摘 要:介紹基于AT91SAM9261的心電疾病診斷系統(tǒng)的設(shè)計。采用的測試平臺以AT91SAM9261為核心，整個設(shè)計完成了硬件驅(qū)動和軟件設(shè)計，可以對心電信號進(jìn)行前置處理，接著進(jìn)行波形檢測與分析，從而做出心電情況的診斷，對于不正常心電給出反饋。該設(shè)計中采用的算法簡單有效，給出了處理前后心電波形的液晶屏顯示效果和QRS波群檢測的正確率，正確率為96.93%符合實(shí)時診斷的要求。

關(guān)鍵詞:心電信號; AT91SAM9261S; QRS波檢測; 液晶屏顯示

中圖分類號:TN710;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-373X(2010)14-0032-02

Heart Diseases Diagnosing System Based on AT91SAM9261S

WU Qing-ling， HE Ai-jun

(Department of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract:A design of heart diseases diagnosing system based on AT91SAM9261 is introduced. The design includes hardware driving and software design， pre-processes the ECG signal， detects and analyzes the waveform， then diagnoses the information and gives the feedback for the abnormal ECG. The algorithm used in the design is simple and effective， the LCD display results of the original and processed wave， and the accuracy rate of QRS wave group detection is 96.93% are proposed. It fulfills the requirements of real-time diagnosis.

Keywords: ECG; AT91SAM9261S; QRS wave detection; LCD display

0 引 言

近年來，心臟病的發(fā)病率不斷上升，便攜式的移動心電監(jiān)護(hù)設(shè)備成為心臟狀況不良好的人們的迫切需要。既要考慮設(shè)備方便攜帶和使用，同時要保證心電信號得到高質(zhì)量的分析和處理，這就需要選用盡量優(yōu)化的硬件、軟件資源來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能[1-2]。硬件選用AT91SAM9261S芯片，并加入液晶屏，SD卡等外圍部件組成設(shè)計所需的硬件測試平臺，相應(yīng)地，選擇軟件開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench IDE 5.4。

1 系統(tǒng)的工作原理

該測試平臺以AT91SAM9261S為核心，該款A(yù)RM9芯片工作于190 MHz時性能高達(dá)210 MIPS，分別具有16 KB數(shù)據(jù)緩存和16 KB指令緩存，32 KB片內(nèi)ROM和16 KB片內(nèi)SRAM，這些特征保證了整個心電系統(tǒng)工作的可靠性和實(shí)時性。

系統(tǒng)的總體規(guī)劃設(shè)計如圖1所示，從SD卡內(nèi)讀取心電信號，進(jìn)行前置處理和特征分析，通過RR間期及QRS波的寬度等進(jìn)行心電疾病的診斷，如果正常則不進(jìn)行信息反饋，如果有某種心電疾病，則給出反饋信息，監(jiān)護(hù)人員可以結(jié)合心電疾病情況給出相應(yīng)的處理。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 軟件測試環(huán)境的建立

具體需要完成的工作包括底層驅(qū)動開發(fā)、μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植。

在IAR Embedded Workbench IDE 5.4開發(fā)環(huán)境下，建立工程，將μC/OS操作系統(tǒng)和μC/GUI移植進(jìn)來，通過Jlink進(jìn)行調(diào)試，保證硬件的正常工作，為了順利讀取SD卡中存儲的心電信號(dat格式)，還需要將FAT文件系統(tǒng)移植到工程中[3]。移植過程中，參照AT91SAM9261S的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)配置，首先是系統(tǒng)CPU主頻配置和液晶屏有關(guān)的硬件接口配置(包括數(shù)據(jù)傳輸端口和SPI口的配置等)，與液晶屏的最高工作頻率相對應(yīng)，這里配置系統(tǒng)工作頻率為174 MHz，其他還有各項(xiàng)寄存器的設(shè)置，而μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植只需要修改相關(guān)參數(shù)，如LCD屏的各項(xiàng)參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)的寄存器地址等。這樣就可以編寫系統(tǒng)所需的界面，方便心電信號各項(xiàng)波形和結(jié)果的顯示。

2.2 心電信號處理與分析

這里采用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫的心電信號，在讀取dat文件后，按照其存儲格式進(jìn)行解析和降采樣，可以得到原始的心電信號，接下來對其進(jìn)行處理和分析。

2.2.1 前置處理

心電信號的頻率在0.05~100 Hz之間，其中含的常見噪聲有:60 Hz工頻干擾及其各次諧波，由于呼吸運(yùn)動和電極運(yùn)動等所產(chǎn)生的頻率小于5 Hz的干擾和肌肉收縮所產(chǎn)生的肌電噪聲。為了得到正常的心電波形，必須要把這些干擾濾除，考慮到QRS波群的中心頻率在17 Hz附近且?guī)捈s為10 Hz，這里采用了低通濾波、高通濾波及梳狀濾波器。

考慮到AT91SAM9261S的數(shù)字運(yùn)算能力和系統(tǒng)的實(shí)時性要求，低通濾波和高通濾波采用了簡化的FIR濾波，濾波系數(shù)在Matlab環(huán)境下通過fir1函數(shù)獲得[4]，實(shí)現(xiàn)了0.05 Hz的線性相位高通濾波器和100 Hz的線性相位低通濾波器。這里高通濾波器的系數(shù)為:b=[0.000 0， 0.000 2， 0.999 2， -0.000 2，0.000 0];a=[1.000]，低通濾波器的系數(shù)為[5]:b=[0.011 1，0.488 9，0.488 9，0.011 1];a=[1.000]。這里設(shè)計的陷波器用到了減法技術(shù)，采用一個全通網(wǎng)絡(luò)減去一個具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出，得到一個具有尖銳陷波特性的陷波器(NOTCH)[6] ，其原理如圖2所示。

圖2 陷波器原理圖

該陷波濾波器實(shí)際上是一個梳狀濾波器，其傳遞函數(shù)為:

H(z)=z-R-P2n-1Qn 1-z-R1-z-P n

式中:Q=R/P。

實(shí)際應(yīng)用時，采樣率Fs為360 Hz，工頻干擾Fc為60 Hz，則P=Fs/Fc=6，n和R決定了濾波器的阻帶帶寬，通過參數(shù)調(diào)整，該系統(tǒng)選取n=2，R=162，則有Q=27。上述濾波器對60 Hz工頻及其諧波和基頻干擾有較好的濾除效果。

2.2.2 波形檢測與分析

波形分析包括QRS波群和P，T波的檢測標(biāo)記。關(guān)于QRS波群檢測部分[7-8]，計算差分信號y(n+1)-y(n-1)，結(jié)合原心電信號和差分信號的閾值設(shè)定及差分信號符號的變化來檢測R波的存在，并計算RR間期[9]同時進(jìn)行錯誤R波的去除，之后依照Q，S波的特性在R波前后確定QRS波群的位置，P，T波也是參照QRS波群的位置結(jié)合差分值變化來進(jìn)行檢測。

3 系統(tǒng)的結(jié)果顯示與分析

該設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)心電信號自動診斷，作出心電情況的判斷并反饋，給出了各項(xiàng)波形和特征值的直觀顯示和標(biāo)記。

在μC/GUI下編寫自己需要的界面[10]，方便對心電信號的各項(xiàng)檢測分析結(jié)果進(jìn)行顯示，如圖3所示，可以畫出心電波形和差分信號并進(jìn)行R波標(biāo)記。

圖3 系統(tǒng)的顯示界面

這里對該系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的時間測試，在心電數(shù)據(jù)寬度為3 min，即數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為64 800(即360×180)的情況下，整個處理分析所花時間小于2 s，整套處理分析算法很好地達(dá)到了實(shí)時性要求。下面給出系統(tǒng)所用算法對MIT-BIH標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫中的心電信號(取前12 000個點(diǎn))的R波檢測結(jié)果，如表1所示，總的R波檢測正確率為96.93%，準(zhǔn)確的R波檢測對后續(xù)進(jìn)一步檢測診斷工作提供了有力的保障。

表1 R波檢測結(jié)果

Total beats FP FN Failed Error rate /%

293 4 5 9 3.07

說明:測試文件有100，101，102，103，105，106，107，111，112，113，114，115，116，117和118。4 結(jié) 語

本文描述了心電疾病自動診斷系統(tǒng)的設(shè)計，完成了硬件端的驅(qū)動和軟件端的信號處理與分析顯示。采用的算法簡單有效，符合小型疾病診斷系統(tǒng)的實(shí)時性要求。同時，該系統(tǒng)還有很多不足的地方，如硬件平臺的擴(kuò)展、心電算法的完善等，需要后續(xù)的進(jìn)一步改進(jìn)。

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