基于遠端平臺的便攜式心電診斷系統設計與實現

隨著人們生活水平的提高、生活節奏的加快，心血管疾病的發病率迅速上升，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，具有診斷可靠，方法簡便，對病人無損害的優點，在現代醫學中，變得越來越重要。常規心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動，歷時僅為幾s~1 m，只能獲取少量有關心臟狀態的信息，所以在有限時間內即使發生心率失常，被發現的概率也是很低的。因此有必要通過相應的監護裝置對患者進行長時間的實時監護，記錄患者的心電數據。又由于心臟病的發生具有突發性的特點，患者不可能長時間地靜臥在醫院，但又需實時得到醫護人員的監護，所以研發相應的便攜式心電監護產品就顯得更加重要。本文提出了一種基于遠端診斷平臺的心電診斷系統，由此來實現便攜易用、實時監測以及降低診斷成本等功能。

1遠端診斷模式的實現

提出遠端診斷模式主要是基于兩個原因：一是便攜性，傳統心電檢測設備由于其局限性難以實現隨身攜帶，病人需要檢測時只能到特定地點，不僅無法實現實時性，而且增加了醫療成本；二是易用性，傳統設備對操作者有一定的專業要求，往往病人自己難以操作。提出遠端診斷模式，將系統分為用戶終端與遠程服務終端，用戶只需攜帶用戶終端設備，而且只需操作用戶終端，將專業性的操作隔離開留給遠程服務終端，從而實現其便攜性與易用性。

在遠端診斷模式中，用戶終端主要實現實時采集心電信號，將數據存儲轉發，控制GPRS通訊模塊發送到遠程服務終端；遠程服務終端主要承擔對數據的分析、處理，甚至可以與專家在線分析和實時診斷，最后將診斷結果返回用戶終端。

2系統設計方案

便攜式心電診斷系統主要由前端采集電路、用戶端主控模塊、兩個GPRS終端和遠端服務器幾部分組成，其基本結構框圖如圖1所示。

圖1中前端采集電路主要承擔心電信號采集的功能，采集的信號經初步的濾波及放大后送入用戶端主控模塊，主控MCU對心電信號數據進行A/D轉換和一些基本處理之后存儲在EEPROM中，等待用戶的命令指示。GPRS終端負責數據的發送與接收。遠端服務器接收到用戶發送過來的數據之后進行詳盡的處理，得到診斷結果后將結果發送回用戶終端。

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、前置差動放大電路、高通濾波電路、主放大電路、右腿驅動電路、過壓保護電路和電源模塊組成。如圖2所示。

將兩個電極置于人體表面上不同的兩點，通過導線與心電圖機相連，就可以描出一種心電圖波形。描記心電圖時的電極安放位置及導線與放大器的聯接方式稱為心電圖導聯。設計中采用的是標準雙極導聯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）接放大器負輸人端，同時，右下肢（RF）應直接接浮。在本系統中，右下肢接右腳電極驅動器的輸出端，間接接地。

在此電路中，設計了一個用于防止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，因為電阻器R1、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的串聯組合并聯。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、熱噪聲和儀器產生的噪聲等多種干擾信號，對后續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，同時為了抑制信號的基線漂移，還要有足夠小的溫度漂移。設計中采用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、存儲轉發、LCD顯示及用戶交互等功能。用戶端系統的工作流程如圖6所示。

2.3 GPRS無線發送模塊

GPRS無線收發模塊采用了集成TCP/IP協議的SIM300.SIM300是一個三頻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SIM300提供兩種時隙供選擇，并支持CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四種GPRS編碼方案。

在整體方案中，心電信號數據通過主控模塊的初步處理之后打包，通過串口送到GPRS發送模塊，傳送到GPRS接收端之后交由上位機處理。整個流程如圖7所示。

在設計SIM300外圍接口電路時，采用MAX809自動控制通信模塊的復位，可以在上電和VBAT下降到3.3 V時產生復位信號。而由于在實際應用中GPRS數據傳送是偶發性事件，所以SIM300模塊的RESET和ON/OFF交由主控制器控制，通過程序來實現模塊的開關機，達到降低功耗的效果。總體設計如圖8所示。

2.4基于小波變換的心電信號消噪

信號經過前端采集與主控模塊進行初步處理之后，發送到服務器端。服務器端運行上位機系統，對接收到的用戶數據進行后處理，經過進一步消噪與匹配之后得到診斷結果，同時提供專家診斷平臺接口。而后處理中主要是利用小波變換來實現消噪，因此為了更好地實現算法的嵌入，采用了MATLAB的GUI來編寫上位機程序。

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象。Ahlstrom等用低通濾波器法進行心電信號消噪，但低通僅濾除了高頻信息，對心電信號消噪的效果不理想，必須經過進一步處理才能應用于診斷。本系統采用小波變換對信號進行消噪。

小波變換具有時頻局部化特性，因此，小波變換可在時間軸上準確定位信號的突變點，同時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。為解決這個問題，本文引入奇異值分解消噪法與小波閾值消噪相結合，利用矩陣奇異值正交分解和小波閾值消噪特點，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，因為區域噪聲分布特征不同，規則的選擇相互矛盾，所以在處理信號時先將非均勻噪聲分布信號經過奇異值分解，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行降噪后的結果。

圖10（a）是原始的心電信號，圖10（b）是去零點漂移后的波形。可以看出，去零點漂移后波形趨于平穩。圖10（c）是經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端診斷平臺的便攜式心電診斷系統，設計了前端采集部分、主控模塊、GPRS模塊；編寫了服務器端的上位機軟件并采用基于小波變換的算法對心電信號實現了降噪處理，預留了接口，方便新檢測方法的更新；測試結果表明該系統具有簡單易用、診斷成本低、能夠實時監測等特點。

參考文獻：

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