低功耗无线心电图检测系统与QRS复波检测算法研究

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Research 0n wireless ECG dectecting system ecIeteCU0n algorithm 1 J J ·JIA Yan-jiang，LI Zhen-bo，ZHANG Da-wei，CHEN Jia·pin(Key Laboratory of Thin Film and Microfabrication of Ministry of Education，Research Institute ofMicro/Nano Science and Technology，Shanghm Jiaotong University.Shanghai 200240.China)Abstract：A design method for a novel wireless 3 lead ECG detecting system with lower consumption is given.Theanalog amplifying processing circuit，data acquisition processing module based O13 STM32F103 and wirelesscommunication module based on nRF24L01 are introduced.A kind of QRS complex wave detection algorithm withlow complexity and high accuracy rate using diferential method is presented，and the effectiveness of the algorithmis verified by simulation.The ECG detecting system can be used not only in hospital patient care，but also can beused for personal care at home。

Key words：ECG detection；wireless；low power consumption；QRS complex wave0 5I 言心电图(ECG)作为人体生命体征的重要组成部分 ，现已广泛应用于疾察测、病人监护等医疗领域 。在传统疾病诊断领域，医生通过体表标准 l2导联心电图对患者进行心血管疾病诊断 ，如心率失常、心肌梗塞等。24 h动态心电图 -般被应用于重症监护病房中，实时监测重症病人的生命体征。但是这2种心电图仪均有自身的弱点。传统标准 12导联心电图仪体积较大且不能实时监测，而重症监护室中所用的动态心电图仪价格昂贵，故均不适用于普通病房和个人家庭。本文设计了-种低成本低功耗的无线心电图监测系统，可完成对病人心电体征的实时监测，既可适用于医院普通病房病人监护，又适合于个人家庭监护。

QRS复波检测在心电图信号处理中-直是-个比较热门的课题。心电图信号中最重要的信息集中于P波、QRS复波以及 T波中。由于心电信号易受噪声和工频干扰以及 T波与 QRS复波较相似，QRS复波检测并不容易进行。研究人员提出了几种 QRS复波检测算法。文献[4]提出-种基于分析尖峰位置与大小的算法，并利用-种特殊的带通滤波器消除检测误差。文献[5]提出了基于小波变换方法的QRS复波检测算法。文献[6]利用-些特殊数字滤波器在时域和频域上检测并 区分心电图信号。然而，以上算法均需要经过复杂的数学计算才能得出理想结果。

1 系统总体介绍本系统 旨在提供-个低成本、低功耗无线实时心电图检测系统的解决方案，最终 目的是将其作为-个无线传感终端 ，用于面向医院准危重病人多生理参数无线监护系统中。

收稿日期：2013)1-15基金项目：国家自然科学基金资助项目(61175100，51275285)；上夯通大学医工交叉基金资助项目(YG2011ZD01)；中国博士后基金资助项目(2012M510087)第 7期 贾延江，等：低功耗无线心电图检测系统与 QRS复波检测算法研究 33在该监护系统的无线传输网络中，所设计的心电检测系统可作为-个生理参数无线传感终端，依次通过基于点对点无线星形网络和基于 Zig Bee无线树形网络与监护站进行交互，如图l所示。

o 、、痛 房：-o 稿 竺 C埋 .、点l I 褊～ ，网 -， 蚋图1 无线传感器网络示意圈Fig 1 W ireless sensor networks diagram2 系统硬件结构无线心电图检测系统主要包含以下三部分：心电图模拟放大处理拈、采集处理拈和点对点无线通信拈。

2.1 心电图模拟放大处理拈设计心电图模拟放大处理拈包括输入缓冲、前置仪表放大、高通滤波、中间放大级、低通滤波、工频陷波以及右腿驱动电路 ，如图 2所示。

图2 心电图模拟放大拈原理框图Fig 2 Principle block diagram of ECG analogamplifying module输入缓冲以电压跟随器实现。前置仪表放大采用ADI公司单电源微功耗轨至轨精密仪表放大器 AD8236，放大10倍。仪表放大器具有输入阻抗高、共模抑制比高等优点，可有效抑制包括工频干扰在内的共模噪声。高通滤波采用- 阶有源高通滤波器，截止频率0.05 Hz。中间放大级采用同相比例放大，放大倍数为 100。整个电路放大倍数为1000倍 ，将心电图信号放大到伏级 ，满足了 AD输入和系统分辨率需要。低通滤波器选取二阶 KRC型巴特沃斯滤波器，截止频率取为100 Hz。工频陷波器采用有源双 T工频陷波电路，以消除50 Hz工频信号干扰。

右腿驱动电路可等效为以人体为相加点的共模电压并联负反馈放大电路，可以大大降低人体共模电压的影响，使共模干扰降低到 1%以下，而不会损失心电图信号中的有效信号。该电路从输入缓冲器之后经电阻提取两路输入信号的共模信号，经过反相放大后接到人体。

2.2 心电图采集处理拈设计经过放大后的心电图信号，需采用1O位以上的A/D转换器进行数字采样。又 由于心 电图信号 的主要成分在100Hz以内，因此，要求 A/D转换器采样频率至少应为200Hz以上。本系统采用 STM32F103C8作为系统主控芯片。STM32F103是-种基于 ARM Codex.M3内核的低功耗微控制器，最高72 MHz为时钟频率，其内嵌 的2路 12位逐次逼近型A/D转换器，采样频率最高可达1 MHz。本系统中，A/D转换器的采样频率取为360 Hz。

2.3 无线传输拈设计本系统无线传输拈基于 NORDIC公司 2.4 GHznRF24L01无线收发器和RFaxis公司RFX2401C射频放大器设计而成。所研制的无线拈在开阔地带传输距离可达1000 m以上。nRF24L01具有 1个发送通道和 6个接收通道，因此，可设计成如图3所示的星形网络结构。其中，点对点无线通信拈-端位于ECG终端，另-端位于Zig Bee网络节点处，参考图1。

图3 点对点星形网络示意图Fig 3 Diagram of point-to-point star network3 QRS复波检测算法3.1 基于差分运算 QRS复波检测算法基于差分运算方法 (diference operation method，DOM)的QRS复波检测算法包括2个步骤：1)通过对ECG信号进行差分运算找到R点；2)找到与此 R点相关的Q点和S点。

3.2 算法原理3.2.1 差分处理首先读取 ECG信号数据。MIT.BIH心电数据库中每组数据包含3个文件：头文件(.hea)、数据文件(.dat)和注释文件(.atr)。其中，头文件详细说明了与它关联的数据文件名字及其属性，存储方式为ASCII码字符；数据文件是以自定义的格式按二进制存储的信号原始数据；注释文件是记录心电诊断专家对信号分析的结果，主要包括心跳、节律和信号质量等，以二进制存储，格式有MIT和AHA 2种。

1)读取心电图信号数据 (n)，这里选取MIT-BIH心电图数据库中的记录103作为示例进行仿真。读取心电图信号包括解析头文件 ，载人数据文件等过程。读取出来的心电图信号如图4(a)所示。

得到波形 %(n)，如图4(b)所示。这里假设所用心电图数据是经过处理，且比较干净的心电图信号，否则，在此传 感 器 与 微 系 统 第32卷步之前需进行滤波等处理工作。

3)由于差分数据含有大量的高频成分，对于后续处理有很大影响，故需对差分数据进行截止频率为100 Hz的低通滤波处理，得到 (n)，如图4(C)所示。这里低通滤波器可以选用任意形式。

4)阈值处理：这里选取-正-负2个值 (M >O)和( Ior < 经过阈值处理后的数据如图4(d)所示。这里很重要的-点是阈值的选取，如果取值过高，可能丢失-些 R点；如果取值过低，则会产生误检测。

5)将数据分为正值和负值两部分： l露 i 露 >0 ， 0 。 else露孑： ，if d，<0 。

时间/s(a)原始心电图信号时间/s(b)经过差分运算的信号时间/s(c)低通滤波后的信号(c)signal after low-pass04>0.20时间 /s(d)经过阈值处理的信号时l司/s 时 司/s(e)正值 (D负值(e)positive value (D negative value图4 心电图信号差分处理过程Fig 4 Diferential treatment process of ECG signal3.2.2 找到R点1)寻找每-段的极值点：将数据按50个采样点每组分成不同的间隔，分别找到正负数据在这些间隔中的极值点，并标记出来。在采样频率为360 Hz的情况下，5O个采样点相当于约0.14 S的时间长度。这里仅以正信号为例，如图5所示。

2)找到正确的极值点：分2种情况：a.2个极值点的间隔小于等于5O个采样点，如图6中A， 两点所示，则较大时间/s图5 以50点为单位分成若干间隔Fig 5 Divide to intervals by 50 points的那个点为真正的极值点；b.2个极值点的间隔大于5O个采样点，如图 6中 ，c两点所示，则 2个点都是极值点。

间隔i-1 间隔 i 问 -日/ 八 A I图6 极值点分布的两种类型Fig 6 Two types of distribution of extreme point3)根据极值点找到R点的位置：这里的极值点并非R点所在的位置，而是有-定的偏差。这时候需要 回到原信号中，在之前找到的差分信号极值点左右两边各 25个采样点的距离内找到最大值点，这个点即为R点。

3.2.3 找到 Q点和 S点根据医学定义，在正常情况下，QRS复波的时间宽度约为0.04-O.11 S，在采样率为360 Hz的情况下，其宽度约为1540个采样点。例如：MIT-BIH心电数据库的 103样例的QRS复波宽度为2O个采样点。据此，定义查找间隔”，它包含 R点和 R点前后各40个采样点，如图7所示。

图 7 查找间隔”定义Fig Definition ofsearch Interval”1)定义查找间隔”。

2)寻找 Q点和s点。在查找间隔”中，R点之前的最小值点为Q点，R点之后的最小值点为S点。至此，QRS复波检测算法全部完成。

3.3 仿真结果图8为使用本文提出的QRS复波检测算法对 MIT-BIH心电数据库中Tape#103记录所做的仿真结果。通过图片可以看出：本算法可以有效提取ECG信号中的QRS复波成分。

(下转第38页)38 传 感 器 与 微 系 统 第 32卷120 IxF，开关频率5kHz。图9为实测的并联逆变器同相电流波形。

-图8 两拈并联的原理验证样机Fig 8 Two modules paraleled principle verification prototypelOO≤媲 0- 1OO0 10 2O 30 40 50f； 时间/ms0 图9 实验测取的两拈同相电流波形Fig 9 Same phase current waveform of two modulestested by experiment由图9可见，2个拈的电流并联的两拈同相电流具有很好的均衡度，同相电流差值约为 0。数据分析表明：模块间同相电流不均衡度小于 3%，验证了本文所提方法的有效性和正确性。

5 结 论本文针对逆变器无互联线并联控制系统的关键技术问题 ，通过分析逆变器输出有功功率和无功功率与逆变器输出电压的频率和幅值之间的数学关系，给出-种根据并联系统期望输出电压幅值、频率及主电路电抗等相关参数确 、 p p (上接第34页)>童时I司/s图8 仿真结果Fig 8 Simulation result4 结 论本文着重介绍了低功耗无线心电图检测系统的设计和QRS复波检测算法的实现过程。此无线心电图检测系统具有成本低、功耗低、便携式应用等诸多优点，实验中可以获得比较稳定的心电信号，配合数字滤波算法，可以进-步去除干扰，得到完整的心电信号。基于差分方法的QRS复波检测算法，不仅能正确地检测出心电信号中的 QRS复波，相比于现有的算法 ，其复杂度低的优势使其可以用于更多的诚和系统。

定电压和频率下垂系数的方法，并根据傅立叶变换系数关系，给出-种逆变器输出有功功率和无功功率的快速数字检测方法。仿真和实验结果表明：采用本文所给出的设计方法可以获得较好的功率分配和电流均衡控制效果，所采用的方法是正确 、有效的。