人體心電R波快速識別算法研究

摘 要：心臟在搏動時，在人體的不同部位產生不同的電位，采用心電導聯線將這些信號送入放大器放大并記錄下來，就形成了心電圖，簡稱ECG。本文根據心電信號的特征，設計了一種基于R波對稱性的識別算法，準確快速定位R波。

關鍵詞：心電信號;對稱性;R波識別;濾波電路

【中國分類號】TP29;R318 【文獻標示碼】 B

引言：

基金項目：重慶市教育委員會科學技術研究計劃體外反搏裝置治療效果最優控制方法研究資助項目（KJQN201903201）。在識別R波識別和判斷方法上，一般有幅值法、頻率法、斜率法，在實際檢測中，發現這三中方法均存缺陷，出現了誤測、漏測現象，因此本文根據QRS的波形對稱性，設計一種斜率對稱判別法，識別和定位R波，通過大量實驗該方法大大減少了R波的誤測、漏測現象。

1 心電數據采集處理

該項目使用DSP芯片自帶的12位ADC轉換模塊完成心電數據的實時采集和處理。

TMS20F2812芯片內部自帶切換開關和采樣/保持器，電壓輸入大小為0～3V，該項目通過程控放大電路將心電信號的幅度限制在2.5V，心電信號為低頻信號，采樣率設為500Hz，采用EVB事件管理器的定時器來自動觸發數據采集，并把每次采集的數值右移4位。轉換結果=（4095）×（輸入信號值-ADCLO）/3。

ADC轉換按以下步驟進行，①初始化DSP，②設置PIE中斷矢量表，③初始化ADC模塊，④ ADC中斷的入口地址裝入中斷矢量表并開中斷，⑤啟動EVA事件1ms定時器，⑥等待ADC中斷，⑦ ADC中斷中讀取ADC轉換結果，⑧軟件啟動下一次中斷。

2 心電數據處理和斜率閾值計算

在檢測心電信號時存在各種干擾源，主要有電極極化電壓引起基線漂移，工頻干擾（50Hz），肌電干擾（幾百Hz以上），高頻干擾，在硬件電路設計時，已經設計了相應電路濾除干擾信號，仍然存在干擾信號，它將直接響應到R波定位結果和識別。該項目設計了軟件濾波程序，采用整系數數字帶通濾波器。整系數數字帶通濾波器是基于R波的頻率特性，根據整系數數字濾波器的設計原理而設計的帶通濾波器，其目的在于抑制R波之外的信號。

R波斜率閾值計算：在ECG數據濾波后，求斜率，分別求取上升支斜率和下降支斜率最大值，上升支斜率最大值：Rslope_up=max（slope（n）），下降支斜率最大值：Rslope_down=min（slope（n））。則取R波上升支斜率閾最大值的0.3倍作為R波上升段斜率閾值，同樣取下降段閾值，該閾值實時更新，算法流程如圖2所示。

3 R波標定算法

由于常用的基于差分的R波群檢測算法是通過求導運算來提取信號的斜率的，它利用R波高大、陡峭的特點，進一步突出了QRS波，特別是R波。對于干擾嚴重的信號，它產生誤判的原因在于肌電干擾以及躍變干擾同樣具有陡峭的跳沿，即具有斜率較大的特征。通過大量心電數據分析發現R波的陡峭是對稱的且持續時間在一定范圍，這跟干擾有本質的區別，根據這兩個特性，本文提出了如圖3所示的R波標定算法，該算法在計算心電數據斜率的基礎上，搜索R波上升段，上升段搜索后搜索下降段，最后判斷上升段和下降段的間隔是否在閾值范圍內，從而精確標定R波。

R波快速識別方法步驟：

S1：心電數據預處理，包括低通濾波、高通濾波、50HZ陷波和微分變換;

S2：預設R波上升斜率閾值Rslope_up、下降斜率閾值Rslope_down、下降支與上升支時間間隔閾值Tdown_up;

S3：使用差分法搜索R波上升段特征值，當搜索到連續2個斜率大于Rslope_up時標記R波上升支，記錄標記時刻Tr_up;

S4：使用差分法搜索R波下降段特征值，當搜索到連續2個負斜率小于Rslope_down時標記R波下降支，記錄標記時刻Tr_down;

S5：計算上升支與下降支時間間隔，當Tr_down - Tr_up在Tdown_up范圍內，則R波識別成功。

3.結束語

綜上所述，該項目設計了心電R波快速識別算法，該軟件算法可以應于心率計算及心律失常分析，具有廣泛的應用價值。

4.參考文獻：

[1] 林家瑞編著. 微機式醫學儀器設計.華中科技大學出版社.2004

[2] 李佳武、張景森、騰峰 定點DSP芯片TMS320F2812實現快速算法應用 國外電子元器件 2005年 3月

作者簡介：王政（1988-），男，漢族，重慶市人，助教，研究方向：嵌入式系統設計