（控制科学与工程专业论文）动态心电采集装置与运动伪迹抑制方法研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：了奄 导师签名：日期：z p f f 辱嘲j 月 的自觉症状不明显，病情发展异常迅速，患者如果在短时间内得不到及时抢救， 极易导致死亡。研制一套高性能的动态心电监护系统，对于心脏疾病预警和防 止s c d 的发生具非常重大的意义。 为提高动态心电监护系统的灵活性，增加患者的活动空间，为患者提高舒 适可靠的心电监护服务。本文用3 导联系统采集单通道的动态心电信号取代传 统的1 2 导联采集系统，用家用p c 机取代嵌入式设备作为心电数据接收和分析 的载体，用蓝牙无线传输方式取代有线传输。另外，为了解决动态心电信号中 的运动伪迹噪声干扰问题，运用自适应滤波算法和基于周期元分析的非线性滤 波算法对运动伪迹进行抑制。本文完成的具体工作包括以下3 个方面： ( 1 ) 完成动态心电信号的采集装置设计，包括三导联系统、动态心电信号 的放大电路、滤波电路和采集电路。根据心电信号的幅值和频率特性，以高输 入阻抗和高共模抑制比和增加系统的稳定性为目标，引入右腿驱动电路抑制工 频干扰，并设计o 1 1 0 0 h z 带通滤波电路；对高频和低频噪声进行抑制。以低 功耗m s p 4 3 0 单片机作为系统的主芯片，用单片机内置1 6 位a d 转换模块完 成对动态心电信号进行采集，用串口蓝牙模块完成对心电数据的实时传输。 ( 2 ) 完成加速度信号采集电路设计，在p c 机中运用自适应滤波算法对动 态心电信号中的运动伪迹进行抑制。用电容式三轴加速度传感器采集患者的加 速度信号，作为自适应滤波器的参考信号，运用最小均方自适应滤波算法对动 态心电信号中运动伪迹噪声进行抑制。 ( 3 ) 研究基于周期元分析方法的非线性滤波算法，用纯软件的方法实现运 动伪迹的抑制。根据心电特征信号成周期性的特点，将经验模态分解和周期元 分析方法结合起来组成非线性滤波算法，用经验模态分解方法实现对单通道的 动态心电信号进行分解，然后用周期元分析方法提取动态心电信号中的特定周 期信号成分，对其中的运动伪迹、基线漂移和工频干扰等噪声成分进行抑制。 关键词：动态心电，运动伪迹，自适应滤波器，经验模态分解，周期元分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei ss e r i o u st h r e a tt oh u m a nh e a l t ha n dl i f e s u d d e n c a r d i a cd e a t h ( s c d ) i st h es e c o n dc a u s et od e a t ha f t e rc a n c e r s c ds y m p t o mi sn o t o b v i o u sa n de a s i l yl e a d st od i ei fp a t i e n t sa r en o tr a p i d l yr e s c u e d i ti sv e r y s i g n i f i c a n tt od e v e l o pah i g h - p e r f o r m a n c ea m b u l a t o r ye c gm o n i t o rs y s t e mf o r p r e v e n t i n gs c d t h ea i mo ft h i ss t u d yi st oi m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo fa m b u l a t o r ye c gm o n i t o r s y s t e m s ，i n c r e a s et h ea c t i v i t ys p a c e ，a n ds u p p l yc o m f o r ts e r v i c e i nt h i st h e s i s ，3 - l e a d s y s t e mw a sd e s i g n e dt os a m p l es i n g l e - c h a n n e le c gs i g n a lr e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a l 12 - l e a da c q u i s i t i o ns y s t e m ，ac o m p u t e rw a su s e dt or e c e i v ea n da n a l y z ee c o d a t a , a n dt h ec a b l et r a n s m i s s i o nw a sr e p l a c e db yb l u e t o o t hw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i n a d d i t i o n ，l m sa d a p t i v ea l g o r i t h ma n dp e r i o d i cc o m p o n e n ta n a l y s i sa l g o r i t h mw e r e u s e dt os u p p r e s st h em o t i o na r t i f a c to ft h ea m b u l a t o r ye c gs i g n a l t h em a i n w o r ko f t h i st h e s i si s1 i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , a m b u l a t o r ye c gs i g n a ls a m p l i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h r e e l e a ds y s t e m ，a m p l i f i e rc i r c u i t ，f i l t e rc i r c u i ta n ds a m p l i n gc i r c u i t t oi n c r e a s et h e s y s t e ms t a b i l i t y , i m p r o v et h ei n p u ti m p e d a n c ea n dc o m m o nm o d er e j e c t i o nr a t i o ，t h e r i g h tl e gd r i v ec i r c u i tw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so fe c gs i g n a l ，o 1 lo o h zf i l t e rc i r c u i tw a sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h e l l i g hf r e q u e n c yn o i s e ，l o wf r e q u e n c yn o i s ea n dp o w e rl i n ei n t e r f e r e n c e 1 1 1 e l o w - p o w e rm s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e rw a su s e da st h em a i nc h i po ft h es y s t e m ，i t s b u i l t - i na dc o n v e r t e rm o d u l ew a sv e r yc o n v e n i e n tt oc o n v e r tt h ee c gs i g n a l ，a n d b l u e t o o t hi su s e dt ot r a n s m i te c gd a t a s e c o n d l y , am o v e m e n ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nc i r c u i tw a sd e s i g n e db a s e do n 3 - a x i a la c c e l e r a t i o nt os a m p l et h ep a t i e n t sm o v e m e n t s i g n a l ，n l em o v e m e n ts i g n a l w a su s e da st h er e f e r e n c es i g n a lo fl m sa d a p t i v ea l g o r i t h mf o rr e s t r a i n i n gm o t i o n a r t i f a c t t h i r d l y , an o n l i n e a ra l g o r i t h mw a sd e s i g n e db a s e do np e r i o d i cc o m p o n e n t a n a l y s i st os u p p r e s sm o t i o na r t i f a c tw i t hp u r es o f t w a r em e t h o d t h en o n l i n e a r l i i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及科学意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 心电信号基础5 1 4 常见的噪声干扰8 1 5 本文主要研究内容1 1 第2 章动态心电信号的采集与传输，1 3 2 1 动态心电信号的调理1 4 2 2 1 前置放大电路设计1 4 2 2 2 右腿驱动电路设计1 6 2 2 3 滤波电路设计17 2 2 4 末级放大电路设计1 9 2 2 基于单片机的心电信号采集2 0 2 3 动态心电信号的蓝牙传输2 3 2 4 低功耗的实现：2 4 2 5 本章小结2 6 第3 章基于加速度信号的运动伪迹抑制2 7 3 1 加速度信号采集2 7 3 2 自适应滤波器的设计。3 0 3 2 1 自适应噪声干扰抵消器3 0 3 2 2 最小均方自适应算法3 2 3 3 运动伪迹的抑制3 5 3 4 本章小结3 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章基于周期元分析的动态心电信号非线性滤波3 8 4 1 周期元分析3 8 4 1 1 奇异特征值分解。3 9 4 1 2 周期元分析的原理。3 9 4 2 基于周期元分析的特征信号提取4 0 4 3 单通道数据的经验模态分解4 2 4 4 非线性滤波算法的实现。4 5 4 5 本章小结4 8 第5 章全文总结与展望5 0 5 1 全文总结5 0 5 2 前景展望5l 参考文献5 2 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 5 作者在攻读硕士学位期间参加的项目5 5 致谢5 6 附录动态心电信号采集电路5 7 i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 景及科学意义 心血管疾病是全世界排名第一的致死和致残的病因，严重威胁人类健康和 生命。据统计，在英国每年有9 1 万人死于心脏病，我国的心血管疾病患者也 正在逐渐增加。心源性猝死( s u d d e nc a r d i a cd e a t h ，s c d ) 是心血管疾病中一 种，是仅次于恶性肿瘤的第二大死因【l 】。s c d 的自觉症状不明显，病情发展异 常迅速，患者如果在短时间内得不到及时抢救，极易导致死亡。恶性心律失常 是导致s c d 的直接原因，及早发现导致心律失常的致命因子能有效防止s c d 的发生。心电信号中的t 波交替是导致心律失常的致命因子之一，据研究表明， 即使很微弱的t 波交替都会给患者造成很大的危害【2 】。因此，对t 波交替的检 测及如何提高t 波交替的检测率已经成为热门话题。t 波信号比心电信号中的 其它特征信号更加微弱，t 波交替症状又不明显，且在短时间内的心电图中可 能并无异常，这样需要在医院中作长时间的观察诊断，从而给病人和医院都造 成不必要的麻烦。故研制一套专门的心电监护系统【3 】，对于临床治疗、疾病预 警和重症监护有非常重大的意义。 前课题项目设计出一套便携式心电监护系统。该便携式心电监护系统采用 1 2 导联系统，用单片机对心电数据进行采集，用以a r m 9 为核心的嵌入式设备 作为心电信号的显示与存储装置，然后将存储在a r m 9 系统中的心电数据通过 u s b 传输给p c 机后，用心电分析软件对心电数据进行t 波交替检测和分析。 研究中发现，t 波交替的检测只需要单通道的心电数据即可。针对这一特点， 本课题对项目所设计的1 2 导便携式心电监护仪进行改进，具体表现在以下3 个 方面。 ( 1 ) 将常规心电监护改为动态心电监护，摆脱进行心电监护时必须保持静 止状态的局限性。常规心电监护采集的是患者静态时的心电信号，为了不影响 心电数据的有效性，要求患者保持在静止状态。而长时间的心电监护会给患者 造成身体上的不适，且影响患者的日常生活。因此，将常规心电监护改为动态 心电监护，扩大患者的活动空间，可以进行正常的日常活动。研究表明，动态 武汉理工大学硕士学位论文 的心电信号数据更有利于心源性猝死因子的检测。 ( 2 ) 将1 2 导联心电采集系统改为3 导联采集系统，减少系统的硬件设施。 1 2 导联系统所采集的心电数据虽然能全面反映心脏工作情况，但需从人体表面 采集8 通道的心电数据，每路心电采集都需要相应的放大、滤波电路，且8 路 心电同步采集，需8 路高分辨率m d 转换芯片进行同步采集。硬件成本高，制 板面积大，且1 2 导联系统通过1 0 个吸附球吸附在患者体表，时间长后会给患 者身体带来很大的痛苦。由于t 波交替的检测只需要单通道的心电数据，因此 将1 2 导联心电采集系统改为3 导联采集系统，只采集单通道的心电数据，能减 少硬件成本和制板面积。 ( 3 ) 将p c 机作为心电数据的载体，将数据的u s b 传输方式改为蓝牙传 输，去掉a r m 9 嵌入式系统装置。前项目设计的便携式心电监护仪，采用高速 a r m 9 处理器，但其运算速度只能满足心电波形的实时显示，心电数据的分析 必须借助于p c 机。另外，用u s b 线传输便携式心电监护仪采集半小时的心电 数据需要大约3 0 分钟，其传输速度慢。采用低功耗蓝牙技术用分离的方式，将 心电信号的获取装置和发送装置分离开，实时传输，并用p c 机进行数据存储。 不仅能提高采集装置的灵活性，还能提高数据分析速度。 动态心电监护仪无论在仪器、记录技术、分析手段、结构显示、应用范围 及临床价值等方面，均不同于普通心电图，它可以随时随地并长时间记录患者 心脏状态，这样不但使心电变化的检出率发送量的飞跃，还能使那些平静、仰 卧状态下不会出现的心电变化揭示出来，并能了解这些变化与心率、日常生活、 症状、体位等及其他心电活动变化之间的关系。相对于常规心电监仪，动态心 电监护仪有很多优越性，但会引入新的噪声干扰- 运动伪迹。运动伪迹是由 于人体运动导致皮肤与心电电极之间的接触阻抗发生变化而引起的干扰。运动 伪迹与t 波的信号特征非常相似，如果不将动态信号中的运动伪迹进行抑制， 会对t 波交替的分析带了很大的影响。因此，如何抑制动态心电信号中的运动 伪迹是动态心电监护仪必须解决的问题。 综上所述，本课题用“动态心电采集装置与运动伪迹抑制方法研究”作为论 文题目展开研究。用3 导联系统采集人体单通道的动态心电信号，设计调理电 路进行放大滤波处理后，选用单片机对处理后的动态心电信号进行采集，用蓝 牙将数字动态心电信号传输给p c 机，然后设计滤波算法对动态心电信号中的 运动伪迹进行抑制处理。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 国内外动态心电监护系统的研究主要分为两个方向：便携式动态监护系统 4 1 和远程动态心电监护系统【5 j 。得益于嵌入式系统和现代通信技术的飞速发展， 两种监护系统的研究都取得了很大进展，便携式动态心电监护系统主要源自传 统的心电图记录仪，可以长时间记录并编辑人体心脏在运动状态下心电图的变 化，然后送回医院，通过回放仪进行心电图回放和诊断。国内分别采用a r m 6 1 、 d s p 7 1 、f p g a t 8 】等多种系统构建新的监护系统，并在其中植入l i n u x l 9 】、u c o s 1 0 1 、 w i n c e 【1 等操作系统，为外围接口扩展和分析算法开发提供方便。相比而言， 国外对便携式动态监护系统的研究主要集中在动态心电信号的获取途径上。一 方面开发可穿戴式的导联系统【1 2 】，甚至将导联与卧具融为一体【1 3 】，缓解导联直 接与体表接触给患者起居造成的不便；另一方面，通过缩小电极尺寸，增加运 动传感器降低运动伪迹对心电信号的干扰【1 4 匕远程动态心电监护属于远程医疗 的范畴，可以对患者进行长时间、远距离的心电监测，且患者的活动范围不受 医院的限制。远程动态心电监护的研究主要集中在数据的传输通道上，即数据 通过何种途径到达医院的监护中心。目前主要的途径有电话线【1 5 】、i n t e r n e t 网【1 6 】、 无线通信网( 包括c d m a t l 。丌、g p r s t l 8 】) 等等。 尽管两种监护系统的研究取得了很多的成果，但是它们在结构和功能上都 存在一定的缺陷。目前，就计算速度和存储容量而言仍然不能完全满足心电信 号实时处理的要求，制约了便携式监护系统的进一步发展。现有的各种通信网 络都能满足远程监护系统的信号传输需求。但是，需要在各级医疗机构配置专 门设备或医护人员，完成全社会远程医疗体系的建设，才能提供实时的监护服 务。为了研究更具推广价值的监护系统，首要问题是为心电信号分析软件找到 合理的载体。嵌入式系统的计算能力尚不能满足要求，专门配置监护工作站则 代价太高。根据当前国民经济发展水平，家用p c 机是这种载体的最佳选择。 由于获取心电信号的导联必须与身体紧密接触，而p c 机显然不能随身携带， 因此需要采用无线通信的方式将信号传输到p c 机上。从通信的距离、速度和 可靠性考虑，蓝牙技术是最佳选择。蓝牙是一种开放性的技术规范，工作在全 球通用的2 4 g h z 频段，即i s m 频段上1 1 9 】。其数据的传输率最高可达到1 m b s ， 可在世界上的任何地方实现短距离的无线语言和数据通信【2 0 1 。其特点如下： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 开放性 蓝牙技术使用全球通用的i s m 频段，采用c c 即插即用技术口，即任何具有 蓝牙功能的设备一旦搜索到另一台蓝牙设备，无须进行任何设置便可与其建立 连接； ( 2 ) 短距离、低功耗 蓝牙通讯的距离较短，一般为( 1 0 - - 1 0 0 米) ，基本满足大部分短距离无线 传输系统的要求。其正常工作时的发射功率仅有l m w ，且有三种节能状态【2 2 】： p a r k 、h o l d 和s n i f f 供选择，这些状态既能处于激活状态，也能处于连接状态， 当系统进入低功耗状态时，其发射功率可节省7 0 。非常适用于便携式、手持 设备中： ( 3 ) 低辐射、高安全性 随着无线技术在通讯设备上的大量使用，辐射也成为人们非常关心的问题， 特别是手机的辐射问题深入人心。蓝牙设备的输出功率较低，仅仅是手机功率 的5 【z 引，且这些辐射只有- d , 部分会被使用者吸收，因此不会对人体造成很 大的伤害。 家用p c 机的广泛运用和蓝牙技术的迅猛发展为动态心电监护系统提供了 合适的数据载体和传输方式，为动态心电监护的研究解决了一大关键问题。运 动伪迹的抑制是动态心电监护必须解决的另一个关键问题。动态心电信号中存 在大量的运动伪迹噪声，运动伪迹是一个典型的非线性噪声，运用线性滤波器 对其进行滤波的效果较差。w i d r o wb 等于1 9 6 7 年提出了自适应滤波理论【2 4 1 ， 该滤波器中的参数能根据需要自动调整到最佳状况，而且，不需要了解任何关 于信号和噪声的先验知识。自适应滤波器使用时如维也纳滤波器【2 5 l 一样简单， 其性能可与卡尔曼滤波器【2 6 j 媲美。现在，自适应滤波器在各行业中得到广泛应 用。由于自适应滤波器具有自适应性，能很好的保留原信号的特征，自适应滤 波器也被应用于动态心电信号的运动伪迹抑制处理中。自适应滤波器的使用不 需要知道任何关于运动伪迹的先验知识，但必须提供与运动伪迹相关的参考信 号。参考信号的提取有两种方法： 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 千电极法 人体的运动会造成皮肤与电极之间接触面积的变化，即阻抗的变化。在心 电电极附近放置一个干电极，采集阻抗信息，将阻抗信号作为自适应算法的参 考信号【2 7 1 。 ( 2 ) 加速度传感器法 运动伪迹是由于人体的运动造成的，用加速度传感器采集人体的运动信号 作为自适应算法的参考信号【2 引。 干电极法对阻抗变化的灵敏度更高，更能准确反应人体的运动，但必须在 每个心电电极附近都放置一千电极，而且需要专门的模拟电路对阻抗变化信号 进行调理和放大，增加了系统的硬件成本。另外，干电极制作工艺复杂，成本 较高，市场上比较少。相比而言，加速度传感器法比较简单，其技术相对成熟， 而且不需要专门的模拟调理电路对信号进行处理，可以直接通过加速度传感器 得到模拟或数字信号。因此，采用加速度传感器作为自适应算法参考信号的采 集转置显得更为优越，这也是本系统所使用的参考信号的采集方法。 1 3 心电信号基础 心电信号是心脏活动状况的反应，心脏周围的组织和体液都能导电，心脏 在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，会伴随着生物电的变化， 无数心肌细胞动作电位变化的总和可以通过体液传导并反映到体表【2 9 1 ，并在体 表很多点之间形成电位差，将电位差通过信号采集装置进行适当处理并显示出 来，便是人们所熟悉的心电图3 0 1 。十二通道心电图如图1 1 所示。 。l a 。点l 。l 一i 以。，蠢 1 。l 舢 。 。l n 1 一、一、。t 一。 ，l 一1 nl ，、，tn l l 一 h 一- 啊h - 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4 所示。 图l - 4 含工频干扰的心电信号 从图1 4 中可以看出工频干扰的幅值达到了心电信号r 波幅值的1 3 ，将幅 值比较小的心电特征波完全淹没，因此在心电信号的滤波处理中必需滤除工频 干扰。 ( 2 ) 呼吸伪迹 由于人体的呼吸，使心电波形的基线随时间定向的缓慢的变化，也称为基 线漂移，基线漂移的频率较低，主要集中在0 h z 附近，含呼吸伪迹的心电信号 如图1 5 所示。 图1 5 含呼吸伪迹的心电信号 从图中可以看出，呼吸伪迹使q r s 波偏离基线，从而改变心电特征信号的 幅值，不利于进行信号分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 肌电噪声干扰 由于人体肌肉的收缩产生的信号，其幅值为9 0 m w 3 0 m v ，频率为 1 0 h z - 1 0 0 h z 。含肌电干扰的心电信号特征如图1 - 6 所示。 图1 - 6 含肌电干扰的心电信号 ( 4 ) 运动伪迹 由于人体运动导致皮肤与心电电极之间的接触阻抗发生变化而引起的干 扰。含运动伪迹的心电信号如图1 7 所示，从图中可以看出，运动伪迹将t 波 完全淹没。对于动态心电信号，运动伪迹是最严重、最难抑制的干扰，其信号 特征与t 波非常相似，因此对t 波交替分析结果的影响非常大； 图1 7 含运动伪迹的动态心电信号 ( 5 ) 极化电压 为了增强导电性，心电电极与皮肤接触时都会涂上一层导电膏，由于电极 与导电膏的组合在一对电极上都会形成半电池效应，因而会产生电动势，电动 势的不平衡产生电位差，称为极化电压，极化电压最大可达几百毫伏，其频率 近似直流； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 高频干扰 空中电磁波干扰信号所产生的空间电场会作用于心电导线，使线路两端产 生很大电磁干扰电压，从而使测量结果不稳定，其频率约在2 0 0 h z - - 一2 3m h z 。 实际采集的动态心电信号中可能夹杂着多种噪声干扰，针对不同的噪声特 性，所使用的滤波算法也不同。工频干扰和基线漂移噪声的特征较明显且与心 电特征信号差别大，运用线性滤波器就可达到很好的滤波效果。极化电压和高 频干扰可以通过调理电路进行抑制。但运动伪迹的频谱特性与心电信号中t 波 非常相似，在不影响心电信号的情况下，普通的线性滤波器很难将其虑除。因 此，很多心电监护仪为了避免运动伪迹带来的影响，要求使用者必须处于躺卧 静止状态。这样严重制约了人们的正常生活，不适合做长时间的监护。动态心 电信号的监视、分析必须在建立有效抑制各种干扰、检测出良好的动态心电信 号的基础之上，合理运用微处理器和计算机进行心率失常等的分析与诊断。 1 5 本文主要研究内容 动态心电信号非常微弱，需进行放大处理，但在对动态心电信号进行放大 的同时，其中的噪声信号也会被相应放大，导致有用的心电信号被吞没。因此， 在对动态心电信号进行a d 转换前必须进行相应的滤波调理和噪声干扰抑制处 理来提高信噪比。动态心电信号源内阻可达几十k q 、乃至几百k f l ，要求放 大器的输入阻抗必须达到几m q 以上。心电图导联从人体体表采集的信号以差 分的方式传输给心电图机，电路中会存在较大的共模电压，调理电路必须具有 高共模抑制比，一般要求大于8 0 d b 。同时为了降低信号中的高频和低频干扰， 需设计带通滤波器电路对信号进行滤波，最后得到放大、无噪声干扰的心电信 号。心电特征信号的幅值不尽相同，其中t 波交替信号的幅值最低时只有 2 0 av ，因此，a d 转换器的分辨率不宜低于。l av ，否则会丢失t 波交替信号。 动态心电信号经过a d 转换后，需选取最合适的通讯方式将数字心电信号传输 给p c 机，供p c 机进行实时的显示和分析。另外，整个系统的设计需满足低功 耗的特性，满足便携式产品的要求。 本文除了用自适应滤波器对动态心电信号中的运动伪迹进行抑制，还提出 一种基于周期元分析的非线性滤波算法抑制运动伪迹，该算法将经验模态分解 和周期元分析方法结合起来，用经验模态分解方法将单通道的动态心电信号分 武汉理工大学硕士学位论文 解成多通道的心电信号，然后用周期元分析方法提取信号中的周期因子。基于 周期元分析的非线性滤波算法本质就是利用心电信号成周期性的特点，将信号 中的周期信号提取出来，从而将非周期性噪声信号滤除。另外，该算法能提取 特定周期的信号，滤除其它周期信号成分。基于周期元分析的非线性滤波算法 不仅不需要增加额外的硬件条件，还能保留心电信号的特征，特别是t 波交替 信号。另外，通过分析，t 波交替信号的周期约为q r s 波群的周期的2 倍，如 果用基于周期元的非线性算法分离出所有2 倍q r s 波群周期的信号，不仅能去 除非周期信号，还能提高t 波的占有率，从而有利于心电分析软件对t 波交替 的分析，提高对心源性猝死的检测率。 本文拟分为5 章，各章的主要内容如下： 第1 章绪论。本章对选题背景、国内外研究现状、心电信号基础以及动态 心电信号中常见的噪声干扰作简单介绍，并指出动态心电监护系统的优越性和 所需解决的问题。 第2 章动态心电信号的采集与传输。本章根据动态心电信号的幅值和频率 特性，设计相应的放大和调理电路，选用低功耗单片机对数据进行采集，并采 取蓝牙传输方式对数据进行传输，最后介绍了系统低功耗的实现方法。 第3 章基于加速度信号的运动伪迹抑制。本章主要介绍加速度信号采集和 自适应滤波器的设计，并将其应用到动态心电信号的运动伪迹的抑制处理中。 第4 章基于周期元分析的动态心电信号非线性滤波。本章首先介绍周期元 分析原理和基于周期元分析的特征信号的提取，然后介绍单通道数据的经验模 态分解，最后介绍基于周期元分析的非线性滤波算法的实现，并将此算法应用 到动态心电信号的噪声抑制处理中。 第5 章全文总结与展望。对全文进行总结，提出基于周期元分析的非线性 滤波算法的优越性及其在心电信号处理中的更广泛的应用，最后对动态心电监 护仪的发展前景进行展望。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 动态心电信号的采集与传输 分为动态心电信号的调理和基于单片机的心电信号采 的调理包括多级放大、滤波和右腿驱动。单片机采集 信号进行a d 转换和数据存储，然后使用蓝牙传输模 为确保数据的稳定传输，数据的采集与传输之间需实 个系统要实现低功耗。动态心电信号的采集与蓝牙传 输系统结构框图如图2 1 所示。 厂、。 k l 气 v 输入 前置低通高通末级 7 缓冲 放大 滤波 滤波 放大 音 王 入 电路电路电路 电路 卫 吕 ll r 翟 、l 一 磊 a 丫y 监 阵牙接ul 峰牙发k 串 片 | 收模块l隧模块i 口 机 k l l 右腿驱动电路 u s b p c 机 动态心电信号调理电路 图2 1 动态心电信号的采集与蓝牙传输系统结构框图 用三导联系统从人体体表获取动态心电信号，经输入缓冲级处理后，以差 分的方式进入前置放大电路。右腿驱动电路将前置放大电路中的共模电压经过 缓冲放大后反馈给右腿，从而提高系统的共模抑制比。前置放大电路的输出信 号经低通、高通滤波后进行末级放大。经滤波和放大处理后的动态心电信号用 m s p 4 3 0 f 4 7 8 4 单片机内置a d 转换器进行采样。m s p 4 3 0 f 7 8 4 单片机将动态心 电数据通过串口传送给蓝牙发送转置，蓝牙接收转置通过u s b 与p c 机连接， 心电分析软件将蓝牙接收装置接收到的动态心电数据处理后进行显示和分析。 2 1 动态心电信号的调理 典型动态心电信号的峰峰值为l m v ，不能满足a d 转换器采样的输入电压， 在进行采样前，必须对其进行足够大倍数的放大。如果采用单级放大，会受到 运放增益带宽积的影响，导致电路的输入频率范围变窄，本系统采用多级放大， 分为前置放大和末级放大。尽管前置放大电路能有效地抑制共模干扰，但是前 端的共模信号在一定情况下会转化为差模信号，从而对正常的差模心电信号输 入造成干扰。右腿驱动电路的引入能将前端共模信号反馈给人体，从而减小共 模电压，提高系统的共模抑制比。心电信号的特征频率为o 1 h z 1 0 0 h z ，易受 到多种高频、低频及5 0 h z 工频信号的干扰。因此，在前置放大电路之后须设 计o 1 h z - 1 0 0 h z 的带通滤波电路。对5 0 h z 干扰的抑制，应主要靠提高电路的 平衡和共模抑制比来实现。 2 2 1 前置放大电路设计 对于多频率低幅值的动态心电信号来说，要求前置放大电路的输入阻抗大 于2 m q 。输入阻抗越高，输入信号消耗的能量就越低，电路所接收的信号成 分也就越多。动态心电信号中的干扰噪声均以共模的形式存在，前置放大电路 必须具有高共模抑制比，电路的共模抑制能力越强，放大电路的性能越好，而 且能对工频干扰有很好的抑制作用。前置放大电路由电压跟随器和差分放大器 两部分组成。前置放大电路的电路图如图2 2 所示。 隰c 1 3 0 1 l a f l j l 一 d 2 警li正上 2 一 1 ，1 n ，一o 【一章- v 4 7 k _ l 卜t _ o r j - 5 甚攀游 蜷s + - - o p a 4 2 7 7 j 刁。j。一，7 l 1 ln l 广u 一少 1 - i 图2 2 前置放大电路 1 4 差分放大器 武汉理工大学硕士学位论文 电压跟随器由运放o p a 4 2 7 7 和电阻电容组成，其特点：具有高输入电阻、 低输出电阻；电压增益近似为l ，能起到缓冲、隔离和提高带负载能力的作用， 实现电路阻抗匹配。另外，在信号输入级加入由电阻和电容组成低通滤波器， 在前级就将频率较高的电磁干扰进行抑制，以减小对后面电路的影响。现对电 压跟随器电路进行输入阻抗测试。测试电路图如图2 3 所示。 溺 图2 - 3 电压跟随器测试电路 图中r o l 为测试电阻，r o l = 2 k q 。在输入端加入正弦信号v s ，其频率 f = - 1 0 0 0 h z ，输出端空载，分别测量v a 和v b 电压的有效值，运用公式 垦= r 。瓦算出输入阻抗。将输入阻抗测试结果填入表2 1 中。 表2 - 1 输入阻抗测试结果 由表2 1 可看出，通过三组数据的测试，此电压跟随电路的输入阻抗大于 2 m o ，满足心电信号采集电路对高输入阻抗的要求。 差分放大器由a d 6 2 0 运放构成。a d 6 2 0 是三运放集成的仪表放大器。精 度高、使用简单、低噪声，高输入阻抗( 1 0 g f 2 ) ，高共模抑制比( 1 0 0 d b ) ，且 具有过电压保护功能。另外，a d 6 2 0 采用正负电压供电，能够正负输入和正负 输出。通过调节外部电阻r 1 3 可以对电路的增益g 进行设定，计算公式为： g ：1 - t 4 8 4