基於AR模型便攜式心率變異系統的設計與實現論文
摘 要:筆者主要闡述便攜式心率變異系統包含硬件設計和軟件設計,利用快速中值濾波方法去除基線漂移,自適應R波差分法查找R-R間期,採用AR模型中的Marple算法進行頻譜估計,系統綜合考慮監測儀在集成輕型化、微小化、一體化、可視化、智能化等優點爲一身,並在實際應用中取得良好的效果。
關鍵詞:便攜式;心電信號;R波檢測;AR模型
1 概 述
近年來據大量的臨牀研究表明,已經充分肯定了自主神經活動與多種疾病有關係,特別是與某些心血管疾病的死亡率相關。心率變異(Heart rate variability,HRV)又稱爲心率波動性,是從連續心電信號中分析R-R間期的微小變化,產生於自主神經系統對心臟竇房結的調製,使得心跳間期存在微小毫秒的差異或波動,來反應心臟交感神經和迷走神經活動的緊張性和均衡性,是一種應用於檢測自主神經活性非侵入性指標。近年來很多研究表明,心臟性猝死、高血壓、冠心病、AMI、心力衰竭、睡眠呼吸暫停綜合徵、糖尿病等疾病的HRV分析均顯示出有交感神經活動偏優勢,迷走神經張力下降。所以,HRV是一種能方便揭示人體植物神經系統控制狀態的方法,不僅能評價心臟的各種病理狀態,而且反映交感神經和迷走神經平衡活性來解釋功能性疾病發生機理,因此具有良好的應用前景。以往需要到醫院才能檢測這些指標,而市場上專用應用於測量心率變異的便攜式設備更是少之甚少,因此人們平時無法在生活中實時評價勞動強度負荷度,尤其是勞動強度大的`職業人或運動員及老年人。爲了讓人們在生活中時刻關注自身身體健康,便攜式醫療器械隨着智能化產業的發展,受到越來越多的人們的關注。筆者所闡述的基於AR模型便攜式心率變異監測系統的設計是綜合考慮攜帶方便化、可視化、一體化、輕型化等特點,能實時記錄和顯示心電圖信號及心率變異,同時由於它的結構簡單輕盈適合推廣到家庭、個人使用。
2 系統設計
2.1 主要特徵
上位機軟件相容智能手機及Windows操作系統,使用方便、美觀、大方;硬件主機採用神念集成智能芯片,設計上採用便攜式耳機方式,使用攜帶方便,使用檢查無需特殊環境,保護個人隱私;軟件設計保留傳統心電信號波形的基礎上,實時計算心率,並具有可選擇性的分析心率變異,系統可以透過藍牙和網絡通訊,將監測數據定期發送指定服務器存儲或到遠程診療中心;心率異常報警,本系統可以透過設定心率報警閾值,在實時監測心率信號時,發現異常,本系統發出警告聲,同時提供精確測量心率覈實功能,確保資訊真實可靠。
2.2 系統組成結構 本系統主要有適用於Windows系統、智能手機系統的上位機軟件、硬件採集器及電極所構成,見圖1。 圖1 系統應用連接示意圖 可攜帶心率變異監測儀採用BMD101芯片作爲心電採樣單片機和CSR-8635低功耗藍牙模組等硬件設計,並透過硬件內部編程和上位機軟件編程算法來實現一系列計算功能。其基本原理:由電極從手腕部(心尖部)獲取脈搏(心電)信號,經前置電路放大、濾波處理後,透過BMD101芯片將模擬信號轉換爲數字信號輸出。將處理過的數字信號透過藍牙通訊傳輸到上位機軟件(智能手機或計算機)來顯示、存儲及計算等一系列心率變異計算,若發現監測值超出設定閾值,上位機軟件或硬件均發生異常報警。 本系統設計主要的特點是便攜式可攜帶設備實時獲取用戶心電信號,心電信號是一種非常微弱的生物電信號,常規獲取的心電信號中伴有工頻干擾、肌電干擾、基線漂移。透過一系列濾波後,計算相鄰心電R波之間R-R間期,記錄最近兩分鐘R-R間期按時間進行有序插值,然後對整理過的心率R-R時間有序信號進行時域和頻域分析。將分析數值透過上位機軟件顯示。
2.3 移動式硬件設計
2.3.1 電源電路(見圖2) 圖2 電源電路 電池採用3.7V充電鋰電池,由U5Q5L1和D3構成電源BUCK電路,透過電阻R17R18R19調節輸出,使得輸出電壓適合MCU工作電壓+3.3V。
2.3.2 信號採集電路(見圖3) 圖3 信號採集電路 人體心電透過J2觸點輸入到U4信號採集芯片BMD101內部,D1D2構成電壓鉗位保護U4,C10C11爲U4提供去耦和濾波。人體心電信號經過U4信號採集芯片處理後轉化爲數字信號,數字信號透過芯片帶有的串行接口經過R9R14傳輸到MCU中。
2.3.3 數據處理和發送電路(見圖4) 圖4 數據處理和發送電路 MCU採用意法半導體的ARM芯片,採用COTEX-M3系列,其主頻可以透過PLL倍頻到72M,以提高數據處理能力。MCU接收到BMD101發送過來的數據後,進行有效數據提取,並轉化爲心電數據。心電數據再透過MCU和藍牙模組HM-06連接的接口發送到藍牙模組。藍牙模組再發送到上位機上。
2.4 客戶端軟件設計 客戶端軟件是基於Visual Studio2008平臺採用VB語言適用於Windows操作系統和基於Android Studio插件採用VC語言實現適用於Andorid操作系統。
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