新型三导联无线ECG设计与其处理算法研究

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发布时间：2014-10-12

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心电图(ECG)反映了心肌细胞生物电位的变化，是医生对患者进行心血管疾病诊断(如心肌梗塞、心率异常等)的重要依据。传统12导联心电图仪存在体积较大、不易便携等缺点。动态便携式心电Hoher也因价格昂贵很难普及到个人家庭〖虑到心脏病突发性的特点，研发便携式、小型化、低功耗无线心电监护产品就显得尤为重要。目前相应三导联无线 ECG研究报道较少，其中，Hang J H开发了- 种基于 PDA监护的三导联无线 ECG1 J，Zhang S设计- 种可通过GSM远程监护的三导联无线ECG ，张石也设计了-种基于 $3C2410平台的三导联远程心电监护系统。然而，以上三导联无线 ECG的模拟前端都是采用常用的分立式元器件设计，仍然存在体积较大、功耗较高、成收稿日期：2013-02-26本较高的缺点。

心电信号特征参数检测是诊断分析的关键，而QRS波是 ECG检测的首要问题。由于心电信号易受噪声和工频干扰以及 QRS波与 T波较相似，QRS波检测并不容易实现。目前，QRS波检测方法较多，如小波变化法、模板匹配法引、数学形态法、差分法等。上述方法各有优缺点，相比而言，差分方法在运算量和正确率两者之间比较折中。然而，对于三导联无线 ECG而言，目前，基于差分法的研究成果的计算量仍然较大。本文给出-种基于 ADS1291和 STM32L162三导联无线 ECG的设计方法，与此同时，介绍了-种新的具有运算量低、正确率高等优点的 QRS波检测方法。

传感器与微系统第32卷1 系统结构设计以便携式、小型化、低功耗为目标，所设计的三导联无线ECG主要包含括：数据采集拈、数据采集控制与处理拈、无线通信拈和电源管理拈。其系统结构框图如图1所示。

图1 三导联无线 ECG结构框图Fig 1 Structure block diagram of wireless 3 lead ECG数据采集拈采用TI公司用于生物电势测量单通道24位 A/D转换模拟前端 ADS1291，其不仅内置可编程增益放大器PGA、基准Reference和板载振荡器 Oscilator，且将心电应用的所有常见功能集于-身，比如：通道选择MUX、右腿驱动 RLD、掉线检测 Lead.off等。与现有分立式芯片实现方案相比，可将 PCB尺寸缩小52%、功耗降低89%、组建数量减少75%。另外，24位A/D转换精度可以降低通道的放大倍数，从而降低引入噪音、提高心电信号检测的分辨率。ADS1291主要特性：每通道功耗为335zW，输入参考噪音小于8 V，采样速率为125 sps8 ksps，共模抑制比为 105dB。

选择基于 Cortex-M3内核的超低功耗微控制器STM32L162作为三导联无线 ECG的数据采集控制与处理拈。与其他基于 ARM7，ARM9，Contex-M8相比，该微控制器除了保留很强的计算能力和丰富的外设，而且具有极低的功耗(工作频率为8 MHz时的电流损耗仅为2 mA)。

STM32L162负责控制ADS1291完成心电信号的采集，进行、数字FIR低通滤波、5O Hz限波、QRS波检测、心率计算等数据处理，之后控制无线通信拈完成数据传输。

无线通信拈主要完成心电数据未来到病人手持设备或监护站的传输，以便可使该三导联ECG作为-个无线传感终端使用。选用低功耗(工作/待机电流 12.3 mA/22 A)、多频点(125个)、高速率(2 Mbps)、低工作电压(1.9-3.6V)的射频收发芯片nRF24L01来实现数据无线传输。nRF24L01具有1个发送通道和6个接收通道，可实现点对多点通信、组成星形网络结构。所设计的无线收发器体积为19mil×12mill，开阔地传输距离可达30m。

电源管理拈主要有2个部分：-是为提供具有较低噪音的LDO电压拈(TPS79933，输出3.3 V，噪音29.5 VRMS)；二是基于 BQ24060锂离子电池(560mAh)充电模块。

2 心电处理算法三导联无线ECG处理算法主要包括：数字FIR低通滤波(100 Hz)、50 Hz限波、qRS波检测、心率计算等数据处理〖虑QRS检测在ECG中重要性和复杂度，重点介绍- 种基于差分运算的QaS复波检测方法，主要包括3个步骤：1)通过对ECG信号进行差分运算；2)找 R点；3)找与每个R点相关的Q点和s点。

2.1 差分运算1)读取ECG信号数据 (It)(以MIT-BIH心电数据库中记录 116为例进行阐述，如图2(a)所示)。

2)对ECG信号进行差分运算： (It) (It)- (It-1)，如图2(b)所示。

3)通过截止频率为100 Hz FIR低通滤波器去除差分数据 (n)中所含的高频成分，等到帅(n)，如图2(c)所示。

4)阈值处理，选取2个阈值 (A >O)，A。(A <0)，使小于A 且大于的曲(n)都变为 0，即 (n)0(A。>册 (n)>A2)， (It) 研 (It)(A1< 嘏 (n)，蛳，(凡)

·5)取值为正的数据，如(rt)0( (n)<0)，d爪(n) 加(n)(Xdm(n)>O)，如图2(e)所示。

2.2 R点寻找1)寻找 (It)中的极值点∩将数据 (n)以Ⅳ个采样点为间隔分成不同的段，分别找到X，dm(n)在这些间隔中的极值点。Ⅳ的取值与心电采样率F有关，且 r/F过大易漏检，N/F过蝎会增加极值点识别的复杂度。

考虑正常人 QRS波不会超过 0.11 S，这里，以N50，F360为例，即每5O个采样点相当于约0.14S的时间长度，如图2(f)所示。

2)识别 (n)中正确的极值点。在此分2种情况：a.如果2个极值点间隔 ≤5O，则较大点为正确的极值点(见图2(f)中2.2-2.4 S之间的点)；b.如果 2个极值点间隔f>50，则它们都是正确的极值点。

3)根据识别出的极值点寻找到R点的位置。由于进行了差分运算，故极值点并非 R点所对应的位置，存在-定的偏差，可回到原始信号中寻找。本算法将在差分信号极值点两边各25个采样点范围内出现的最大值点作为识别出的 R点。

2.3 Q点与 S点寻找通常，由于 QRS波的时间宽度约为0.04-O.11 S，其宽度约为1540个采样点(以采样率 F360为例)。因此，可在R点前后各4O个采样点这-段时间间隔中寻找R点第 5期张大伟，等：新型三导联无线 ECG设计与其处理算法研究 37之前的最小值点和R点之后的最小值点，即分别为 Q点、S点。

4耋 20- 2- 4时间/s(a)原始信号时间 /s(b)差分时间，s(e)滤波(c)filtering时间/s(e)取正(e)round时间/s(d)阈值处理时间 /s(0R点寻找(f)R point search图2 基于差分运算 QRS波检测过程Fig 2 QRS detection process based on diferential operation3 实验为了验证所提出的三导联无线 ECG设计和 QRS波检测方法的可行性，制作了-种原理样机。该样机模拟胸导联 V5的连接方式进行心电检测的实验嘲如图3所示，实时处理后的心电数据通过无线传输给上位计算机。图4给出了从原始心电信号中检测出QRS波的实现过程。其中，图4(a)为原始心电波经过截止频率为100HzFIR低通滤波器的输出，可以看到，尽管采用了右腿驱动还是有存在- 定的5O Hz工频干扰；图 4(b)为心电波随后经过 50 HzFIR陷波器的输出，可以看出噪音已基本去除；图4(c)为QRS波检测的实验结果。经实际测试，该原理样机主要性能指标如下：1)输入参考噪音有效值小于l V，采集板单边尺寸小于3 cm；2)l2 bit-AD采样率360；3)连续无线采集(含数据分析)功耗小于20mA(3.3V)，工作时间大于 24h(560mAh)。

图3 三导联无线 ECG测试Fig 3 Test of wireless 3 lead ECG4 结论本文着重介绍了-种新型三导联无线 ECG设计方法，及其基于差分运算 QRS波检测的实现。采用集成度高、性能卓越的用于生物电势测量单通道24位模拟前端，大大缩减了三导联无线 ECG的尺寸、功耗和总体成本。配合 FIR数字低通滤波和5O Hz限波，可进-步去除干扰得到分辨率较高的心电信号。相比现有方法，所述的基于差分运算QRS波检测在保证高准确率的前提下，具有较低的运算量，可应用于未来各种便携式且需要低功耗ECG中。