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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，全球每年有超過1 700萬人死于心臟疾病。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間的靜態(tài)心電信息，而動態(tài)心電圖則能反映長時間的動態(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Norman J.Holter最先把動態(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態(tài)心電圖的儀器稱為Holter。 傳統(tǒng)基于單片機的Holter能實現(xiàn)心電信號的顯示、傳輸及簡單的判病報警，但受限于單片機的運算速度，難以采用檢測準(zhǔn)確但耗費資源相對較多的算法實現(xiàn)對心電數(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)心電信號采集方案，實現(xiàn)一個具有實時檢測、無線傳輸和24小時心電數(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)生實時監(jiān)測病人的心電信息以應(yīng)對疾病的突發(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)點是可以通過5個心電電極產(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個電極E（胸骨下部平第5 肋間）、A（左腋中線平E點位置）、I（右腋中線平E點位置）、S（胸骨柄）和RL（右腿驅(qū)動電極，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)過大樣本研究后得出的精確相關(guān)系數(shù)[2]。經(jīng)過大量的臨床研究證實，通過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 2.1 系統(tǒng)方案 系統(tǒng)框圖設(shè)計如圖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、外圍大容量存儲器(如SD存儲卡)、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，低通濾波后接入帶通放大電路進行兩級放大及A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)除了能直接存儲在MicroSD卡以便離線分析外，還可由TMS320VC5509A運行經(jīng)二次微分小波變換算法對心電信號進行實時檢測，或者通過Zigbee 傳輸方式將心電信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護中心進行實時監(jiān)護。 2.2 帶通放大電路 心電信號幅度一般在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（如肌電干擾、運動基線漂移）幾乎都落在這個頻帶范圍內(nèi)。人體體表阻抗比較大，容易吸取較多共模噪聲。為了使心電信號受到的干擾更小，本系統(tǒng)的心電放大電路采用兩級放大的架構(gòu)，體表兩點的電位差為心電信號源，前級放大使用高輸入阻抗的儀表放大器INA326，采用差分輸入，把心電信號放大5倍；后級放大采用高精度運放OPA2335設(shè)計帶通放大電路，把0.5 Hz～106 Hz的信號放大200倍[4]。 2.3 右腿驅(qū)動電路 右腿驅(qū)動電路是專為克服50 Hz工頻共模干擾、提高共模抑制比（CMRR）而設(shè)計的，原理是采用以人體為相加點的共模電壓作并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是提取前級放大電路中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動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小時連續(xù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，同時要運行心電檢測等復(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。本文使用TMS320VC5509A作為系統(tǒng)運算和控制核心，系統(tǒng)配置DSP的McBSP接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8325 和CC2430 Zigbee模塊進行通信，通過SD控制器與MicroSD卡連接，通過GPIO口與液晶模塊相連接，設(shè)置3個由按鍵控制的外部中斷，用于多功能切換。 3 軟件設(shè)計 3.1 DSP程序設(shè)計 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，通過判斷中斷源確定是否存儲在MicroSD卡上；然后開始A/D轉(zhuǎn)換采集心電信號，根據(jù)此前所選擇的方式通過DMA保存采集到的數(shù)據(jù)；同時數(shù)據(jù)累積到特征提取所需后對其進行處理，判斷是否有異常。一旦產(chǎn)生異常，則通過Zigbee模塊發(fā)送提示信息，否則繼續(xù)循環(huán)信號處理流程。 3.2 算法設(shè)計 ECG信號中QRS波群的檢測是對ECG信號自動分析診斷的前提和基礎(chǔ)，只有在R波標(biāo)定后才可做進一步分析。本系統(tǒng)采用墨西哥草帽小波變換進行R波檢測。該小波母函數(shù)是高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，心電信號的特征點與小波變換的模極大值點存在對應(yīng)關(guān)系，從而可以據(jù)此實現(xiàn)R波的定位[5]。式(1)為小波母函數(shù)函數(shù)表達(dá)式：
具體檢測方法為：在小波變換尺度4上，分等長區(qū)間分別求模極大值，再對這組模極大值求均值，將該均值二分之一作為閾值，求出過閾值的連續(xù)區(qū)間中極大值為R波的相應(yīng)位置，再修正時移。此時與尺度4相應(yīng)時延為20點，即與原始信號中R波位置有20點的延時。 為了檢查算法的有效性，本實驗采用國際通用的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫進行測試，結(jié)果如表1所示。
經(jīng)實驗驗證，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別出心電信號中R波的位置，并且識別準(zhǔn)確率達(dá)到了99.83%。 在完成R波識別流程后，分別以R波位置為起始點，向前在長度為0.04 s的區(qū)間中搜索模極小值點位置，以對Q波進行定位。對S波進行識別的基本流程與Q波相似，不同點是向R波后向檢索，并且由于S波延續(xù)時間較Q波長，搜索區(qū)間長度為0.06 s。 3.3 上位機軟件設(shè)計 本文的心電遠(yuǎn)程實時監(jiān)護界面采用LabVIEW虛擬儀器編程語言設(shè)計，主要功能為實時從串口采集心電數(shù)據(jù)，切換顯示十二導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，分析和存儲等功能。 本系統(tǒng)中，Holter終端節(jié)點采集分析的數(shù)據(jù)應(yīng)用ZigBee無線協(xié)議傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收到的用戶信息數(shù)據(jù)進行融合處理，通過串口傳送到PC機上[6]。 4 系統(tǒng)測試 4.1 心電采集和預(yù)處理 按照圖1的EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)電極位置所示，通過心電電極片連接人體和系統(tǒng)前端電路，采集心電信號。圖3為實際采集的AI通道的心電信號并在CCS(Code Composer Studio)v3.3上顯示的心電信號片段。 4.2 算法實現(xiàn) 在TMS320VC5509A采用小波變換的方法，在小波變換尺度4上對心電信號進行實時特征提取，并對QRS波群的各個特征點參數(shù)進行檢測計算。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)此再對其他參數(shù)如P波、T波及其端點檢測。 4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)護 在上位機運行心電遠(yuǎn)程實時監(jiān)護界面，可同時實時顯示用戶的心電數(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)。 本文實現(xiàn)了一個基于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、心電識別算法、Zigbee無線傳輸通信和上位機監(jiān)護程序等都已調(diào)試成功。Holter系統(tǒng)能實現(xiàn)基于小波變換算法實時檢測從心電模擬前端采集的心電信號，并通過Zigbee實時無線傳輸?shù)絇C機進行心電遠(yuǎn)程實時監(jiān)護與十二導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)的推導(dǎo)及實時顯示，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 參考文獻 [1] 郭繼鴻.EASI導(dǎo)聯(lián)衍生12導(dǎo)聯(lián)的原理[J].臨床心電學(xué)雜志，2008(3)：163-167. [2] FEILD DQ，F(xiàn)ELDMAN CL，Horácek BM.Improved EASI coefficients: their derivation，values，and performance[J]. J Electrocardiol，2002，35(Suppl)：23-33. [3] ANNIKA E.Welinder，Galen S.Wagner，B.Milan Horácek，et al.EASI-Derived vs standard 12-lead electrocardiogram for Selvester QRS score estimations of chronic myocardial infarct size, using cardiac magnetic resonance imaging as gold standard[J].J Electrocardiol，2009，42(2)：145-151. [4] Texas Instruments Incorporated. Information for Medical Applications[R].2007：17-18. [5] 余輝，張力新，呂揚生.基于小波變換的QRS波檢測[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2001，5(2)：65-70. [6] SWAIN N K，ANDERSON J A.Ajit Singh Swain M.，F(xiàn)ulton M. Garrett.Remote data acquisition，control and analysis using LabVIEW front panel and real time engine[J]，SoutheastCon， 2003.Proceedings.IEEE：1-6. 作者: 廖江海 姜來 李蓁 紀(jì)震 來源：電子技術(shù)應(yīng)用 2009 年 第35卷 第10期 |
