基于ARM9芯片AT91SAM9261S的心電診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　O 引言

　　近年來(lái)，心臟病的發(fā)病率不斷上升，便攜式的移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備成為心臟狀況不良好的人們的迫切需要。既要考慮設(shè)備方便攜帶和使用，同時(shí)要保證心電信號(hào)得到高質(zhì)量的分析和處理，這就需要選用盡量?jī)?yōu)化的硬件、軟件資源來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。硬件選用AT91SAM9261S芯片，并加入液晶屏，SD卡等外圍部件組成設(shè)計(jì)所需的硬件測(cè)試平臺(tái)，相應(yīng)地，選擇軟件開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench IDE 5.4。

　　1 系統(tǒng)的工作原理

　　該測(cè)試平臺(tái)以AT91SAM9261s為核心，該款ARM9芯片工作于190 MHz時(shí)性能高達(dá)210 MIPS，分別具有16 KB數(shù)據(jù)緩存和16 KB指令緩存，32 KB片內(nèi)ROM和16 KB片內(nèi)SRAM，這些特征保證了整個(gè)心電系統(tǒng)工作的可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　系統(tǒng)的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)如圖1所示，從SD卡內(nèi)讀取心電信號(hào)，進(jìn)行前置處理和特征分析，通過(guò)RR間期及QRS波的寬度等進(jìn)行心電疾病的診斷，如果正常則不進(jìn)行信息反饋，如果有某種心電疾病，則給出反饋信息，監(jiān)護(hù)人員可以結(jié)合心電疾病情況給出相應(yīng)的處理。

　　2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 軟件測(cè)試環(huán)境的建立

　　具體需要完成的工作包括底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)、μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植。

　　在IAR Embedded Workhench IDE 5.4開發(fā)環(huán)境下，建立工程，將μC/OS操作系統(tǒng)和μC/GUI移植進(jìn)來(lái)，通過(guò)Jlink進(jìn)行調(diào)試，保證硬件的正常工作，為了順利讀取SD卡中存儲(chǔ)的心電信號(hào)(dat格式)，還需要將FAT文件系統(tǒng)移植到工程中。移植過(guò)程中，參照AT91SAM9261S的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)配置，首先是系統(tǒng)CPU主頻配置和液晶屏有關(guān)的硬件接口配置(包括數(shù)據(jù)傳輸端口和SPI口的配置等)，與液晶屏的最高工作頻率相對(duì)應(yīng)，這里配置系統(tǒng)工作頻率為174 MHz，其他還有各項(xiàng)寄存器的設(shè)置，而μC/GUI和FAT文件系統(tǒng)的移植只需要修改相關(guān)參數(shù)，如LCD屏的各項(xiàng)參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)的寄存器地址等。這樣就可以編寫系統(tǒng)所需的界面，方便心電信號(hào)各項(xiàng)波形和結(jié)果的顯示。

　　2.2 心電信號(hào)處理與分析

　　這里采用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)的心電信號(hào)，在讀取dat文件后，按照其存儲(chǔ)格式進(jìn)行解析和降采樣，可以得到原始的心電信號(hào)，接下來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理和分析。

　　2.2.1 前置處理

　　心電信號(hào)的頻率在O.05～100 Hz之間，其中含的常見噪聲有：60 Hz工頻干擾及其各次諧波，由于呼吸運(yùn)動(dòng)和電極運(yùn)動(dòng)等所產(chǎn)生的頻率小于5 Hz的干擾和肌肉收縮所產(chǎn)生的肌電噪聲。為了得到正常的心電波形，必須要把這些干擾濾除，考慮到QRS波群的中心頻率在17Hz附近且?guī)捈s為10 Hz，這里采用了低通濾波、高通濾波及梳狀濾波器。

　　考慮到AT91SAM9261S的數(shù)字運(yùn)算能力和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，低通濾波和高通濾波采用了簡(jiǎn)化的FIR濾波，濾波系數(shù)在Matlab環(huán)境下通過(guò)firl函數(shù)獲得，實(shí)現(xiàn)了0.05 Hz的線性相位高通濾波器和100 Hz的線性相位低通濾波器。這里高通濾波器的系數(shù)為：b=[O.000 0，O.000 2，O.999 2，-O.000 2，O.000 O];a=[1.000]，低通濾波器的系數(shù)為：b=[O.011 1，0.488 9，O.488 9，0.011 1];a=[1.000]。這里設(shè)計(jì)的陷波器用到了減法技術(shù)，采用一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)減去一個(gè)具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出，得到一個(gè)具有尖銳陷波特性的陷波器(NOTCH)，其原理如圖2所示。

　　該陷波濾波器實(shí)際上是一個(gè)梳狀濾波器，其傳遞函數(shù)為：

　　式中：Q=R/P。

　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采樣率Fs為360 Hz，工頻干擾Fc為60 Hz，則P=Fs/Fc=6，n和R決定了濾波器的阻帶帶寬，通過(guò)參數(shù)調(diào)整，該系統(tǒng)選取n=2，R=162，則有Q=27。上述濾波器對(duì)60 Hz工頻及其諧波和基頻干擾有較好的濾除效果。

　　2.2.2 波形檢測(cè)與分析

　　波形分析包括QRS波群和P，T波的檢測(cè)標(biāo)記。關(guān)于QRS波群檢測(cè)部分，計(jì)算差分信號(hào)y(n+1)-y(n-1)，結(jié)合原心電信號(hào)和差分信號(hào)的閾值設(shè)定及差分信號(hào)符號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)R波的存在，并計(jì)算RR間期同時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤R波的去除，之后依照Q，S波的特性在R波前后確定QRS波群的位置，P，T波也是參照QRS波群的位置結(jié)合差分值變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

　　3 系統(tǒng)的結(jié)果顯示與分析

　　該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)自動(dòng)診斷，作出心電情況的判斷并反饋，給出了各項(xiàng)波形和特征值的直觀顯示和標(biāo)記。在μC/GUI下編寫自己需要的界面，方便對(duì)心電信號(hào)的各項(xiàng)檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行顯示，如圖3所示，可以畫出心電波形和差分信號(hào)并進(jìn)行R波標(biāo)記。

　　這里對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的時(shí)間測(cè)試，在心電數(shù)據(jù)寬度為3min，即數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為64 800(即360×180)的情況下，整個(gè)處理分析所花時(shí)間小于2s，整套處理分析算法很好地達(dá)到了實(shí)時(shí)性要求。下面給出系統(tǒng)所用算法對(duì)MIT-BIH標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)中的心電信號(hào)(取前12 000個(gè)點(diǎn))的R波檢測(cè)結(jié)果，如表1所示，總的R波檢測(cè)正確率為96.93%，準(zhǔn)確的R波檢測(cè)對(duì)后續(xù)進(jìn)一步檢測(cè)診斷工作提供了有力的保障。

　　說(shuō)明：測(cè)試文件有100，101，102，103，105，106，107，111，112，113，114，115，116，117和118。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文描述了心電疾病自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了硬件端的驅(qū)動(dòng)和軟件端的信號(hào)處理與分析顯示。采用的算法簡(jiǎn)單有效，符合小型疾病診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)，該系統(tǒng)還有很多不足的地方，如硬件平臺(tái)的擴(kuò)展、心電算法的完善等，需要后續(xù)的進(jìn)一步改進(jìn)。