（计算机系统结构专业论文）手持式心电图仪处理和显示模块的设计与实现.pdf

中文摘要 现代心电图设备主要分为心电床边监护系统和h o l 衄系统，囊括了重症监护、 早期预防、现场诊断等常规领域。但是，这些设备不适合对体积、重量、功耗， 以及成本敏感的场合。 本课题提出的“手持式心电图仪”，是一款手持式、低功耗、低成本，但功能 完善的心电图设备。该心电图仪以功能划分为主控、采集和远程传送、处理和显 示三大模块，分别以c 8 0 5 l f 3 2 0 、c 8 0 5 l f 3 3 0 和e p 7 3 1 2 为核心，通过u a r t 接口互 联。 本文着重论述了处理和显示模块的软硬件设计和实现：e p 7 3 1 2 是基于 a r m 7 t d m l 内核的低功耗嵌入式处理器，具有很强的运算能力和片上s d r a m 、 u a r t 和l c d 控制器，提供f l a s h 接口，保证了系统性能。 启动代码参考了开源b o o t l o a d e r 的设计；主程序参考可抢占式任务调度前后 台方式实现，充分保证了实时性；中断服务程序( 1 s r ) 接收主控模块数据，经判 断，若该数据为控制命令，将优先执行，若为心电数据则存放在与滤波程序共享 的缓冲区中：滤波程序和波形显示程序在主循环中顺序执行，将原始信号滤波并 在l c d 上显示出来。 滤波算法以小波分析为理论基础，采用模极大值法进行滤波。经检验，尺度2 分解后滤波效果最佳，经过移植获得了在l c d 上清晰显示的滤波后心电图。m a a t 算法保证了滤波算法的效率，经测试证明在本系统可以达到实时心电信号滤波和 显示的目标 关键词：心电图仪；小波分解；m a l l a t ；a r m ；波形显示 分类号：t h 7 7 2 4 a b s t r a c t 1 1 l em o d c n le i h 佻a r d i o g r a p hc 0 v e r sl c u ，p m v 即t i o n ，d i a 印o s 锄do m c r c 伽v e n t j o n a i 行e i d s ，w h i c ha r cm a i n l yd i v i d e di n t oe c gb e d s i d cm o n t o r i n g 妙s t c m 粕d t h eh o l t e r b u tt h e rc u b a g e ，w e i 曲t ，p o w 盯锄dc o s tc o u l d n tm e e tr c q u i r e f n c n t si l l s o m eo c c a s i o n s i nt l l i sp a p c w ep r e n tah 锄d i e de c gd c v i c e ，w h i c hi sl o w p o w l o w - c o s t 柚d h a st h ew h o l eb 勰i cf i l n c t i so f at y p i c a le c gd e v i c e 1 th a st h r e ef l l n c t i o n “m o d u l e s ， w h i c ha mm a i nc o n t r o l ，s 砌p i ea n dd i s t 柚c e 仃a _ | 1 s m i s s i o n 锄dd a t ap r o c e s s j n ga n d d i s p i a y w eu s c dc 8 0 5 l f 3 2 0 ，c 8 0 5 l f 3 3 0 粕de p 7 3 1 2t o 他a i i t l i et h r e em o d u l e s ，锄d c o n n e c t e dt h e mt h r 叫g hu a r t 耵l ee m p h 嬲i so f t h i sp a p e ri st h es o 舢旧陀卸dh a r d w a 佗d e s i g i l 柚d 佗a l i z a t j o no f d a 协p r o c e s s i n ga n dd i s p l a yo f t h ed e v i c c w eu t i l 朋e p 7 3 1 2i nt l l i sm o d u l e ，w h i c hi s 锄 e m b e d d e dc p ub e l o n g e dt ot t i e 辩r i e so fa r m 丌d m i 锄dh 觞as 仃o n g e rc a l c u l a t i 伽 c a p a b i l i 够a n de p 7 3 1 2i n t e g r 8 t e st h ec 伽t r o i i e 幅o f o n - c h i ps d l 认m ，u a r t 锄dl c d ， p r o v i d e st h ei n t e r f a c eo f f l a s h a o f t h e g u a 怕n t e e dp c r 南m 卸c e so f s y s t e m w ed e s j g | l j n gt h es y s t c m 啪tc o d e sr e f e m 甜t ot h eo p c ns o u r c eo f b 0 0 t l o a d 乱t h e m a i nf o u t i n ei sr e f e 丌e dp r m p t i v e 卸df o 化g m u n d b a c k g r o u 们t a s ks c b e d u l e d ，锄d g u a m n t c et h em a i t i m er e q u i r e m 明t n ei s r ( i n t e 咖p t r v i c er o u t i n e ) r e c e i v e s 柚d d e c i d e st h ed a t af 而mm a i nc o n 协) lm o d u l e ，t h e ne x e c u t et h ep r c e m p t i v et a s ks c h c d u l ei f t h ed a t ai sc o m m 柚d e r a n dj f e c gw i l lb es t o r c di ti nb u f f e r 呐，h i c hs h a 他db yi s r 柚d f i l t e r i n gp r o c e s s t 1 l e 矗1 t c r i n gp r o c e s s 柚dt i l ed i 印l a yp r o c e s sa r ee x e c u t c di nt h em a i n r o u t i n e ；e c gw i i ib ed i s p l a y e do nl c d a f i e r f i l t e i n g 1 1 1 e o r e t i c a lf o l l n d a t i o no ff i l t 硎n g 撕t l i m e t i ci sw a v e l e t 锄a l y s i s ；m e t h o do f f i l t e r i n gi st l l em o d u l u sm a ) i m a a c c o r d i n gt ot l l et e s t ，w e 啪c o n c l u d et l l a tt h eb e s t f i l 白c r i n gr c 蛐l ti sw a v cc o m p e n tu i l d e rk v e l - 2d o m p o s i t i o n ，锄df i h r 。dw a v e s c o u l db cc l 订yd j s p l a y e do nm el c da 胁饥m s p l a n to ff i l l e r i n ga 洲1 m e t i c 1 1 1 e e f f i c i 锄c yo f 撕t h m c t i ci sg u 啪n t e e db yt h em a i i a t 仃锄s f o 咖a t i ；柚di t i sp r o v e dt l l a t t h eh o l es y s t e mc o u i db ea c h i e v e do 盯o b j c c t i v et h a te c gc o u l db cr 1 t i m ef i l t e r e d a n dd i s p l a y c d 1 ( e y w o r d s ：e l c c t r o c a r d i o g m p h ；w 打e l c td c m p o s i t j o n ；m a l l a t ；a i u ；d i s p l a y c l a s s n o ：t h 7 7 2 4 韭塞窑通盔堂亟堂焦途塞 致谢 本论文的工作是在我的导师周洪利教授的悉心指导下完成的，周洪利教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半 来周老师对我的关心和指导。 特别需要感谢的是，当我提出想把研究从单片机转向a r m 时，周老师给了我 很大的支持，并提供了开发平台和“手持式心电图机”的实践机会。 陈连坤教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，让我受益匪 浅，在此也表示衷心的感谢。 魏英钦同学负责本项目中采集和控制两模块的开发，期间我们互相借鉴，共 同提高。在研究生期间，张丽云和靳超伟同学对我的学习和生活也做出了许多帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 梁志毅同学在我学习a r m 的过程中给了我许多有益的指导和建议。 最后，要感谢我的家人，他们在自己最困难的时候也一如既往理解和支持我， 使我能够在学校专心完成学业。 1 1 手持式心电图仪的意义 1引言 据世界卫生组织统计，世界上每年因心血管疾病死亡的人数有1 7 0 0 万，占全 球死亡人数的3 0 。预计到2 0 2 0 年，因心脏病等心血管疾病而死亡的人数将突破 2 0 0 0 万，成为世界导致死亡的头号原因。在我国，因心脑血管疾病死亡人数约占 总死亡人数的4 4 ，倘若心脑血管病发病率下降l i p , 至2 0 ，每年将挽救2 l 到 4 2 万人的生命，使1 5 到3 0 万人免于残疾。因此，对心血管疾病及时加以预防和 诊治，对减少因心脏病而造成的生命和物质财产的损失具有重要的意义。 心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 是由心电图仪( e l e c t r o c a r d i o g r a p h ) 记录 下的病人心电活动，它通过测量人体生物电信号，从不同角度观察心脏的活动情 况，揭示了心率的主要变化，是临床中对心律失常、心肌梗塞、心肌炎等心血管 疾病的重要诊断手段。心电图设备主要分为静态监测的心电床边监护系统和动态 监测的h o l t e r 系统，囊括了重症监护、早期预防、现场诊断等各种领域。 为了能够在更多场合进行诊断，出现了便携式的心电图设备，相比静态心电 监护仪，它可以实现可移动化，相比动态心电监护仪，则又可以实时的对心电信 号进行分析。本课题所研究的手持式心电图仪，则将普通心电图设备微型化，具 有相应功能的同时更加方便携带，可应用于普通病房查房、农村基层医院出诊、 户外心脏功能测试与急救等场合的实时心电图诊断。 1 2 心电图仪的发展现状 心电检测技术至今已有1 0 0 多年的历史，经历了弦线型、电子管放大式、热 比直描式、墨水喷射式的阶段，直到今天的计算机技术高度应用，其中， w i l l e m e i n t h o v e n 和n o r m a n h o l i e r 为心电检测技术的发展作出了巨大贡献。 1 9 0 3 年，e i n t h o v c n 使用弦线电流计第一次记录了体表的心电图，该仪器利用 光学放大原理，可以灵敏的检测心脏的各种不同电位，并通过感光纸进行记录。 e i n t h o v e n 将记录到的心电信号波形命名为p 、q 、r 、s 、t 波，并于1 9 0 4 年又将 记录到的另一渡形命名为u 波，这一心电信号波形的命名法一直沿用至今。1 9 0 6 年，e i n t h o v e n 提出心电活动的等边三角形学说和e i n t h o v e n 法则，又在1 9 1 2 年提 出了标准双极肢体导联，统一了心电图设备的导联设置和记录方法。因为对心电 图的创立及发展有着多方面的开创性的卓越贡献，e i n t h o v e n 被尊称为“心电图之 父”，并于1 9 2 4 年荣获诺贝尔生理学和医学奖。 h o l l e r 则在1 9 5 7 年成功研制出世界上第一台动态心电监护系统，1 9 6 1 年开始 应用于临床，此后他又进行了一些改进，于1 9 6 5 年推出世界上第一台商业化h o l t e r 系统，使得动态心电监护技术成为检出定量心律失常、心肌缺血等心脏疾病的重 要而有效的方法。我国在七十年代末开始引进h o l t c r 技术，并已从大型医疗机构逐 步向中小医院普及。 现代心电图设备，有这样一些发展趋势： ( 1 ) 无线遥测。使用该技术取消了人体与心电图设备的物理连接，采用无 线技术进行数据传送，被测人的活动更加自由： ( 2 ) 智能化。不仅可以对心电数据进行处理，还可以进行病理判断、控制 给药量、编制病历、检查并控制全系统的协调等工作； c 3 ) 小型化。虽然功能更加强大，但心电图设备体积更小，更加便于携带； c 4 ) 实用化。功能得到扩展，更直观的显示心电信息，实现仪器虚拟化： ( 5 ) 准确化。采集、滤波和分析技术的进步使得更能准确的获得心电信号 的信息【2 1 1 3 。 心电图设备的发展与世界各大医疗仪器的生产厂家竞相投入大量的人力、物 力进行相关设备的开发、生产和销售密不可分。许多公司，如国外的通用医疗( g e h e a l t h c a r e ) 和国内的深圳迈瑞电子均在该领域的研究与生产上有所突破。图1 1 为以上两公司的便携式心电监护产品，它们的共同点是：有较大的显示屏，能够 显示心电图及其他信息；按钮较多，操作复杂；自带了打印机，可打印心电图； 都带有手柄可方便移动。 通用医疗m a c l 2 0 0 迈瑞电子p m 8 0 0 0 图1 1 两款便携式心电监护仪 1 3 课题的目标 以上两款便携式心电监护仪在小型化方面取得了很大进展，可以很方便的移 动。但是，尺寸和重量决定了现有的便携式心电监护仪并不适合于随身携带。在 某些应用中，如1 1 节中提到的医生单人出诊、户外心脏功能测试，以及其他对装 备尺寸和质量敏感的场合，需要更小更轻的心电图设备来完成任务。另一方面， 更大的尺寸、更多的功能意味着更高的能耗，电池续航时间更短，不适合在没有 外接电源，如野外探险等情况使用。最后，上述心电图设备较为昂贵，不适合普 通家庭和农村基层医院购买。 针对以上应用，我们希望实现一款手持式的心电图仪，它具有这样一些特点： ( 1 ) 具备心电图设备的基本功能，可通过1 2 导联采集心电信号并存储，采 样速率较高，回复的波形无失真； ( 2 ) 实时的心电信号处理，采集到的信号能够实时去噪并显示，还可显示 心率等相关信息： ( 3 ) 低功耗，相较其他产品，功耗更低，持续使用时间更长； ( 4 ) 微型化，希望将尺寸控制在1 5 0 m m x l 0 0 m m x 4 0 m m 之内，可置于手掌， 便于操作和随身携带： ( 5 ) 易于操作，有良好的人机交互环境； ( 6 ) 低成本，可为不同人群所接受； ( 7 ) u s b 及远程电话数据传送功能，可通过两种方式将采集到的数据提供 给上位机； ( 8 ) 大容量存储，将采集到的心电信号保存至大容量存储器中，倘若预采 集有效，则该数据将一并保存； ( 9 ) 预采集功能，预先采集心电信号，避免用户突然不适时来不及操作心 电图机开始采集。 相对于常规便携式心电监护仪，该心电图仪保留了必须的功能和某些常用功 能，但是牺牲了心电图的打印等，以换取其微型化和低功耗、低成本化。保留( 7 ) 、 ( 8 ) 则是因为考虑到手持设备在诊断中的局限性，我们要求该心电图仪具有数据 提交的能力，以供专业机构进一步诊断。由于心脏病具有突发性，当用户感觉不 适时带有症状的心电图可能已经错过，将影响诊断，因此提供预采集功能，提前 存储一定时间的心电信号，该段信号可能保留了症状，用户可选择是否保留该段 信号以提交诊断由于本心电图机并不具备常规心电监护仪的所有功能，本文提 出“手持式心电图仪”这一称谓，以此区别其他便携式的心电监护仪。 为了对手持心电监护仪进行更好的研究与开发，依据功能将其划分为三个模 3 块：采集和远程传送模块、处理和显示模块，以及主控模块。各个模块都由独立 的处理器来控制，而主控模块则控制着整个系统的工作。从模块前端采集和后期 处理之前只能通过主控模块来进行沟通，u s b 接口与p c 进行交互的功能也在主控 模块中实现。 1 4 本文的主要内容 本课题专注于手持式心电图仪的处理和显示模块的研究与实现。因此不妨认 为其前期采集远程传送模块和主控模块都已经完成并工作正常，能够同处理模块 很好的通讯和传送数据。处理和显示模块需要实现的主要功能为： ( 1 ) 接收主控模块命令和数据，由于处理和显示模块没有数据采集功能， 只能对主控模块传送的数据进行处理； ( 2 ) 心电信号的实时滤波，心电信号对于测量系统之外的干扰十分敏感， 采集模块提交的数据包含了大量噪声，其中以5 0 h z 工频干扰最为强烈。 因此，需要经过去噪，才能得到有效的心电信号； ( 3 ) 滤波后的心电图显示，手持式心电图仪的一大功能即测量过程中实时 的显示心电信号波形，在非实时状态下，也能够调出已存数据波形。 本文集中论述了数据处理与波形显示模块从理论分析到工程实践的这一过 程，其各章内容如下： 第一章，引言，介绍了手持式心电图仪的意义，讨论了课题的发展现状，提 出了课题的研究方向及解决问题的基本方案； 第二章，。小波分析理论，介绍了小波分析的基本概念，讨论了m a l l a t 快速变 换原理及使用小波分析进行滤波的一般方法： 第三章，心电信号滤波分析，介绍了心电信号的特征和采集方法，分析了信 号的主要噪声并论证了使用小波进行滤波的过程及可行性； 第四章，以a r m 为核心的硬件模块，介绍了以e p 7 3 1 2 为核心的系统硬件设 计方案； 第五章，处理和显示模块软件设计与实现，详细论证了系统软件，包括系统 主程序、中断应用程序和其他应用程序的设计与实现。对滤波程序的移植、优化 和测试做了详细分析，并给出可信性论证； 。第六章，结论，总结课题收获，并对下一步目标做出展望。 4 2 小波分析一滤波算法的理论基础 小波分析是2 0 世纪8 0 年代后期形成的一个新兴的数学分支，是在傅立叶 ( f o u r i e r ) 分析的基础上发展起来的。作为一种时一频分析方法，小波分析比傅 立叶分析有着许多本质性的进步，它提供了一种自适应的在时域和频域同时局部 化的分析方法，无论分析低频或高频局部信号，它都能自动调节时一频窗，以适 应实际分析的需要。小波分析在局部时一频分析中具有很强的灵活性，能聚焦到 信号时段和频段的任意细节，被誉为时一频分析的显微镜快速算法的建立为分 析和解决实际问题带来极大的方便，使得小波分析更为广泛的应用于各种领域 4 1 。 2 i 傅立叶分析 一个复杂的波形可以看作一个函数或者是模拟信号，也可以看作一个复杂的 振动现象，由许多不同频率、不同振幅的谐波叠加而成。傅立叶分析用数学的语 言提出，任何一个周期函数都能表示为一组正弦函数和一组余弦函数之和，即： 知) = a ns i n ( n a c o t + 0 ) ( 2 1 ) r r * o 其中，函数是以时间f 为变量的周期函数，4 和以分别表现频率为n a c o 的 谐波的振幅和相位这些谐波的频率是离散的值，为基频a r o 的整数倍，函数，即 为这些谐波之和。该表达方式实际是将信号函数投影在了由正弦函数和余弦函数 组成的正交基上。 对于定义在尺上的非周期函数，我们认为其周期无穷大，其傅立叶变换的理论 表达式为： f ( c a ) = f 缈“d t ( 2 - 2 ) 逆变换为： = 去亡即矿d c a ( 2 - 3 ) 从物理意义上讲，傅立叶变换的实质是把对原函数，( ，) 的研究转化为对其傅 立叶变换， ) 的研究。把厂看作是一个模拟信号时，它的定义域r 称为连续时域， 在此情况下，的傅立叶变换，( 国) 描述了信号的频谱特性它们是统一能量信 号的两种不同的表现形式，( f ) 显示了时间信息而隐藏了频率信息，而，( 功显示 了频率信息而隐藏了时间信息。 5 对应的，离散傅立叶变换及其逆变换的数学表达式为： e = a t f i e 叫肚”“1 ， ：磊秽m 。 心剐 离散傅立叶变换提供了将离散时间信号序列转换到频域中去的方法，但是， 其时间复杂度为0 ( n 2 ) 。不适合计算机的快速处理。1 9 6 5 年j w c o o l e y 和j w t u k e y 提出了快速傅立叶变换( f f t ) 算法，时间复杂度为0 ( n l o g ，) ，将傅立叶变换的 时间减少了几个数量级，同时，计算机性能的迅速提高也使得傅立叶变换的运算 更加可行化，使之成为最基本、最成熟的信号处理方法之一，得到广泛的应用h 5 j 【6 。 但是，傅立叶分析具有以下一些明显的不足： ( 1 ) 只适用于分析平稳信号，对非平稳信号无能为力，或者说，傅立叶分析 对非线性的问题力不从心： ( 2 ) 为了得到一个时域信号的频域特性，必须使用信号在时域中的全部信 息，甚至将来信息； ( 3 ) 即使一个信号只在某一时刻一个小的邻域内发生了变化，信号的整个频 谱都要受到影响，而对频谱的变化从根本上说又无法标定发生变化的时 间位置和发生变化的剧烈程度，即，傅立叶变换对信号的奇异性不敏感。 但是，在许多应用中，奇异性正是所关心的信号局部范围内的特征； ( 4 ) 在工程应用中，所测得信号往往同时包含高频和低频信息，这要求对于 高频信号，时间间隔相对变小以给出精确的高频信息；而对于低频信号， 时间间隔应相应变宽，以给出一个周期内的完整信息。而傅立叶变换缺 乏这种自适应的能力。 信号的低频端具有很高的频率分辨率，而在高频端韵频率分辨率可以很低。 从时频不确定性原理的角度看，这类信号的高频分量应具有高的时间分辨率，而 低频分量的时间分辨率可以较低。为此，需要一种新的方法，它能够将时域和频 域结合起来描述观察信号的时频联合特征，构成信号的时频谱。即时一频分析方 法，也称时一频局部化方法。其主要有短时傅立叶分析( s t f t ) 、w i g n e r - - v i l l e 分布( w v d ) 和小波分析( w a v e l e t a n a l y s i s ) 。 短时傅立叶变换改变了傅立叶变换无时间局部化能力的不足，但存在时一频 分辨率不能自适应，而且不适合分析非平稳信号的缺陷；w v d 也存在无有效算法， 运算量大，分析过程中各种频率成分交叉干涉严重的问题。小波变换作为一种时 频分析的方法，具有如下特点： 6 ( 1 )在高频范围内时间分辨率高；在低频范围内频率分辨率高。既适合于 分析平稳信号，也适合于分析非平稳信号； ( 2 )具有快速算法m a l l a t 算法； ( 3 )利用离散小波变换可将信号分解到各个尺度，得到不同频带的分量。 由于上述原因，小波变换获得了广泛的应用，比如数据压缩、图象处理、故 障诊断、信号降噪、边缘检测、神经网络、参数辨识、函数学习、非线性动力系 统，c t 成像、语音识别与合成、计算机视觉等 5 1 。 2 2 小波分析的基本概念 小波分析首先由法国地球物理学家m o r l e t 于2 0 世纪8 0 年代初在分析地球物理 信号时提出，研究小波分析的热潮出现于1 9 8 6 年以后。m e y e r 于1 9 8 6 年创造性地 构造了具有一定衰减性的光滑函数，其二进伸缩和平移构成了玖月) 空间的正交基， l e m a f i e 和b a t t l e 也分别独立地构造出了具有指数衰减的小波函数。1 9 8 7 年m a l l a t 巧妙地将计算机视觉领域的多分辨分析的思想引入到小波函数的构造及信号的小 波分解与重构，得到了离散小波分析的快速算法m a n a t 算法。m a l l a t 的工作统 一了前人提出的小波函数的构造方法，研究了小波变换的离散化情形，并成功地 将m a l l a t 算法用于图象处理。1 9 8 8 年d a u b e c h i e s 成功地构造出了具有紧支集的正交 小波基。而后，c o i f m a n ，w i c k e r h a n s e r 等将m a l l a t 算法进一步深化，得到了小波包 算法。这样小波分析的系统理论就初步建立起来了1 5 】。 2 2 1 连续小波变换 小波变换在时一频平面不同位置具有不同的分辨率， 法。我们先来看看连续小波变换的定义。 对于全体能量有限信号的集合( 平方可积空间) r ( r ) = 巾) if l ( ，) f 2 a r t 佃 信号，l 2 ( r ) 的连续小波变换( c w t ) 定义为： w a a ，6 ) 2 上邝) 呒( t ) d t 其中 么( ，) = l a 严y ( 耐一 7 是一种多分辨率分析方 ( 2 5 ) ( 2 妨 是由( f ) 经过平移和缩放的结果，当满足l 2 ( r ) ，且其傅立叶变换矿( 妨满 足痧( o ) = 0 时，g t ( t ) 被称为允许小波函数。小波变换是通过信号与小波函数的伸缩 与平移形式内积而实现的。 函数( f ) 能同时具有时域和频域方面的局部化能力i g t 为时窗中心，屯 为时窗半径，为频窗中心，a 。为频窗半径，则以。( f ) 作为窗函数时，有： 时一频窗中心为： ( 丢( + a ) 碱) ， 时窗宽度为： 2 a , = 2 a r n ， 频窗宽度为： 2 色= 2 a a ；， 时一频窗面积为： 2 ，2 a 。= 4 a ， 图2 1 为小波变换的时一频窗示意图。其中图( a ) 表明，小波函数( f ) 作为 时窗函数，当它在时域被拉宽时，频窗宽度被压窄，其频窗中心坐标值也变小； 在图( b ) 中则形象的展示了这一过程，对于同一个时窗中心而言，随着频窗中心 的上移，小波变换的频窝宽度被拉宽，时窗宽度相应被压窄。符合实际中高频信 号持续时问短，低频信号持续时问长的特点。 也可以发现，在不同的尺度d 和时间t 处，窗口的面积不变，即尺度分辨率和 时间分辨率相互制约。 对于参数d 固定，参数b 自由的情形，小波变换孵他6 ) 是关于变量b 的时域 函数：由于伽) 是频窗函数的缘故，小波变换( m 6 ) 实际上被限制在 频窗2 喊一口p ，口喀+ 子频带范围内的时域函数。 对于参数口和参数b 都固定的情形，由于。( f ) 是时窗函数和痧0 ( m ) 是频窗函 数的缘故，孵( 口，b ) 的时域和频域表现实际上被限制在 时一频窗2 嘁一呜，嘁+ a a p 胁十a ) 一等，扣6 ) + 等i 的范围内 a = 2 2 西 a = l 11 。 ”三j 唧 对域 ( a ) 时频变化关系 矿( 珊) 。 一 矿( 2 y l | f 1 j q 频域 f if 2 ( b ) 时一频窗变化关系 图2 - 1 小波变换的时一频窗 9 带宽4 a ； 带宽2 ： 带宽： 同时，从小波窗函数么( f ) 的参数选择方面观察。当口较大时，频窗中心碱 自动地调整到较高的频率中心的位置，且时一频窗形状自动地变为“瘦窄”状； 因为高频信号在很短的时域范围内的幅值变化大，频率含量高，所以这种“瘦窄” 的时一频窗正符合高频信号的局部时一频特性。同样，当口较小时，频窗中心口瓦 自动地调整为较低的位置，且时一频窗的形状自动地变为“扁平”状；因为低频 信号在较宽的时域范围内仅有较低的频率含量，所以这种“扁平”状的时一频窗 正符合低频信号的局部时一频特性。这些特性凸显了小波变换的在时一频上良好 的自适应性。 连续小波变换的回复公式为： ( 啪) ( f ) d 6 珐曲= c d ( f ) h 掣舨佃 但忉 可作窗函数的小波函数除保持振荡性以外，其衰减速度要比允许小波快；作 为窗函数的小波函数( f ) 是由同一函数( f ) 经过平移和缩放得到的，么( f ) 在时 域和频域都要求具有较强的局部化功能【4 l 【5 】【6 】。 2 2 2 离散小波变换 对于连续小波变换来说，尺度a 、时间t 和与时间有关的偏移b 都是连续的。 如果利用计算机计算，就必须对它们进行离散化处理，得到离散小波变换( d w t ， d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 。所谓离散小波变换，就是指对尺度a 和偏移b 进行离 散化，而不是通常意义上的时间离散化。离散小波变换的一个重要问题是如何降 低计算量和数据量，因为如果对尺度a 和偏移b 离散的间隔小，那么计算量和数 据量都是相当惊人的。 将( ，) 中的连续变量口和b 取整数离散形式，其表现为： y ( f ) = 2 ”v ( 2 t - k )( 2 8 ) 相应的，离散小波变换的形式为： 盯u ，i ) = ( 八，) ，妒，j ( f ) ) ( 2 - 9 ) 因此，观察，。( f ) 的频窗表现，可得： 以。( ) 的频窗中心为 - - 2 7 酰， 其频窗半径为 l o 尘越盆捱= = 选渡簋法的堡i 金基嚣! ； a c e = 2 7 经( ，) 作用的小波变换实际上把信号，( ，) 的频率范围夕( m ) 限制在 【矿- a 。，+ 。】的子频带内，小波变换的结果是这个频带内的时域分量。小波 。( 力为一带通函数，小波变换在频域方面的局部化作用由，调节，在时域方面的 局部化作用由t 调节。 2 2 3小波函数的构造 1 9 8 6 年，s m a l l a t 和y m e y e r 在多尺度逼近的基础上提出了多分辨逼近 ( m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s ，m r a ) ，是理解和构造小波函数的统一框架。m r a 是 指一串嵌套式闭子空间逼近序列形 批。，它满足下列要求： ( i ) 单调性，c 匕c 巧+ 。亡s f ( 露) ； ( 2 ) 逼近性，q 巧= o ) ，堂l = r ( r ) ； ，t z，z ( 3 ) 伸缩性，巧= s p a n 力，。( ，) l 以( ，) = 2 ( 2 s t - k ) ，七z l ； ( 4 ) 平移不变性，庐( ，) = n c ( z t 一玎) ，以 ，2 ： ( 5 ) p ( ，一j ) ) 是r i e s z 基。即，舻( f t ) 是线性无关的，且存在常数爿与 。 b ，满足o 4 曰 的时间内，均出现了 6 次明显波动，且间隔时间基本相等，整个波形呈周期性。其每个周期即一次心动 周期，可算得其心率约为9 0 ( 次分钟) 。这是符合人体心跳频率的。该波动迅速 达到峰值后返回正常，可判断为心电信号中的r 波。不同导联检测到的r 波强弱 不同，受到的噪声干扰不同，从波形上判断，导联r 和导联l 受到的噪声干扰最 为强烈，而导联i i 和导联f 受到的干扰相对较弱。图3 3 是导联l i 同导联r 信号 的对比。 伽 佃 卯仞 佃 佃 佃 卯 图3 - 3 导联1 1 和导联r 波形细节 在导联l i 图中，以r 波为基准，观察每个心跳周期，即心电信号细节部分。 在r 波之前可发现p 波凸起的轮廓以及短暂的q 波凹陷，而在r 波之后，也能找 到s 波以及t 波的特征波形。而导联r 波形与导联j l 波形反向对应。” 不同的导联获得不同的心电图波形，但是，相同导联获得的心电图波形应该 是非常相似的。上图中所示的波形能够清楚的看出其特征波形的周期性出现，但 是，波形也因为噪声的干扰而产生大量毛刺，心电信号细节难以判断。为了获得 更清晰的波形，我们需要对采集到的心电图信号进行滤波。 3 3 噪声及常规滤波方法 由于心电信号的微弱性，并且在采集心电信号的过程中，采集端需要和人体 直接接触，故丽采集到的心电信号中包含了大量的干扰信号，如工频干扰、基线 漂移、电极接触噪声、电极极化噪声、肌电干扰、电路内部噪声和运动干扰等。 心电信号之所以对于噪声十分敏感，这是因为： ( 1 ) 被测信号属于微弱信号，需要测试系统具有较高的灵敏度并且具有信 号放大功能。而灵敏度越高，对干扰也就越敏感，因此很容易把干扰 引入系统； ( 2 ) 5 0 h z 工频干扰落在心电信号的频带范围( o - 1 0 0 h z ) 之内，而5 0 h z 工频 干扰又是普遍存在的： ( 3 ) 人体本身属于电的良导体，难以屏蔽并很容易接受外部干扰，5 0 h z i 频干扰为人体所携带，湮没了生物电信号嗍 图3 3 中可以观察到，两个导联都受到了噪声的影响。接下来我们研究心电信 号的频域特性，图3 4 即图3 - 2 中各导联信号经过傅立叶变换后的频域信息，其中 横坐标表示频率，纵坐标表示该频率处的能量大小。 图3 - 4 六导联信号频域信息 不难看出，心电信号的大部分能量都集中在4 0 h z 以下，随频率的增高呈下降 趋势。对六个导联的信号，在5 0 h z 处除i l 导外都有明显的能量变化，即为5 0 h z 工频干扰。 在心电信号的各种干扰中，以5 0 h z 工频干扰对信号的影响最大，不同导联受 到的干扰强度不同，但图3 - 4 印证了它是普遍存在的。工频干扰主要通过人体和测 量系统的输入导线的电容性耦合，以位移电流的形式引入，其强度足以湮没心电 信号。在生物学信号检测技术中，如何抑制5 0 h z 工频干扰一直是最重要的问题之 一。工频干扰信号中除了5 0 h z 基波频率分量外，还有较多的1 0 0 h z 、1 5 0 h z 等谐 波频率分量，由于频率高，可使用低通滤波器滤去。 实际应用中为解决这一问题通常需要从软硬件两个方面迸行滤波。从硬件上， 通过合理屏蔽和接地的措施，使用性能更优良的器件和浮地工作方式，可以明显 的减弱噪声，但仅仅依靠硬件并不能完全解决这一问题，而且，更多的器件会增 加设备功耗和成本，与本课题目标不符。 从软件上，有多种数字滤波技术可以采用，常用的有平滑滤波，简单整系数 带阻滤波，自适应滤波和小波变换等 ( 1 ) 固定频率的数字陷波器：采用1 1 r 或f i r 数字陷波器在固定频率5 0 6 0 h z 工频附近形成个阻带，这种方法比较简单，但当工频频率发生变 化时，抗工频干扰能力下降。但数字陷波器组阻带宽度太宽，将在滤 除工须干扰同时也造成有用信号的损失。 ( 2 ) 自适应滤波器：能够自动跟踪工频干扰的频率变化，同时能最低限度 地减少有用信息的损失。自适应信息处理算法很多，其实质而言可分 遵循最小均方( l m s ) 准则和最小平方( l s ) 准则两类。可自动调整 滤波器系数，以跟踪输入过程，实现工频干扰的抵消，但自适应滤波 器的缺点是频率跟踪范围较窄，多通道自适应滤波器还要增加一个通 道提取噪声。 ( 3 ) 独立分量分析：独立分量分析( i n d e p e n d e n t c o m p o n e n ta n a l y s i s ，i c a ) 处理的对象是一组相互统计独立的信源经线性组合而产生的混合信 号，最终从混合信号中提出各自的独立构信号分量，使用i c a 可从多 通道心电信号中分出工频干扰信号。1 c a 的缺点是使用多通道，不适 合仅有一两个通道的各类心电图设备使用。另外工频干扰其中还包含 丰富的谐波分量，以及因电网不稳定造成的其它噪声干扰，因此对工 频干扰需要设计多吸收点，以消除工频干扰的基频和谐波成分。 上述三种算法都不能很好地满足对谐波成分的吸收【。 3 4 模极大值法滤波分析 d a u b c c h i c s 小波是应用最为广泛的小波之一，它不具有对称性，但是紧支的正 交小波，适用于m a l l a t 算法。d a u b e c h i e s 小波是一系列构造方法相同的小波的统 称，使用消失矩n 来区分，用d b n 来表示。当n 增大时，d a u b e c h i e s 小波的低 通和带通特性增强，其滤波系数的个数也增多为了减少计算量，本课题选用d b 3 小波作为小波基，其尺度函数妒( f ) 和小波函数妒( f ) 如图3 - 5 所示： 法滤波的缺点之一在该尺度的高频分量，已经有了明显的周期性，这表明一部 份心电信号已经被包括在了该带通滤波器的滤波范围内。如果这些值舍去，将破 坏心电信号 尺度4 展示了心电信号被破坏的后果，我们无法从其低频分量中观察到心电 信号的特征，在其高频分量上，也有明显的周期波形该尺度低通和带通滤波范 围为肚1 6 h z 和1 6 2 h z ，完全落在了心电信号的范围内，将心电信号一分为二 该尺度及更高尺度的小波交换对心电信号的滤波已经失去了意义。 嚣“ 女十 ，5 d 1 m 鳓 麓、。r ? 嘞+ 。j ? 鸭“j 3 每j i 藩。4 ”“簟? 曦毒警j ：。1 警。峨i 。 01 2 铷埘鲫t 一：啪+ ”7 湖卿1 咖 2 2 1 弱o 朝1 1 蠲2 曲+ ，。一q o 靠百i 1 葡菊i 刍 一j 囔一l 蓦墨是勇卜j 扩1 蹦， ，一 圉3 - 6 导联r 信号4 尺度分解 上述分析也表明，使用模极大值法滤波，其尺度的选择至关重要。考虑尺度2 同尺度3 的滤波效果，尺度3 虽然包含较少的噪声，但其细节被弱化，对于诊断 不利，尺度2 成功的滤去了5 0 h z 工频干扰，虽然仍然包含一定量的噪声干扰，但 对诊断不会构成影响，而且尺度2 包含了心电信号的细节，有利于诊断。最后， 锄。，每誊。糯+带 尺度2 所需计算量少于尺度3 ，而其保留的有效信号量为尺度3 的两倍，可以降低 采样的频率，符合嵌入式应用的要求。图3 7 和图3 8 为导联r 原始信号同滤波后 信号的对比，可以看出，在保留心电信号细节的基础上，噪声干扰得到了有效的 抑制。 通过对其他导联信号的分析，可得到相同的结果。各导联不同尺度信号分解 结果见附录a ，各导联滤波前后信号对比见附录b 。可以认为，以上滤波分析方法 也适用于其他导联采集的心电信号。 综上所述，本课题使用小波分析作为心电信号软件滤波的方法是可行的。根 据分析，使用模极大值法进行滤波，选取d b 3 小波，在2 尺度变换后可获得较为 理想的滤波后心电信号。 图3 7r 导联原始信号与滤波后信号 图3 8r 导联原始信号与滤波后信号细节 4 以a i u 订为核心的硬件平台 嵌入式系统被描述为：“以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统”，由嵌入 式硬件和嵌入式软件两部分有机的结合在一起【l l 】。作为一种典型的嵌入式应用， 本课题研究的手持式心电图仪要求具有很强的可移动性，便于使用者携带，同时 也要求功能完善，能够实时对心电信号进行处理。本心电图仪采用上位杌和下位 机分开的方式，下位机集信号的采集一处理_ i 莛程传送三大功能于一体；同 时，对于这三大功能，即需要相对独立的模块化设计，又需要良好的协调。 因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针对性 的进行器件的选择和设计。我们可以遵循这样的规则： ( i ) 选择合适的处理器，尽量选择片上系统( s y 咖mo nc h i p ，s 0 c ) 设计 硬件系统，减少硬件复杂度并降低成本； ( 2 ) 选择典型电路，按照模块化设计，系统扩展与i 0 的配置充分满足应用 系统的功能要求，并留有适当冗余，以便进行二次开发。 ( 3 ) 注重软硬件结合，软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件 结构，降低能耗和设备成本； ( 4 ) 必须考虑芯片的驱动能力，有必要的可靠性及抗干扰设计它包括去耦 滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 下面，就硬件部分的设计与实现进行探讨和分析。 4 1 处理器的选择：e p 7 3 1 2 通常， ( 1 ) ( 2 ) 嵌入式系统的硬件电路包含这样两部分的内容： 系统的扩展，现代的嵌入式处理器除了核心的运算控制单元外，还包 括了片上的时钟、r o m 、r a m 、定时，计数器和中断控制器等设备，当 这些设备不能满足系统的要求时，需要在片外对其进行扩展，这就要 求设计者选择与处理器相配的兼容并设计相应的电路； 对系统1 o 设备的配置，在实际应用中，常常用到键盘、显示器、指示 灯、a d c 、d a c 等外设，这就需要设计合适的接口电路保证系统的正 常工作。 显然，嵌入式系统硬件的核心部分是嵌入式处理器，整个硬件部分应该围绕 这一核心来设计。目前，适用于嵌入式环境的处理器主要分微处理器( m p u ) 、微 控制器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 三个类别，各公司共有上千种型号。 那么如何在如此多的嵌入式处理器中选择合适的型号，在达到本课题性能要 求的同时尽量降低设备功耗、设计复杂度及成本昵? 分析后期处理模块，其处理 器的选择有这样的要求： 首先，需要处理器有较强的运算能力。e c g 信号通过采集设备发送到处理模 块中，需要处理模块进行实时的滤波和显示，为了节省器件成本，并保持设备的 低功耗和微型化，心电图仪使用软件滤波的方式消除原始