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，方法簡便，對病人無損害的優(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，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)心電信號采集的功能，采集的信號經(jīng)初步的濾波及放大后送入用戶端主控模塊，主控MCU對心電信號數(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。

心電信號采集電路中最重要的部分是放大電路。由于心電信號很微弱，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，對后續(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，主要完成對放大濾波后的心電信號采樣量化、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。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?？傮w設(shè)計(jì)如圖8所示。

2.4基于小波變換的心電信號消噪

信號經(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心電信號的奇異值小波消噪法

心電信號是毫伏級的微弱信號，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)行心電信號消噪，但低通僅濾除了高頻信息，對心電信號消噪的效果不理想，必須經(jīng)過進(jìn)一步處理才能應(yīng)用于診斷。本系統(tǒng)采用小波變換對信號進(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的局部特征，但對噪聲非均勻分布信號具有局限性。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的消噪問題。

對于噪聲分布不均勻的信號，因?yàn)閰^(qū)域噪聲分布特征不同，規(guī)則的選擇相互矛盾，所以在處理信號時(shí)先將非均勻噪聲分布信號經(jīng)過奇異值分解，然后利用小波軟閾值消噪法分別對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。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采集到的心電信號進(jìn)行降噪后的結(jié)果。

圖10（a）是原始的心電信號，圖10（b）是去零點(diǎn)漂移后的波形?？梢钥闯觯チ泓c(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，對比原始信號可以較清晰地看到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心電信號實(shí)現(xiàn)了降噪處理，預(yù)留了接口，方便新檢測方法的更新；測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有簡單易用、診斷成本低、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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