基于A(yíng)T91SAM9261S的心電疾病診斷系統設計

近年來(lái)，心臟病的發(fā)病率不斷上升，便攜式的移動(dòng)心電監護設備成為心臟狀況不良好的人們的迫切需要。既要考慮設備方便攜帶和使用，同時(shí)要保證心電信號得到高質(zhì)量的分析和處理，這就需要選用盡量?jì)?yōu)化的硬件、軟件資源來(lái)實(shí)現相應的功能。硬件選用AT91SAM9261S芯片，并加入液晶屏，SD卡等外圍部件組成設計所需的硬件測試平臺，相應地，選擇軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench IDE 5．4。

1 系統的工作原理

該測試平臺以AT91SAM9261s為核心，該款ARM9芯片工作于190 MHz時(shí)性能高達210 MIPS，分別具有16 KB數據緩存和16 KB指令緩存，32 KB片內ROM和16 KB片內SRAM，這些特征保證了整個(gè)心電系統工作的可靠性和實(shí)時(shí)性。

系統的總體規劃設計如圖1所示，從SD卡內讀取心電信號，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，監護人員可以結合心電疾病情況給出相應的處理。

2 系統的軟件設計

2．1 軟件測試環(huán)境的建立

具體需要完成的工作包括底層驅動(dòng)開(kāi)發(fā)、μC／GUI和FAT文件系統的移植。
在IAR Embedded Workhench IDE 5．4開(kāi)發(fā)環(huán)境下，建立工程，將μC／OS操作系統和μC／GUI移植進(jìn)來(lái)，通過(guò)Jlink進(jìn)行調試，保證硬件的正常工作，為了順利讀取SD卡中存儲的心電信號(dat格式)，還需要將FAT文件系統移植到工程中。移植過(guò)程中，參照AT91SAM9261S的數據手冊進(jìn)行各項參數配置，首先是系統CPU主頻配置和液晶屏有關(guān)的硬件接口配置(包括數據傳輸端口和SPI口的配置等)，與液晶屏的最高工作頻率相對應，這里配置系統工作頻率為174 MHz，其他還有各項寄存器的設置，而μC／GUI和FAT文件系統的移植只需要修改相關(guān)參數，如LCD屏的各項參數，讀取數據的寄存器地址等。這樣就可以編寫(xiě)系統所需的界面，方便心電信號各項波形和結果的顯示。

2．2 心電信號處理與分析

這里采用MIT-BIH心電數據庫的心電信號，在讀取dat文件后，按照其存儲格式進(jìn)行解析和降采樣，可以得到原始的心電信號，接下來(lái)對其進(jìn)行處理和分析。

2．2．1 前置處理

心電信號的頻率在O．05～100 Hz之間，其中含的常見(jiàn)噪聲有：60 Hz工頻干擾及其各次諧波，由于呼吸運動(dòng)和電極運動(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附近且帶寬約為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的數字運算能力和系統的實(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，濾波系數在Matlab環(huán)境下通過(guò)firl函數獲得，實(shí)現了0．05 Hz的線(xiàn)性相位高通濾波器和100 Hz的線(xiàn)性相位低通濾波器。這里高通濾波器的系數為：b=[O．000 0，O．000 2，O．999 2，-O．000 2，O．000 O]；a=[1．000]，低通濾波器的系數為：b=[O．011 1，0．488 9，O．488 9，0．011 1]；a=[1．000]。這里設計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，其傳遞函數為：

式中：Q=R／P。

實(shí)際應用時(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)參數調整，該系統選取n=2，R=162，則有Q=27。上述濾波器對60 Hz工頻及其諧波和基頻干擾有較好的濾除效果。

2．2．2 波形檢測與分析

波形分析包括QRS波群和P，T波的檢測標記。關(guān)于QRS波群檢測部分，計算差分信號y(n+1)-y(n-1)，結合原心電信號和差分信號的閾值設定及差分信號符號的變化來(lái)檢測R波的存在，并計算RR間期同時(shí)進(jìn)行錯誤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波群的位置結合差分值變化來(lái)進(jìn)行檢測。

3 系統的結果顯示與分析

該設計可以實(shí)現心電信號自動(dòng)診斷，作出心電情況的判斷并反饋，給出了各項波形和特征值的直觀(guān)顯示和標記。在μC／GUI下編寫(xiě)自己需要的界面，方便對心電信號的各項檢測分析結果進(jìn)行顯示，如圖3所示，可以畫(huà)出心電波形和差分信號并進(jìn)行R波標記。

這里對該系統進(jìn)行了嚴格的時(shí)間測試，在心電數據寬度為3min，即數據點(diǎn)數為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到了實(shí)時(shí)性要求。下面給出系統所用算法對MIT-BIH標準心電數據庫中的心電信號(取前12 000個(gè)點(diǎn))的R波檢測結果，如表1所示，總的R波檢測正確率為96．93％，準確的R波檢測對后續進(jìn)一步檢測診斷工作提供了有力的保障。

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

4 結語(yǔ)

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