李幸娟 宋 莉

心血管疾病是威脅人類生命的最主要疾病之一,而心電信號(electrocardiogram，ECG)是診斷心血管疾病的主要依據(jù), 因此迫切需要能實時監(jiān)測患者心電活動、自動檢測心律失常的心電信號自動分析系統(tǒng)。目前，已經(jīng)存在的心電信號自動分析系統(tǒng)主要有下述類型：①在Matlab環(huán)境中進行生物醫(yī)學信號采集與處理分析，Matlab語法簡單，圖形顯示功能豐富，工具箱擴展能力強；②基于單片機Atmega8的心電信號檢測與處理，其運行速度較快，價格低；③利用PC機進行心電信號自動分析，運用計算機分析信號，降低了操作者的時間，但其體積過大，不方便進行實時監(jiān)測；④基于Labview進行的心電信號采集和自動分析運用軟件采集分析心電信號，符合現(xiàn)代儀器發(fā)展的方向。

本研究設計的基于無線局域網(wǎng)(wireless local area networks，WLAN)技術(shù)的心電監(jiān)護網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計是利用Labview軟件處理心電信號，采用藍牙傳輸監(jiān)視圖像，可用于對心臟患者實時監(jiān)控，能夠自動采集ECG信號以及患者圖片，并進行簡單的ECG信號分析，利用藍牙將圖像和分析結(jié)果傳送到醫(yī)院，醫(yī)生可以進行遠程的救助。

WLAN系統(tǒng)采用基于嵌入式Linux無線網(wǎng)絡監(jiān)控，用來監(jiān)控患者和周圍環(huán)境[1]。主體設計采用NI公司出品的DAQ采集卡和基于Labview的心電信號采集與處理，DAQ數(shù)據(jù)采集卡可以高速準確地采集信號，在Labview環(huán)境中，可以對采集到的信號進行各種數(shù)字信號處理和分析。WLAN具有靈活性和移動性，便于患者安裝使用，并且易于定位，適用于各種場合[2-5]。

1 WLAN系統(tǒng)硬件設計

基于WLAN的心電監(jiān)護網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本框架圖如圖1所示。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)將患者信息傳送到醫(yī)院，并將醫(yī)生診斷結(jié)果及診斷方法反饋到現(xiàn)場的功能。

圖1 基于WLAN的心電監(jiān)護網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本框架圖

1.1 WLAN監(jiān)視系統(tǒng)硬件整體設計

(1)監(jiān)控終端：監(jiān)控前端是Linux嵌入式系統(tǒng)，它能夠采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，并采用H.264標準壓縮封裝成RTP包，然后發(fā)送至CDMA模塊，利用WLAN發(fā)送到監(jiān)控中心。

(2)監(jiān)控中心服務器：監(jiān)控終端采用Windows操作系統(tǒng)的PC機，監(jiān)控終端軟件采用Visual C++進行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)接收H.264解碼嵌入式監(jiān)控終端發(fā)送過來的監(jiān)控數(shù)據(jù)的功能，并將得到的圖像保存并傳送到客戶端主機。

(3)客戶端主機：建立與監(jiān)控中心服務器的鏈接，向監(jiān)控中心主機發(fā)送控制命令，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控、控制、錄像和報警等功能(如圖2所示)。

圖2 無線網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 心電信號采集硬件部分

心電信號通常只有0.05～5 mV，頻譜范圍為0.05～100 Hz，且是處于動態(tài)變化中的微弱信號，易受外界干擾，具有不確定性和隨機性。因此，要求硬件部分要具備信號放大、濾除干擾以及高通和低通濾波的特點。

心電信號的硬件部分包括電極、心電圖機、NIELVS(虛擬儀器技術(shù)教學和實驗室套件)、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。在使用標準的5導聯(lián)方式下，心電圖機采集到人體心電信號，然后進行一系列的預處理，包括放大信號和濾除干擾，然后把信號送入數(shù)據(jù)采集卡以供計算機進行下一步處理[2]。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 WLAN監(jiān)視系統(tǒng)軟件設計

終端軟件的核心是Linux操作系統(tǒng)，主要包括3層模塊：①最底端模塊是BootLoader服務程序與基本外設驅(qū)動；②第2層模塊是攝像頭模塊和碼分多址(code division multiple access，CDMA)模塊的驅(qū)動程序；③第3層模塊是系統(tǒng)的應用程序。

Linux內(nèi)核的模塊化設計可實現(xiàn)多模塊獨立加載或卸載。本系統(tǒng)模塊需有串口驅(qū)動、SAA7114視頻解碼芯片驅(qū)動、撥號網(wǎng)絡應用以及支持PPP和TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，其他則可卸載。CDMA撥號通過運行PPP程序進行。應用程序用來監(jiān)聽客戶端的命令，收到命令后調(diào)用攝像頭采集圖像，再使用CDMA模塊來發(fā)送圖形數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端在運行過程中與中心服務器保持TCP連接，中心服務器可以隨時主動的請求圖像數(shù)據(jù)[6]。視頻終端軟件流程圖如圖3所示。

圖3 WLAN監(jiān)控視頻終端軟件設計圖

2.2 心電信號軟件處理設計

正常的典型心動周期均由P波、QRS波及T波等特征波形間期所組成，且心電波形的形態(tài)、幅值及時間間隔都在一定時間范圍內(nèi)變化。由于不同受試者受到所在環(huán)境、運動狀態(tài)及自身病理等因素的影響，采集到的心電信號其波形形態(tài)通常復雜、多樣。因此，特征波形的準確檢測和定位是軟件處理的關(guān)鍵和基礎。

本研究采用基于Hilbert變換的QRS波群檢測方法[3,7]?；贖ilbert變換是奇函數(shù)，對信號進行Hilbert變換之后，原始信號的拐點對于其Hilbert變換信號與橫軸的過零點，原始信號在連續(xù)2個正和負的極值點之間過零點，則由其Hilbert變換信號的峰值點來表示。利用Hilbert變換這一性質(zhì)就可以檢測到R波位置。

首先對原始心電信號f(n）(n=1,2，......N)按照公式1進行一階差分運算：

y(n)=1/2[f(n+1)-f(n-1)] (1)

為了增強QRS波群能量，抑制機電噪聲和基線漂移的影響，設置通帶頻率為5～25 Hz，對經(jīng)過帶通濾波后的信號在進行一階差分，從而產(chǎn)生1個向上的極大值代表R波的上升沿和1個向下的極小值代表R波的下降沿，而R波的峰值位置對應于2個正向和負向極大值之間過零點的位置[8]。

小波變換等效濾波器的頻響特性和ECG信號的頻譜分析表明，ECG信號經(jīng)2次樣條小波多尺度分解后，其P波、T波能量將集中在尺度為24和25的小波子帶信號上。由于基線漂移、偽跡和肌電噪聲等在25尺度上較為嚴重，因此選擇在24尺度上檢測P波、T波。先檢測T波，T波在QRS波群后的1個時間窗口內(nèi)會在24尺度上產(chǎn)生1對模極大～極小值點，由于多數(shù)T波相對于其頂點近似對稱，因此T波頂點對應于24尺度上模極大值對之間的過零點，T波的起點對應于模極大值對的起點，T波終點對應于模極大值對的終點。

類似于T波、P波在QRS波群前的一對時間窗口內(nèi)同樣會在24尺度上產(chǎn)生1對模極大～極小值點。以R波波峰點為基準在其前一段時間窗口內(nèi)，在24尺度上找出相應的正極大值點和負極小值點，由這對模極值點之間的過零點以及模極大值對所對應的波形的起點和終點，進行相應的時移修正后則可以得到P波的頂點、起點和終點。P波、T波檢測時所用到的窗口，是根據(jù)檢測到的P波、T波特征點與R波峰值點的間距確定的。

利用Labview對DAQ數(shù)據(jù)采集卡進行配置[9-10]，設定信號濾波。為了使低通濾波器的截止頻率有更廣泛的選擇范圍，設置DAQ數(shù)據(jù)采樣的采樣頻率為30 kHz。在Labview中需要對DAQ采集的數(shù)據(jù)進行濾波，包括低通濾波和工頻濾波，最后在Labview中進行一定的數(shù)字濾波[11-12]。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，基于Labview的軟件心電采集系統(tǒng)能夠準確優(yōu)質(zhì)的采集心電信號，調(diào)整后的模擬信號調(diào)理電路，對濾波器的同頻帶進行重新設置，可減少肌電干擾和基線漂移，對采集到的信號進行調(diào)整，將雙極性輸入電壓經(jīng)過提升電路轉(zhuǎn)換成單極性，可濾除高頻干擾信號，防止交流信號采樣時的混疊效應[13-14]。DAQ卡高速采集數(shù)據(jù)，配合在高性能PC機上運行的Labview程序，使得系統(tǒng)可以進行更好的高速數(shù)字信號處理工作。同時，基于Labview圖形編程，系統(tǒng)具有極大的靈活性，可根據(jù)不同的需求調(diào)整信號處理策略，包括濾波器參數(shù)等[15]。因此，WLAN系統(tǒng)也是研究心電信號檢測新方法的理想實驗平臺。WLAN監(jiān)控可將患者現(xiàn)場的狀況反饋給醫(yī)生，有益于醫(yī)生進行指導。

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