人體體表信息特征提取及其算法的研究全解

1、人體體表信息特征提取及其算法的研究全解人體體表信息特征提取及其算法的研究人體體表信息特征提取及其算法的研究學(xué)生：王洪濤導(dǎo)師：郭銀景 教授答辯提綱答辯提綱一、課題來源及研究意義一、課題來源及研究意義二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法四、脈象信號(hào)分析四、脈象信號(hào)分析致謝致謝一、課題來源及研究意義一、課題來源及研究意義1、課題來源 課題來源于橫向科研課題“移動(dòng)醫(yī)療支持系統(tǒng)用戶端設(shè)備的研制”。 該用戶端設(shè)備可拾取人體體表信息（心電、脈象、體溫），實(shí)時(shí)特征提取，信息融合，病情分析，危急病情的報(bào)警。2、研究意義 近年來，統(tǒng)計(jì)表明心腦血管疾病已成為威脅人

2、類健康的“第一殺手” ，且發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，遠(yuǎn)程醫(yī)療和社區(qū)護(hù)理可以有效地預(yù)防心腦血管疾病。然而目前大多數(shù)現(xiàn)有的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)有一個(gè)共同的不足，用戶端設(shè)備沒有病情分析和報(bào)警能力。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案1、系統(tǒng)總體方案：二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案2、生理參數(shù)采集單元：二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案2、生理參數(shù)采集單元：（1）、心電信號(hào)提取： 醫(yī)用導(dǎo)電膏式電極來拾取心電信號(hào)。 利用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，即左腿接導(dǎo)聯(lián)正極，左胳膊接負(fù)極，右腿接右腿驅(qū)動(dòng)電路來去除人體攜帶的交流共模干擾。它反映的是左胳膊與左腿電位之差。（2）、脈象信號(hào)提取： 利用壓電陶瓷作為敏感器件，用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

3、作為前置放大器。當(dāng)壓電陶瓷兩電極上的電荷量隨脈搏波壓力的變化而變化時(shí)，電荷信號(hào)經(jīng)內(nèi)阻非常大的場(chǎng)效應(yīng)管放大后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。 （3）、體溫信號(hào)提?。?利用NTC型熱敏電阻作為溫度傳感器，并為其設(shè)計(jì)了非線性補(bǔ)償電路。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案2、生理參數(shù)采集單元：（4）、濾波放大電路： 利用儀表放大器AD623來進(jìn)行信號(hào)的放大。它是在傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型儀表放大器。 采用二階壓控電壓源低通濾波，截止頻率為100Hz。（5）、雙T陷波電路： 心電、脈象信號(hào)的檢測(cè)都屬于在強(qiáng)噪聲背景下超低頻微弱信號(hào)的檢測(cè)，在信號(hào)的提取過程中，往往會(huì)引入各種干擾，其中50Hz的工頻干擾是最

4、主要的一種。因此在對(duì)信號(hào)放大前需要濾除50Hz的工頻干擾。在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量中普遍采用雙T帶阻濾波器來抑制50Hz工頻干擾。（6）、電極脫落檢測(cè)電路 佩戴的電極有可能發(fā)生脫落或者松動(dòng)現(xiàn)象，電極脫落檢測(cè)電路。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：（1）、微處理器：選用SAMSUNG（三星）公司的S3C44B0。它是基于ARM7TDMI內(nèi)核的16/32位RISC處理器。（2）、存儲(chǔ)單元： 程序放到Nor Flash SST39VF160，2M8位。 數(shù)據(jù)存放在NAND Flash K9K2G08，256M8位，采用適當(dāng)?shù)?/p>

5、無損壓縮算法就可存儲(chǔ)近一個(gè)月的體表數(shù)據(jù)。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：（3）液晶顯示：優(yōu)龍科技提供的G35_ LCD，為用戶提供良好的界面。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：（4）、藍(lán)牙模塊（CSR BCM02）要實(shí)現(xiàn)的功能：生理參數(shù)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元之間的數(shù)據(jù)無線傳輸；危急病情的報(bào)警功能。固件程序開發(fā)步驟：、將生理參數(shù)采集單元端的藍(lán)牙模塊灌入Audio Gateway程序，作為Master；、將數(shù)據(jù)處理單元端的藍(lán)牙模塊導(dǎo)入Hands Free程序,作為Slave；、開機(jī)后，Master 與Slave自動(dòng)進(jìn)行配對(duì)、連接后，建立ACL通道；

6、、數(shù)據(jù)處理單元一旦融合出危急病情，就主動(dòng)釋放掉與生理參數(shù)采集單元端的藍(lán)牙連接，同時(shí)去跟具有藍(lán)牙功能的手機(jī)配對(duì)、連接，連接成功后自動(dòng)撥打監(jiān)控中心的 號(hào)碼，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。報(bào)警完成后釋放與具有藍(lán)牙功能手機(jī)的連接，并自動(dòng)與生理參數(shù)采集單元進(jìn)行配對(duì)連接。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，大多采用單任務(wù)的順序執(zhí)行機(jī)制，應(yīng)用程序是一個(gè)無限的大循環(huán)，所有的事件都得按順序執(zhí)行，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的事件靠定時(shí)中斷來保證。這種方式的編程優(yōu)勢(shì)在于程序較為直觀，但由此帶來了一個(gè)重要的問題，那就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性較差。尤其是當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格時(shí)，這

7、種單任務(wù)機(jī)制的弱點(diǎn)便暴露無遺。 數(shù)據(jù)處理單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求都比較高，使用傳統(tǒng)的單任務(wù)編程方式很難滿足系統(tǒng)要求，為此將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)C/OS-II應(yīng)用到S3C44B0的程序設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)所要的功能細(xì)化成幾個(gè)核心任務(wù)，由C/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行，提升了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。 二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案5、抗干擾設(shè)計(jì)（1）、抑制干擾源 IC的電源與地之間并聯(lián)一個(gè)0.01F0.1F電容；提高PCB的空間耦合能力。（2）、切斷干擾傳播途徑 電路板合理分區(qū)，比如強(qiáng)/弱信號(hào)，數(shù)字/模擬信號(hào)，高/低頻信號(hào)，盡可能把干擾源與敏感元

8、器件遠(yuǎn)離；微處理器和藍(lán)牙模塊之間的地線通過一個(gè)磁珠隔離。 （3）、提高敏感元器件的抗干擾性能 布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗；微處理器使用電源監(jiān)控及看門狗電路。二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案二、系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案6、一段實(shí)測(cè)心電圖三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法1、心電圖簡(jiǎn)介 測(cè)量電極安放位置和連線方式（稱導(dǎo)聯(lián)方式）不同所記錄到的心電圖，在波形上有所不同，但基本上都包含P波、QRS波和T波，有時(shí)在T波后還出現(xiàn)一個(gè)小的U波。三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法2、心電信號(hào)預(yù)處理 在心電信號(hào)的拾取過程中，來自人體自身肌電干擾、呼吸干擾和來自外界的工頻干擾等都會(huì)使系統(tǒng)的信噪比下降，甚至

9、會(huì)淹沒微弱的心電信號(hào)，嚴(yán)重影響了對(duì)心電信號(hào)的進(jìn)一步分析和處理。因此在進(jìn)行特征提取之前要濾除或者削弱這些干擾，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以提高信號(hào)的信噪比。 本文中采用四點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波。該方法容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度快，可濾除高頻噪聲，且當(dāng)采樣率為200Hz時(shí)，還能抑制50Hz工頻干擾，對(duì)肌電和移動(dòng)通訊中的干擾也有較好的抑制作用。三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法3、特征提取算法 在心電信號(hào)特征提取過程中，最重要也是最容易提取的是R波。（1）、R波定位 R波定位算法采用的是自適應(yīng)二階差分閾值檢測(cè)算法。原理是：首先利用二階差分極小值對(duì)動(dòng)態(tài)心電信號(hào)中的R波進(jìn)行初步定位，再根據(jù)時(shí)延關(guān)系確定原始信號(hào)的一個(gè)

10、較小區(qū)間來對(duì)R波進(jìn)行精確定位。具體步驟：、預(yù)處理 對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行四點(diǎn)滑動(dòng)平均濾波，求一階差分d(n)、二階差分e(n)。、初始閾值設(shè)定 讀取一段時(shí)間的心電信號(hào)，以1/2*fs的長度對(duì)e(n)進(jìn)行劃分，求出每個(gè)區(qū)間的極小值，再求各極小值得均值，以該值的0.6倍作為初始閾值。110 .6m i n () Kit heiK三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法3、特征提取算法、定位二階差分極小值 若e(n)th,且具有上升趨勢(shì)，則認(rèn)為找到了e(n)的極小值，記錄其位置R e(i)跳過生理不應(yīng)期尋找下一個(gè)二階差分極小值。、精簡(jiǎn)二階差分極小值點(diǎn)的位置 若漏檢，需查漏；若多檢，需剔除多檢者。

11、、定位R波峰值 在一個(gè)較小的區(qū)間內(nèi)精確定位R波。、閾值自學(xué)習(xí) 利用真實(shí)的閾值對(duì)初始閾值進(jìn)行修正，一方面可使其與真實(shí)值比較接近，另一個(gè)方面，使其包含在讀ECG的部分信息，使閾值具有一定的自適應(yīng)性，使算法具有一定的魯棒性和容錯(cuò)能力。（2）、其它特征參數(shù)提取 R波準(zhǔn)確定位以后，就可以定位Q波、S波、 P波、T波和提取其它特征值：比如QRS波幅度、QRS波寬度、等電位電平、Q-T間期等。三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法原始心電信號(hào)四點(diǎn)平均濾波一階差分后三、心電信號(hào)特征提取算法三、心電信號(hào)特征提取算法R波峰值定位二階差分后識(shí)別結(jié)果四、脈象信號(hào)分析四、脈象信號(hào)分析1、脈象簡(jiǎn)介 血管的彈性舒

12、縮運(yùn)動(dòng)，振蕩著血管和血壁，形成了脈搏振蕩波。脈搏振蕩波的指感就是脈象。 將中醫(yī)理論中的脈象信號(hào)（寸、關(guān)、尺按三相分別加傳感器）提取出來，便形成了脈象圖。雖然采用不同脈象傳感器采集出來的脈圖差異較大，但其基本圖形為三主峰，由升支和降支組成。四、脈象信號(hào)分析四、脈象信號(hào)分析1、脈象簡(jiǎn)介 通過對(duì)脈圖幅值和時(shí)值的分析，可以了解脈動(dòng)的頻率和節(jié)律、脈力的強(qiáng)弱、脈勢(shì)的虛實(shí)和脈象形態(tài)特征等。 為了更好地反映脈圖特征和心血管狀態(tài)，一般取各幅度、時(shí)值參數(shù)的相對(duì)比值，如：h3/h1、h4/h1、h5/h1、(h1-h3)/h1、t1/t、t1/t4、(t4-t1)/t、t5/t4和w/t。四、脈象信號(hào)分析四、脈象信

13、號(hào)分析 脈象信號(hào)分析主要包括脈搏信號(hào)特征提取和脈象模式識(shí)別與分類2、脈象信號(hào)特征提取提取步驟：（1）利用心電信號(hào)中R波定位算法對(duì)脈象信號(hào)的主波峰值B點(diǎn)進(jìn)行定位（2）主波波峰h1定位以后，找出其快速上升沿上的上升最快點(diǎn)，并向前倒推，找到波形起點(diǎn)。相鄰兩個(gè)波形起點(diǎn)的距離即為波長，并換算出脈率；（3）隨后可依次確定h1、h3、h4、h5，w，t。提取完脈象信號(hào)的時(shí)域特征后，我們就可以對(duì)脈象進(jìn)行模式識(shí)別與分類四、脈象信號(hào)分析四、脈象信號(hào)分析3、脈象信號(hào)模式識(shí)別與分類 本論文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)脈象進(jìn)行識(shí)別與分類。 本論文僅對(duì)常見的平脈、弦脈、緩脈、細(xì)脈、滑脈、數(shù)脈6種脈象進(jìn)行了模式識(shí)別與分類，其中平脈即正常脈象，弦脈包括部分弦緊脈；緩脈包括部分虛緩脈。 應(yīng)重點(diǎn)注意兩個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出。（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)輸入層神經(jīng)元的輸入：12,Pxxx則隱含層各神經(jīng)元的輸入為：1(1,2,)Piijjiinetw xiQ 式中wij為隱層第i個(gè)神經(jīng)元與輸入層第j個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值i為隱層第i個(gè)神經(jīng)元的閾值。四、脈象信號(hào)分析四、脈象信號(hào)分析3、脈象信號(hào)模式識(shí)別與分類隱層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為Sigmoid函數(shù)，則隱層神經(jīng)元的輸出為：1()1iiinetOf nete輸出層神經(jīng)元的輸出即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出為：1(1,2, )Mkkiikiyv OkL其中，Vk