技術(shù)。

摘要：本文介紹了一種基于nRF51822的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于低功耗藍(lán)牙4.0的nRF51822作為核心處理芯片，采用AD823傳感器及其外圍電路組成心電采集模塊，采集使用者的心電信息，同時(shí)針對(duì)人體心電信息存在的噪聲干擾、信號(hào)微弱等問(wèn)題，本文提出了基于小波變換閾值去噪法，很好地去除了心電信號(hào)中復(fù)雜的噪聲，充分發(fā)揮了小波變換在信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)。并將經(jīng)核心處理器處理后的心電信息發(fā)送至APP和OLED顯示屏，對(duì)測(cè)得的心電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，精確度高，能夠滿足心電監(jiān)測(cè)的需求。

引言

　　心血管疾病患者的病情通常采用“心電圖”來(lái)判斷患者的患病情況，然而，大部分心血管疾病患者的心電圖在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法判斷是否正常，導(dǎo)致患者需要長(zhǎng)時(shí)間呆在醫(yī)院做心電監(jiān)護(hù)，從而給家庭與醫(yī)院造成了許多不必要的損失和麻煩。而對(duì)于早期心血管疾病患者，平時(shí)不會(huì)表現(xiàn)出任何的癥狀，偶感心臟不適也只是持續(xù)幾十秒鐘，待到醫(yī)院檢查時(shí)，癥狀消失，導(dǎo)致醫(yī)生也無(wú)法對(duì)病情進(jìn)行診斷，使得難以實(shí)現(xiàn)對(duì)早期心血管患者病情的控制與治療。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前一般釆用24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖儀來(lái)記錄患者長(zhǎng)時(shí)間的心電信息，然而由于人體身體監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致讀取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、可靠性低，且不能實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)者的心電波形及心電信息，為醫(yī)生判斷患者的患病情況增加了難度^[1-3]。

　　為此本文展開對(duì)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，采用小波變換濾波算法，設(shè)計(jì)出基于nRF51822為核心處理器的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用者可以隨時(shí)、隨地，不受任何環(huán)境干擾地使用該系統(tǒng)采集用戶心電信息，實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)心電波形和數(shù)值，假如用戶對(duì)診斷結(jié)果存在異議，可以讀取系統(tǒng)中的心電信息，將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至醫(yī)院的數(shù)據(jù)處理中心，由專業(yè)醫(yī)生對(duì)心電信息進(jìn)行判斷，以便得到更加有效的信息，大大避免了病情的延誤與治療。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

　　針對(duì)人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要由主控模塊、心電信號(hào)采集模塊、信息儲(chǔ)存模塊、心電信息顯示模塊等組成。圖1為本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成圖。

　　本系統(tǒng)中，心電采集模塊采集心電信息信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)放大及輸送至心電處理控制中心，進(jìn)行數(shù)字處理(去噪、特征檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析)，并將受檢者的心電信息存儲(chǔ)至信息存儲(chǔ)模塊中。同時(shí)，心電信息顯示模塊將顯示受檢者的心電信息及心臟跳動(dòng)波形等。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，并且應(yīng)用價(jià)值巨大。

1.2 MCU主控模塊設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的心電檢測(cè)系統(tǒng)采用nRF51822為控制核心，nRF51822是由Nordic Semiconductor公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款支持多種藍(lán)牙協(xié)議的超低功耗芯片，其核心芯片的31個(gè)引腳可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求靈活地映射到任何設(shè)備引腳。nRF51822控制芯片支持S110、S210多種藍(lán)牙低功耗協(xié)議堆棧，最多可以連接八個(gè)從機(jī)，最大傳輸速率為2Mbps，且功耗低，一顆紐扣電池可以為芯片供電兩年之久[6]。圖2為nRF51822的最小系統(tǒng)圖。

1.3 心電采集單元設(shè)計(jì)

　　心電采集模塊主要由心電信號(hào)集成模擬前端及其周邊電路組成。信號(hào)集成模擬前端是基于AD823心電采集控制芯片，心電采集模塊與主控制器配合可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集和傳輸功能。圖3為心電采集單元電路圖。

2 心電信號(hào)中噪聲的濾除

2.1 小波閾值去噪方法的基本原理

　　目前，基于小波變換應(yīng)用最廣泛的濾波方法是閾值去噪法，其基本分為三個(gè)步驟：

　　1)選擇適合的小波函數(shù);

　　2)小波系數(shù)的非線性化處理;

　　3)小波重構(gòu)經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)。

　　其中小波系數(shù)的非線性化處理是噪聲濾除的核心問(wèn)題，其基本思想如下：通過(guò)與預(yù)定閾值的對(duì)比，將小波系數(shù)小于預(yù)定閾值的近似分量確定為噪聲所引起的，并將之置為零，將小波系數(shù)大于預(yù)定閾值的近似分量確定為心電信號(hào)本身所引起的，使用硬閾值法或軟閾值法將它保留或進(jìn)行收縮處理，最后，再將經(jīng)過(guò)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，以獲得較“干凈”心電信號(hào)。由上述可知，小波閾值去噪的關(guān)鍵在于小波函數(shù)的選擇、閾值函數(shù)的選取及閾值大小的確定。圖4為閾值去噪步驟的流程圖。

2.2 小波函數(shù)的選取

　　如圖5所示，利用Donoho固定閾值選取規(guī)則，分別采用db5小波、bior3.1小波、coif4小波和sym8小波對(duì)一段心電信號(hào)進(jìn)行去噪。從圖5中的比較可知，coif4小波、sym8小波的去噪效果要優(yōu)于db5小波和bior3.1小波。但是，由于db5小波對(duì)稱性很差，導(dǎo)致信號(hào)在分解與重構(gòu)時(shí)相位出現(xiàn)失真，而bior3.1小波尺度函數(shù)的波形跟心電信號(hào)的波形相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致去噪效果不十分理想;同時(shí)，coif4小波的支集比較長(zhǎng)，處理心電信號(hào)比較費(fèi)時(shí)，且計(jì)算量大，效率不高。故最后本文選用sym8小波來(lái)抑制心電信號(hào)的工頻干擾和肌電干擾。