答辯1(成清清)課件

1、基于無線傳感器的實時心電采集及分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) 答辯人：成清清 導(dǎo) 師 ：吳蒙教授 專 業(yè) ：信號與信息處理2013.3.30論文框架41235心電信號產(chǎn)生機理及特點 心電信號采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計QRS波群的檢測及系統(tǒng)性能分析 緒論6總結(jié)與展望 LabVIEW串口通信及ECG波形預(yù)處理研究背景及意義意義背景病人 醫(yī)院心電監(jiān)護儀價格昂貴醫(yī)療條件的限制，無法讓普通的患者進行長期留院觀察1、便攜式心電采集系統(tǒng)能長時間連續(xù)、動態(tài)的記錄心電信號 并自動分析心臟的活動狀態(tài)。2、減輕目前的醫(yī)療壓力。3、確保病人病情的穩(wěn)定。心血管疾病發(fā)病率升高心血管疾病種類多，做定期檢查無法準(zhǔn)確診斷研究現(xiàn)狀心電濾波 經(jīng)典濾

2、波方法通常有平滑濾波、IIR/FIR濾波等。隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在濾波方法通常是基于小波技術(shù)。QRS特征波提取 差分閾值法、濾波器法、模板匹配法、小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、數(shù)學(xué)形態(tài)法等。采集傳感器高質(zhì)量、低功耗、便攜式論文框架41235心電信號產(chǎn)生機理及特點 心電信號采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計QRS波群的檢測及系統(tǒng)性能分析 緒論6總結(jié)與展望 LabVIEW串口通信及ECG波形預(yù)處理1、心電信號易受外界干擾呈現(xiàn)不規(guī)律性，無法用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述2、這種隨機性也服從周期規(guī)律 測量時由于呼吸作用、肌肉顫動及儀器內(nèi)部的熱噪聲造成強干擾1.幅值為04mv2.頻帶范圍為0.05Hz100Hz隨機信號強噪

3、聲干擾低幅值、低頻率特點心電信號特點V= VLA - VRA，測量的是左臂和右臂之間的電位差 V = VLL - VRA，測量的是左下肢和右臂的電位差 V = VLL - VLA，測量的是左下肢和左臂的電位差 RL接右腿驅(qū)動電路的輸出端心電信號測量方法標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián) 標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)的連接方式簡單，反映的是兩肢體間的電位差。 能記錄到清晰的心電波形，較好的反映心臟的健康狀況，如心率失常、心肌梗塞等。系統(tǒng)總體設(shè)計方案 系統(tǒng)按模塊劃分為兩部分：下位機系統(tǒng)和上位機應(yīng)用程序。下位機用來采集心電數(shù)據(jù)，上位機則用來處理、分析、顯示數(shù)據(jù)。在上位機程序的控制下，下位機將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，再由功能強大的PC機進行分

4、析處理、保存及顯示 ?？傮w設(shè)計框圖對硬件電路要求增益大高輸入阻抗頻率特性好 低噪聲、低漂移高共模抑制比對硬件電路的要求硬件電路框圖信號調(diào)理電路LabVIEW與單片機的串口通信 完成任務(wù)包括：串口通信協(xié)議參數(shù)的設(shè)置，PC機發(fā)送指令給單片機并讀取單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)。 串口通信程序數(shù)據(jù)的保存數(shù)據(jù)的恢復(fù)與回放單片機以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，LabVIEW接收的串口數(shù)據(jù)以字符串形式顯示的，所以需恢復(fù)成心電數(shù)據(jù)的實際值。一大堆沒有明顯規(guī)律的心電數(shù)據(jù)是沒有價值的，需將恢復(fù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形，即回放。將采集的數(shù)據(jù)以文本形式進行保存，便于以后調(diào)用分析。小波理論 小波變換是一個時-頻域可調(diào)的窗口，a越大，波形的變化就越緩

5、慢，此時時間軸上觀察范圍大，頻域軸上為低頻小波，用于分析信號概貌；反之，a越小，波形的變化就越快，此時時間軸觀察范圍小，頻域軸上為高頻小波，用于分析信號細節(jié)。 小波的時-頻特性小波去噪考慮的三要素噪聲與信號的頻帶分布小波基的選擇特征尺度的選擇與心電信號最相似的db6小波基進行8尺度小波分解小波去噪的三種方法改進方案濾除基線漂移 基線漂移是低頻信號，它的小波分量主要集中在尺度28上。選用db06小波對心電信號進行8尺度分解，將17 尺度下的小波分量作為自適應(yīng)器的參考輸入信號，它滿足與基線漂移無關(guān)而與帶其他干擾的信號相關(guān)的條件。濾除基線漂移框圖 LMS算法不斷調(diào)整權(quán)重矢量，當(dāng)均方誤差達到最小時，濾

6、波后的信號y(t)趨近于不含基線漂移的信號 仿真結(jié)果 結(jié)果表明，改進的濾波方法能有效地濾除基線漂移，還能保護信號的低頻有用信息。改進方案濾除高頻噪聲 不同頻率的有用信號經(jīng)小波分解后在不同尺度上小波系數(shù)是不同的，若用統(tǒng)一閾值處理難以取得較好的濾波效果。 改進方案：據(jù)小波系數(shù)平均值的大小將信號分為有用信號段、過渡段及噪聲段，不同信號段采用不同的閾值處理。濾除高頻噪聲框圖仿真結(jié)果 采用多閾值分析方法，不僅較好地去除高頻噪聲（包括肌電干擾和工頻干擾），而且還很好地保留了信號的有用部分，使心電信號的失真較小。R波檢測 考慮到一種方法檢測的R波都有可能由于噪聲干擾而使檢測結(jié)果存在漏檢或誤檢，僅憑一種檢測算

7、法是很難檢測究竟是漏檢或誤檢了哪個R波 。R波檢測原理自適應(yīng)差分閾值算法對信號起到非線性放大和整流的作用，提升信號高頻成分能量對經(jīng)過差分運算的信號進行平方運算 自適應(yīng)閾值檢測峰值點相當(dāng)于一個高通濾波器，消除信號中的低頻（P波、T波）成分 平滑信號A(a) 取14秒心電數(shù)據(jù)分成7段，計算每段的最大差分值的絕對值。去除求得的7個最大差分值中的最大值和最小值，然后對剩余的5個數(shù)取平均，再乘以3/4作為初始檢測閾值X； (b) 當(dāng)信號值大于閾值X時，記錄這個信號值及其位置，該位置就是所尋找的R峰點；(c) 將找到的R峰幅值和之前的檢測閾值求和取平均再乘以3/4，得到新的閾值；(d) 返回步驟(b)。自

8、適應(yīng)小波閾值算法特征尺度的選擇小波基的選擇樣條小波同時具備最小支集、正交對稱性、頻率特性好、分辨率好、頻帶相干小、光滑性好等特點 。QRS波的能量主要集中在23和24上，而且在23上的能量最大，在其它以23為中心變大或變小的尺度上，QRS波群的能量都是逐漸降低的 ，所以選擇前5尺度分解。B（1）對預(yù)處理后的ECG信號利用二次樣條小波進行5尺度分解（2）在23上分別確定正負初始閾值A(chǔ)1和A2；（3）在23上利用(2)中的A1和A2檢測正負模極大值對，并檢測極值對間的零交叉點，即R峰位置；（4）利用信號奇異點與對應(yīng)零交叉點間的穩(wěn)定時移 (2j-1)/2進行修正；（5）采用自適應(yīng)方法重新確定閾值，重

9、復(fù)(3)。R波模極大值的確定 結(jié)果表明，在23上檢測R波的干擾較小，本文提出的自適應(yīng)小波閾值算法能較精確地檢測R波，相對于差分閾值算法，它較好的保留了QRS特征波形的完整信息。檢測結(jié)果R波誤檢漏檢判定原則第一原則第二原則第三原則根據(jù)心臟的活動特點，心臟收縮一次后，將有一段延續(xù)時間為200ms的“不應(yīng)期”，這期間內(nèi)，心臟不可能再一次收縮。距一個R波200ms之后檢測到的R峰，若其幅度不是前一個R波的40%160%，則認為是強噪聲干擾并將其濾除。若檢測到的R-R間期大于正常值的2.5倍，則認為有漏檢R波的可能，應(yīng)減小閾值，重新檢測。心率分析 R-R間期：兩個連續(xù)R波之間的間隔 。R-R間期的平均值

10、算法為： 心率：心臟每分鐘跳動的次數(shù)。正常情況下，竇房結(jié) 每分鐘能產(chǎn)生60100次興奮，所以正常成人的心率為60100次/分鐘 。 平均心率 = 60/R-R平均間期系統(tǒng)性能的分析（一）編號實際QRS個數(shù)檢出的QRS個數(shù)誤檢個數(shù)誤檢率100747400105858322.3%111707111.4%112858411.2%2008686002031029932.9%232575700234919011.1%總誤檢率1.1% 實驗室由于心律異常樣本的限制，系統(tǒng)的性能首先通過調(diào)用MIT-BIT心律數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行驗證。實驗者編號實際心率檢測的心率誤檢個數(shù)誤檢率1747222.7%2696634.3%3707111.4%4908822.2%5787533.8%6767822.6%7747045.4%8747511.3%總誤檢率3.0% 將波形預(yù)處理算法和QRS波群提取算法應(yīng)用到實際系統(tǒng)，并以實時采集的心電信號驗證系統(tǒng)的性能。實驗樣本是采集實驗室人一分鐘的心率 。系統(tǒng)性能的分析（二）總誤差率不超過5% 按照功能需求劃分為三個模塊：初始化模塊（串口通信模塊）、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。 系統(tǒng)界面設(shè)計論文框架41235心電信號產(chǎn)生機理及特點 心電信號采集系統(tǒng)