基于AD8232的心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳嘉緒,周 穎

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

基于AD8232的心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳嘉緒,周 穎

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

為了方便對(duì)患者心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟疾病的及時(shí)預(yù)防及診斷，利用一款基于ATmega328p微控制器的Arduino開(kāi)發(fā)板、一塊心電監(jiān)測(cè)前端模塊AD8232及上位機(jī)軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)出一套心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并利用LabVIEW設(shè)計(jì)出多種軟件濾波方法來(lái)抑制心電信號(hào)中的噪聲;由于心電信號(hào)的時(shí)頻特性能提供反映患者心臟活動(dòng)動(dòng)態(tài)行為的信息，該系統(tǒng)還包括基于LabVIEW設(shè)計(jì)出的多種用于心電信號(hào)實(shí)時(shí)分析的程序，使被試心電信號(hào)所包含的生理特性能夠及時(shí)地被分析出來(lái);利用所開(kāi)發(fā)的心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)對(duì)被試的心電信號(hào)進(jìn)行采集和分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠非常靈敏、準(zhǔn)確地檢測(cè)心電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)噪聲有著很好的抑制能力;此外系統(tǒng)能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行各式的實(shí)時(shí)分析，且分析結(jié)果可靠，能夠運(yùn)用于臨床診斷;利用該系統(tǒng)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、去噪效果良好、分析結(jié)果可靠，為今后心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

心電信號(hào)； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)分析；軟件濾波

0 引言

人體心肌細(xì)胞產(chǎn)生的心電活動(dòng)可以通過(guò)周圍的導(dǎo)電組織傳導(dǎo)到體表的任何部位，因此將電極片放置于體表某個(gè)部位，就可以檢測(cè)到該處的電位變化。通過(guò)記錄每個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)由心臟生物電位變化引起的兩個(gè)電極間的電位差隨時(shí)間變化的波形，就可以繪制出心電圖[1]。心電信號(hào)可以反映心肌受損的程度以及心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況，也對(duì)各種心律失常、心室肥大、心肌梗死、心肌缺血等病癥檢查具有重要的參考價(jià)值。例如，心電圖是臨床診斷心血管疾病的重要依據(jù)[2]，而心電信號(hào)又是早期應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究的人體生物電，其研究發(fā)展較為成熟，因而醫(yī)生專家已經(jīng)可以通過(guò)研究分析心電信號(hào)的特征以及規(guī)律來(lái)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和診斷心臟病變。通常來(lái)說(shuō)，猝發(fā)性心室顫動(dòng)和竇性停搏等的患者在病發(fā)后的長(zhǎng)達(dá)6分鐘的時(shí)間內(nèi)，若有醫(yī)生對(duì)其及時(shí)實(shí)行心肺復(fù)蘇救治，其中70%～80%的患者可以脫離死亡。然而心血管系統(tǒng)的異常生理變化經(jīng)常在患者本人沒(méi)有自覺(jué)癥狀的情況下發(fā)生[3]，即異常心電信號(hào)的出現(xiàn)具有偶然性和不確定性。所以，針對(duì)心臟電位變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)疑是一種用于確診心肌梗死和各種心律失常的疾病的重要手段[4]。在這一背景下，心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)儀應(yīng)運(yùn)而出。本次研究的主要內(nèi)容就是為今后的心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)出一款基于AD8232模塊、 Arduino開(kāi)發(fā)板、虛擬儀器LabVIEW的心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)。

1 下位機(jī)部分的設(shè)計(jì)

1.1 心電檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

AD8232是一款用于心電信號(hào)及其他生物電信號(hào)測(cè)量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊，具有尺寸小和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。AD8232的功能和引腳如圖1和2所示。

圖1 AD8232的功能框圖

圖2 AD8232的引腳圖

如圖3所示，AD8232內(nèi)置的電路包括：運(yùn)算放大器(A1)、儀表放大器(IA)、右腿驅(qū)動(dòng)放大器(A2)、中間電源電壓基準(zhǔn)電壓緩沖器(A3)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路以及快速恢復(fù)電路。除了放大心電信號(hào)，AD8232同時(shí)具有通過(guò)間接電流反饋架構(gòu)來(lái)抑制電極半電池電位的功能。AD8232的各部分放大器及電路原理如圖3所示。

圖3 AD8232的原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 Arduino的設(shè)計(jì)及工作原理

Arduino UNO開(kāi)發(fā)板是一款內(nèi)置有ATmega328p微控制器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。ATmega328是一款基于Atmel 8字節(jié)AVR RISC的高性能、低功耗的微控制器。Arduino UNO具有14個(gè)數(shù)字輸入、輸出引腳、6個(gè)模擬輸入引腳、一個(gè)16 MHz的陶瓷諧振器、一個(gè)USB接口、一個(gè)電源、一個(gè)在線串行編程和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino可以通過(guò)向開(kāi)發(fā)板上的微控制器發(fā)送計(jì)算機(jī)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)命令。Arduino開(kāi)發(fā)套件包括Arduino Uno開(kāi)發(fā)板和基于C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)控制開(kāi)發(fā)板的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE。整個(gè)Arduino硬件開(kāi)發(fā)電路板的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖4所示。

1.3 硬件部分的整體設(shè)計(jì)

硬件部分總共由一塊心電測(cè)量模擬前端AD8232、Arduino UNO開(kāi)發(fā)板、心電測(cè)量導(dǎo)聯(lián)線(如圖5(a)所示)、心電電極片(如圖5(b)所示)、跳線、面包板和USB線組成。測(cè)量時(shí)，Arduino開(kāi)發(fā)板的3.3 V和GND接口分別和AD8232的VCC和GND引腳相連，并且將AD8232的OUTPUT和Arduino開(kāi)發(fā)板的模擬輸入端(A0～A5)相連，用于采集AD8232模塊測(cè)量到的心電信號(hào)。隨后將心電導(dǎo)聯(lián)線的總插頭插入AD8232的插口，并將導(dǎo)聯(lián)線與電極片安裝在一起，根據(jù)想要測(cè)量的不同導(dǎo)聯(lián)將電極片粘貼在被試者身上。一切配置完成后，用USB線將Arduino開(kāi)發(fā)板接入計(jì)算機(jī)，之后開(kāi)始上位機(jī)部分的操作。

圖5 心電測(cè)量導(dǎo)聯(lián)線和電極片

2 上位機(jī)部分的設(shè)計(jì)

2.1 Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)

2.1.1 Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境與下位機(jī)之間的通信

建立開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE和下位機(jī)Arduino開(kāi)發(fā)板之間的通訊需要在IDE的“工具”欄里的“開(kāi)發(fā)板”以及“端口”里選擇當(dāng)前通過(guò)USB連接至計(jì)算機(jī)的正確開(kāi)發(fā)板型號(hào)以及串行端口COM的編號(hào)。在檢驗(yàn)通訊是否架構(gòu)成功時(shí)，通常采用燒寫(xiě)檢驗(yàn)程序至開(kāi)發(fā)板的方式來(lái)檢查開(kāi)發(fā)板是否有相應(yīng)的回應(yīng)，從而判斷上、下位機(jī)是否可以正常通信。在使用開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE將程序燒寫(xiě)至開(kāi)發(fā)板的過(guò)程中，RX指示燈會(huì)變紅一段時(shí)間，燒寫(xiě)成功后RX指示燈會(huì)開(kāi)始閃爍。若無(wú)以上現(xiàn)象，則表明燒寫(xiě)失敗，而開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE也會(huì)出現(xiàn)程序燒寫(xiě)失敗的指示。

2.1.2 Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集

利用Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，編寫(xiě)出讀取模擬輸入口的信號(hào)的程序，可由IDE自帶的串口監(jiān)視器和串口繪圖器分別讀取和顯示出心電信號(hào)的電壓幅值和心電圖曲線。其中，Arduino讀取串口模擬信號(hào)的代碼如下：

/*

AnalogReadSerial

Reads an analog input on pin 0, prints the result to the serial monitor.

Graphical representation is available using serial plotter (Tools > Serial Plotter menu)

Attach the center pin of a potentiometer to pin A0, and the outside pins to +5V and ground.

This example code is in the public domain.

*/

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

// initialize serial communication at 9600 bits per second:

Serial.begin(9600);

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

// read the input on analog pin 0:

int sensorValue = analogRead(A0);

// print out the value you read:

Serial.println(sensorValue);

delay(1); // delay in between reads for stability

}

燒寫(xiě)以上程序至Arduino開(kāi)發(fā)板后，可以在串口繪圖器里觀測(cè)到開(kāi)發(fā)板模擬端A0接收到的心電模擬信號(hào)。在串口監(jiān)視器里可以觀測(cè)到具體的心電信號(hào)電壓幅值。但開(kāi)發(fā)環(huán)境很難對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的處理和分析，此時(shí)需要運(yùn)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW來(lái)完成對(duì)于心電信號(hào)完整的采集、處理和分析程序的編寫(xiě)。

2.1.3 Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境下的心電采集效果評(píng)價(jià)

如圖6(a)和(b)所示，分別是在外部供電設(shè)備較多和外部供電設(shè)備較少的環(huán)境下利用AD8232所得的心電數(shù)據(jù)。從中可以清楚地看出，當(dāng)外部工頻干擾過(guò)于密集時(shí)，僅僅利用AD8232內(nèi)部的濾波電路對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。同時(shí)，用戶在使用心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)所處的環(huán)境各式各樣，因而必須要求設(shè)備具備優(yōu)秀的濾波去噪能力，才能使得無(wú)論在什么樣的環(huán)境下使用，系統(tǒng)都能夠?qū)⑶逦男碾娦盘?hào)呈現(xiàn)出來(lái)。且Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境只能通過(guò)串口繪圖器觀察模擬信號(hào)波形，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜處理，故要使用的功能更為強(qiáng)大的上位機(jī)軟件(如LabVIEW等)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的軟件濾波去噪或是其他處理。

圖6 Arduino IDE下測(cè)得的心電波形

2.2 LabVIEW實(shí)現(xiàn)與Arduino通信和控制的方法

LabVIEW實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備建立通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方式包括：1)基于VISA函數(shù)庫(kù)及驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)軟硬件通訊、控制的數(shù)據(jù)采集；2)基于NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集；3)基于LabVIEW專門(mén)針對(duì)不同硬件開(kāi)發(fā)的接口的采集方式，例如專門(mén)實(shí)現(xiàn)LabVIEW和Arduino通訊和控制的LabVIEW Interface for Arduino、LabVIEW Interface for Arduino Toolkit(LIAT)工具包，以及LVH開(kāi)發(fā)的LabVIEW Hacker LINX Toolkit(LINX)等。本系統(tǒng)采用LabVIEW Interface for Arduino(LIFA)在上位機(jī)LabVIEW和下位機(jī)部分(包括Arduino開(kāi)發(fā)板和AD8232)之間建立通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 基于LabVIEW的心電信號(hào)采集、處理和HRV分析的程序設(shè)計(jì)

2.3.1 上位機(jī)軟件運(yùn)用的心電數(shù)據(jù)處理及分析方法概述

2.3.1.1 去噪及濾波方法

前文中已有提及，AD8232在工頻干擾極小的理想環(huán)境下測(cè)得的心電信號(hào)已經(jīng)具有相當(dāng)高的信噪比，也很少存在基線漂移。而在電子器件、電線等比較密集的外部環(huán)境中，由于缺乏外部干擾屏蔽包裝等一系列原因，測(cè)得的心電圖會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲干擾等狀況，故在AD8232設(shè)計(jì)便攜式的實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，必須考慮到用戶使用心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)所在不同環(huán)境下的狀況，從而必須設(shè)計(jì)軟件濾波去噪系統(tǒng)，使得檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)在任何環(huán)境下都具有較高的信噪比，方便觀察及分析。本系統(tǒng)中上位機(jī)軟件LabVIEW所用到的一些濾波去噪方法如下：

1)小波去噪(Wavelet Denoise)。不同于傅里葉分析，小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)都有良好的局部化特性[5]，故小波分析能夠有效地檢測(cè)出信號(hào)很小的波動(dòng)或奇變[6]。小波變換的原理實(shí)際上是對(duì)函數(shù)的分解。由于具有帶通的功能，所以小波變換可以將原信號(hào)分解成互不重疊的不同頻率的信號(hào)，分解之后的頻率區(qū)間包含了原函數(shù)的所有頻率區(qū)間。由于信號(hào)中的有用部分與噪聲具有不同的時(shí)頻特性，例如有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻信號(hào)或是一些比較平穩(wěn)的信號(hào)，而噪聲信號(hào)則主要集中在高頻層。因此，通過(guò)選取合理的閾值可以有效去掉噪聲信號(hào)[7]。

在LabVIEW中，需要使用高級(jí)信號(hào)處理工具包添加小波去噪(Wavelet Denoise)處理模塊，從而過(guò)濾原始心電信號(hào)中的噪聲。模塊的具體配置如圖7所示，其中使用DWT(離散小波變換)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行去噪。

圖7 小波去噪(Wavelet Denoise)的配置

2)FIR加窗濾波。本系統(tǒng)采用了LabVIEW中的窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的模塊對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并和小波去噪處理后的心電信號(hào)進(jìn)行對(duì)照，選擇最佳信號(hào)后進(jìn)行后續(xù)分析。FIR濾波器設(shè)計(jì)的主要是選擇有限長(zhǎng)度的h(n)，使傳輸函數(shù)滿足一定的幅度特性和線性相位要求[8]。由于FIR濾波器能夠較容易實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位，故其設(shè)計(jì)的核心思想是求出有限的脈沖響應(yīng)來(lái)逼近給定的頻率響應(yīng)[9]。FIR濾波的窗函數(shù)分為以下幾種：矩形窗、Hanning窗、高斯窗、Blackman Nuttall窗、Kaiser窗等。本文中對(duì)于FIR濾波器的具體設(shè)置如圖所示。其中高截止頻率fh和低截止頻率fl的值必須符合下列條件：0

圖8 FIR加窗濾波器的設(shè)置

3)多分辨率分析進(jìn)行消噪和信號(hào)重建。在進(jìn)行HRV心率變異性分析時(shí)，需要從心電信號(hào)中提取包括QRS波形以及RR間期等特征。在心電信號(hào)中檢測(cè)QRS波群和R波峰，可以提供關(guān)于RMSSD、心率均值(HR mean)以及RR間期(RR Interval)等信息。然而噪聲和隨時(shí)間變化的心電波形形態(tài)為HRV分析帶來(lái)了諸多不便。本文中使用LabVIEW高級(jí)信號(hào)處理工具包ASPT中的Multiscale Peak Detection函數(shù)檢測(cè)QRS波形。在進(jìn)行R波檢測(cè)前，可以使用多分辨率分析模塊(Multiresolution Analysis Express)將原始心電信號(hào)分解為8級(jí)的Haar小波，然后使用D1至D7子帶進(jìn)行信號(hào)重建，提取出QRS波形細(xì)節(jié)，使得HRV分析更為精確可靠。多分辨率分析模塊(Multiresolution Analysis Express)的具體配置如圖9所示。

圖9 多分辨率分析的設(shè)置

2.3.1.2 心電信號(hào)分析方法

1)功率譜分析。功率譜定義為單位頻域范圍里的信號(hào)功率。它表示了信號(hào)功率在信號(hào)不同頻率成分內(nèi)的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。對(duì)于心電信號(hào)而言，一般較多使用常見(jiàn)的時(shí)域波形圖進(jìn)行分析。然而，基于頻域分析的功率譜包含有很多較時(shí)域波形而言更為豐富且復(fù)雜的信息，對(duì)于分析一些疾病的心電特征以及病理有著很大幫助。此外，在對(duì)原始信號(hào)去噪之前運(yùn)用功率譜對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析可以清楚地分析出噪聲信號(hào)的頻率，從而在之后的去噪和濾波設(shè)計(jì)中將位于該頻段內(nèi)的噪聲信號(hào)去除。

2)頻域分析。不同于在時(shí)間軸上反映信號(hào)幅度變化的時(shí)域分析，頻域分析是反映原有信號(hào)不同頻率成分的各自的幅度變化情況。頻域心電圖相較于時(shí)域心電圖，敏感性更高，有時(shí)更能體現(xiàn)出時(shí)域分析所無(wú)法展現(xiàn)的心電波形特征，在臨床診斷上一直被廣泛使用。在LabVIEW中，需要使用快速傅里葉變換(FFT)子VI將原始的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于信號(hào)輸出值為幅值之和，因此需要用FFT變換后的值除以獲取波形成分VI提取出的數(shù)組大小，從而需求出均值，再使用“復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換VI”將復(fù)數(shù)分離出幅值。

3)心率變異性分析(HRV分析)。心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)是指相鄰RR間期(心搏間期)之間的微小變異。由于竇房結(jié)的自律活動(dòng)通過(guò)交感、迷走神經(jīng)，神經(jīng)中樞和呼吸活動(dòng)等因素的調(diào)節(jié)作用，使得心臟在相鄰的心搏間期存在幾十毫秒的差異，從而導(dǎo)致了心率變異現(xiàn)象的出現(xiàn)。由于HRV信號(hào)中包含有關(guān)心血管調(diào)節(jié)的重要信息，因而對(duì)心率變異進(jìn)行分析不僅可以間接地定量評(píng)價(jià)心肌交感、迷走神經(jīng)緊張性和均衡性，還能評(píng)價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)情況。目前針對(duì)HRV的分析方法已經(jīng)有很多種。其中大致分為線性分析法和非線性分析法。其中,線性分析法又可分為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法(時(shí)域分析法)、譜分析法(頻域及功率譜分析法)和傳遞函數(shù)分析法等;非線性分析法又可分為Poincare(龐加萊)映射圖法、分?jǐn)?shù)維法和復(fù)雜度分析法等[10]。

進(jìn)行HRV分析，則必須要準(zhǔn)確檢測(cè)出心電信號(hào)中的QRS波群。目前醫(yī)學(xué)界已經(jīng)研究出不少Q(mào)RS波檢測(cè)方法，然而每一種方法均有其不足之處。其中，心電信號(hào)的復(fù)雜性、干擾的存在以及患者生理參數(shù)的不穩(wěn)定性，都會(huì)讓QRS波群的精確檢測(cè)面臨較大的困難。本系統(tǒng)利用了小波去噪和多分辨率分析法對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行去噪和信號(hào)重建，使得QRS波形能夠更為精確地被檢測(cè)出來(lái)，從而提高了基于LabVIEW的HRV分析的可靠性。2.3.2 利用LIFA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和HRV分析的程序設(shè)計(jì)

2.3.2.1 程序流程圖設(shè)計(jì)

利用LIFA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和HRV分析的程序的流程圖設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 LIFA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和HRV分析的程序的流程圖

2.3.2.2 程序具體模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

在初始程序Init中選定與所使用的下位機(jī)開(kāi)發(fā)板連接至計(jì)算機(jī)相同的的串口型號(hào)、設(shè)定好波特率(Baud Rate)和開(kāi)發(fā)板型號(hào)后，上、下位機(jī)通信搭建完畢。之后設(shè)定采樣率和采樣數(shù)(分別為600 Hz及200個(gè))和pin(管腳)編號(hào)。如果AD8232模塊的output和Arduino開(kāi)發(fā)板上的模擬端0號(hào)相連接，則pin應(yīng)設(shè)置為0。前期設(shè)置工作完畢后，上位機(jī)LabVIEW開(kāi)始采集心電信號(hào)。

由于采集過(guò)程中存在一定的工頻信號(hào)、肌電信號(hào)、基線漂移等干擾，需要運(yùn)用LabVIEW的去噪、數(shù)字濾波模塊進(jìn)行過(guò)濾處理，從而得到正確的心電圖。針對(duì)得到的實(shí)時(shí)心電信號(hào)，運(yùn)用LabVIEW的生物醫(yī)學(xué)工具包(Biomedical Toolkit)以及高級(jí)信號(hào)處理工具包(Advanced Signal Processing Toolkit)進(jìn)行心率變異分析(HRV, Heart Rate Variability)。

此外，為防止導(dǎo)聯(lián)脫落，將AD8232模塊引腳LOD-以及LOD+分別連接至Arduino開(kāi)發(fā)板的數(shù)字輸入引腳。同時(shí)，上位機(jī)LabVIEW運(yùn)用數(shù)字信號(hào)讀取VI分別檢測(cè)LOD-以及LOD+的電平狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)聯(lián)脫落時(shí)，輸出高電平；反之，輸出低電平。

一個(gè)完整的基于LIFA進(jìn)行心電信號(hào)采集、處理及分析的程序流程如圖11所示。

圖11 心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集、處理及分析的程序框圖

其中，在條件判斷時(shí)間框中設(shè)置一個(gè)HRV分析子VI，當(dāng)“開(kāi)始HRV分析”的布爾按鈕為“真”(即按鈕按下)時(shí)，開(kāi)始HRV分析。HRV分析部分的子VI的具體設(shè)置如圖12所示。經(jīng)小波去噪和多分辨率分析后的信號(hào)由Multiscale Peak Detection.vi進(jìn)行峰值檢測(cè)。由于該vi的位置(Location)輸出端輸出的是每個(gè)波峰(R波)的相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，若要得到RR間期的時(shí)間長(zhǎng)度，則還需要讓第i+1個(gè)R波的對(duì)應(yīng)時(shí)間值減去第i個(gè)R波的對(duì)應(yīng)時(shí)間值，從而求出RR間期。使用一個(gè)for循環(huán)結(jié)構(gòu)可以解決這個(gè)問(wèn)題，其中，循環(huán)次數(shù)設(shè)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)(Location)數(shù)組大小減去1后的值，并利用計(jì)數(shù)接線端i來(lái)對(duì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)(Location)數(shù)組進(jìn)行前后索引，實(shí)現(xiàn)第i+1個(gè)時(shí)間值減去第i個(gè)時(shí)間值的功能，從而求出RR間期。之后再使用Biomedical Toolkit中的HRV Histogram.vi和HRV Statistics.vi便可分析得出RR峰值圖(Peak Plot)、RR間期直方圖(RR Interval Histogram)和HRV統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)(HRV Statistics Measurements)。

圖12 HRV分析子VI的程序框圖

3 心電信號(hào)的分析結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)定好的程序，選取被試一名，在外部工頻干擾較大的環(huán)境下進(jìn)行心電測(cè)量(采樣數(shù)200個(gè)，采樣頻率600 Hz)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行功率譜分析、頻域分析以及HRV分析。詳細(xì)的分析結(jié)果如下。

3.1 FIR加窗濾波和小波去噪前后的心電信號(hào)對(duì)比分析

如圖13所示，分別是采集到的原始心電信號(hào)、經(jīng)FIR加窗濾波后的信號(hào)和經(jīng)小波去噪后的信號(hào)(橫軸為時(shí)間(s)和樣本數(shù)N(個(gè))、縱軸為幅值(mV))。經(jīng)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)FIR濾波后的信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)有了大幅提升，但是還是略微帶有一點(diǎn)噪聲和基線漂移。而經(jīng)過(guò)小波去噪后的心電信號(hào)幾乎沒(méi)有任何噪聲，且基線平穩(wěn)。

此外，LabVIEW中的FIR加窗濾波器VI(如圖13所示)濾波后的輸出信號(hào)不再帶有對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列信息，故在圖(b)中，橫坐標(biāo)的值是采集樣本數(shù)而非時(shí)間序列。前文已提及，本次實(shí)驗(yàn)每次采樣數(shù)為200個(gè)，采樣頻率為600 Hz，即每次顯示的心電圖都是3 s以內(nèi)的心電波形，因而可以在波形圖屬性里將橫坐標(biāo)的大小設(shè)置為0～3 s，從而將心電幅值和對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)匹配起來(lái)。以上只是在心電圖面板上顯示出時(shí)間的方法，若想使得經(jīng)“FIR加窗濾波器VI”輸出的信號(hào)重新帶有原來(lái)的時(shí)間序列，可以利用LabVIEW里的“創(chuàng)建波形VI”，將“FIR加窗濾波器VI”輸出的幅值接至該“創(chuàng)建波形VI”的Y輸入端，t0選擇輸入為0，dt設(shè)置為3 s/200=0.015 s(即每?jī)蓚€(gè)采集到的幅值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.015 s)，就可以在該VI輸出端重新得到經(jīng)過(guò)FIR濾波的、帶有原始時(shí)間序列的心電信號(hào)。

3.2 心電信號(hào)功率譜分析

除了能夠很好地反映出很多病理特征之外，功率譜在對(duì)原始信號(hào)去噪之前運(yùn)用功率譜對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析可以清楚地分析出噪聲信號(hào)所在的頻域及其功率大小，從而在之后的去噪和濾波設(shè)計(jì)中將位于該頻段內(nèi)的噪聲信號(hào)去除。圖14(a)和(b)是在使用小波去噪前后的心電信號(hào)功率譜圖(橫軸為頻率(Hz)、縱軸為功率(s2/Hz))，從中可以很清楚地看到，去噪前的信號(hào)中夾雜有功率較大的頻率約為50 Hz左右的工頻干擾。對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波去噪后，再次觀察心電信號(hào)功率譜圖，發(fā)現(xiàn)50 Hz頻率附近已無(wú)功率較大的信號(hào)(波形未凸起)。這不僅說(shuō)明了使用小波去噪法是對(duì)夾雜有工頻干擾的心電信號(hào)有效的過(guò)濾方法，而且體現(xiàn)出功率譜在分析噪聲頻率及功率大小時(shí)無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

圖14 小波去噪前后心電功率譜

3.3 心電信號(hào)的頻域分析

圖15是對(duì)時(shí)域心電信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)后得到的心電頻域波形(橫軸為頻率(Hz)、縱軸為幅值(mV))。頻域心電圖能夠反映心電信號(hào)在頻率-幅度范圍內(nèi)的變化情況，能夠提供很多時(shí)域心電圖無(wú)法提供的生理信息。人體心電信號(hào)頻率主要由0.5 Hz至100 Hz的頻段組成，其中大多數(shù)信號(hào)集中在低頻段。如圖所示，被試的心電信號(hào)頻域范圍主要集中在40 Hz以下頻段。

圖15 頻域心電圖

3.4 HRV的分析結(jié)果

如圖所示是針對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)于被試心電信號(hào)的實(shí)時(shí)HRV分析結(jié)果。從圖16可以看出NN50(兩個(gè)臨近的RR間隔之差超過(guò)50 ms的對(duì)數(shù))為0、PNN50(NN50對(duì)數(shù)占所有RR間隔數(shù)的比值)也為0、RMSSD(相鄰RR間隔之差的均方根值，單位：毫秒ms)為21.21、HR std(心率的標(biāo)準(zhǔn)差，單位：跳/分鐘bpm)為2.823、HR(心率)為每分鐘92.37下，符合正常人心率60—100下/分鐘的范圍、RR std(RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差，單位：秒s)為0.02041 s，RR min(RR間期時(shí)間，單位：秒s)為0.65 s。

其中，從峰值圖(Peak Plot)中看出峰值檢測(cè)VI(Multiscale Peak Dectection.vi)已經(jīng)自動(dòng)在心電圖的R波峰值處用紅叉標(biāo)記，方便觀測(cè)具體的各個(gè)R波對(duì)應(yīng)時(shí)間及其幅度。

圖16 HRV統(tǒng)計(jì)性參數(shù)和峰值圖

同時(shí)利用HRV直方圖VI(HRV Histogram.vi)可以繪制出不同時(shí)間長(zhǎng)度的RR間隔的點(diǎn)數(shù)。從而可以清晰地反映出不同時(shí)間長(zhǎng)度的RR間隔的分布情況。

圖17 RR間期直方圖

4 總結(jié)

本文所開(kāi)發(fā)的心電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)間的通信，心電信號(hào)采集靈敏、準(zhǔn)確。通過(guò)利用LabVIEW進(jìn)行軟件濾波及去噪，很好地解決了AD8232硬件濾波電路性能不理想的問(wèn)題。此外，系統(tǒng)包含一套針對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和心率變異性(HRV)分析的程序，能夠?qū)π碾娦盘?hào)進(jìn)行頻域分析、功率譜分析、R波識(shí)別、峰值圖繪制、RR間期直方圖繪制和心率變異性參數(shù)計(jì)算等。該程序分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，有利于輔助臨床對(duì)于各式心臟疾病的診斷。

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Development of a Real-time ECG Monitoring and Analysis System Based on AD8232

Chen Jiaxu, Zhou Ying

(School of Medical Instrument and Food Engineering，Shanghai of University Science and Technology，Shanghai 200093,China)

This paper presents a low-cost, precise and reliable real-time ECG monitoring and analysis system for the real-time ECG signals acquisition to realize the prediction and diagnosis of heart diseases. This system is designed by using a signal disposal module AD8232, an Arduino UNO board based on ATmega328p microcontroller and the PC software LabVIEW. The windowed FIR filter and wavelet denoise module are designed for the preprocess of the extracted signals. Since time and frequency characteristics of the ECG signals can provide information on the dynamic behavior of the patient's heart activity, a variety of programs used for ECG signal analysis are designed, such as the Spectrum Analysis and Heart Rate Variability (HRV) analysis. The developed system is able to conduct real-time analysis on the measured ECG signals. The physiological characteristics contained in the ECG signals of patients can be measured accurately and the interference signals can be filtered very well. This system can also perform various kinds of analysis and the analysis results are reliable enough to be used in the clinical diagnosis. Being able to measure and analyze signals accurately and filter the noise well, this ECG real-time measuring and analysis system is of great values for the future development of ECG monitors.

ECG signals; real-time monitoring; real-time analysis; software filter

2016-08-14；

2016-09-19。

上海理工大學(xué)2016年度教師教育發(fā)展研究項(xiàng)目(CFTD16034Y，CFTD16037Y)；2015、2016年度“精品本科”教學(xué)改革項(xiàng)目；2016年度上海理工大學(xué)研究生《生物力學(xué)》翻轉(zhuǎn)課程項(xiàng)目。

陳嘉緒(1994-)，男，甘肅蘭州人，大學(xué)，主要從事醫(yī)療器械工程方向的研究。

1671-4598(2017)02-0026-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.007

TH776

A