硕士论文-基于dsp的心电监护仪器关键技术研究

硕士论文-基于dsp的心电监护仪器关键技术研究内容摘要：

...........................................................38 图 416 LCD 波形显示 ..............................................................................39 图 417 SPI 主模式内部功能框图 .............................................................40 图 418 帧格式示意图 ........................................................41 图 419 CC2420 初始化流程图 .................................................................42 图 420 CC2420 数据发送程序流程图 .....................................................43 图 421 PC 端应用程序界面 ......................................................................45 图 422 印刷电路板 ...................................................................................47 图 523 实验导联方式 ...............................................................................49 图 524 系统硬件组成图 ...........................................................................50 图 53 系统菜单及功能图 .........................................................................50 图 54 CCS 的 Flash 编程 ..........................................................................51 图 55 CCS 中观测到的心电信号 .............................................................52 图 56 PC 机客户端软件图 ........................................................................52 图 61 心电原始信号 .................................................................................59 图 62 滤波后的心电信号 .........................................................................60 图 63 波峰和波谷的提取 .........................................................................61 图 64 QRS 波形检测结果 .........................................................................62 北京科技大学硕士学位论文 1 1 引言 心电监护发展现状 心电监护是连续 监测 病 人的心电图信号，及时了解病人的心脏状况，在发现严重心脏病时实施及时的救护 的过程。 心电监护检测的主要内容是 心律情况。 在早期的心电图观察中，相当高比例的心律失常病症未被注意到， 直到 20 世纪 60 年代，人们才认识到心律失常是急性心肌梗塞病人的常见并发症， 因为 直到那时 才出现 实用的可进行心电连续监测的技术设备， 该设备 最先用于冠心病监护 （ CCU） 中 [1]。 事实证明， 冠心病人若能在疾病发作的 1分钟内得到及时治疗，有 90%的生存机会，而在 3 分钟后才得到治疗，生存机会就大为下降。 据美国华盛顿医院中心心脏科研究报道 ， 在 建立了 CCU监护病房后，冠心病人的死亡率从原来的 40%下降到 %。 心电 监护 仪使人们可一直连续观察心脏的活动，并 及时 提示重要的心律失常，从而为心律失常相关的心脏疾病的研究、急救和治疗提供了重要的手段， 所以说 心电监护 是 CCU 的一个里程碑。 随着后来医学的进步， CCU 监护装置得到了迅速发展，可靠性和准确性不断提高，在医院得到了广泛的运用。 现代集中监护仪器普遍实现智能化。 在监护病房里都设有带微处理器的床边监护仪，它具有监护生理参数、显示和报警功能。 集中监护的中央控制台大多数采用存储量大的计算机，可同时监护多至 16 位病 人。 通常采用分布式处理系统，中央控制台和床边监护仪构成星型网络相互通信。 集中监护中央控制台接受来自 8 至 16 个床边监护仪的数据，进行运算处理，给出节律状态、报警状态、异位搏动以及早搏等信息，并提供心律的趋势图 [2]。 除此之外，也可根据监护的需要作出血压、体温、呼吸、脑电、心 电 等各种生理参数的波形和趋势图。 集中监护系统记下并显示所监护病人的报警性质和历史，通过键盘或开关选择报警的显示和禁止。 虽然 CCU 集中监护具有强大的功能和完善的服务，然而病房的床位有限，很多心脏病患者没有条件得到监护。 而且常规心电图记录的是 病人在静卧情况下的心电活动，对心律失常等病的发现率很低。 环境（如过热、过冷、噪声等）、精神状态（如悲哀、兴奋、惊恐、疲劳、烦躁等）都能影响心脏工作，诱发心脏病的发作 ，有鉴于此，科学家们近几年来致力于便携式心电监护仪器的研发。 Nomrna178。 Holter 于 1949 年研制成了遥测心电图 （ RECG） 装置，接着又将 RECG 系统改成了袖珍发射器和磁带记录器的结构。 1957 年，他研制成了一个能以 60 倍于记录带速的磁带回放机构。 1961 年，发射器和接收器合并，终于制成了用磁带作为 EGC 传递媒介的动态心电系统。 1965 年， 第一台商业化动态心电监护系统 （ HOLTER） 问世了 [3]。 HOLTER 记录病人处于正常生活、工作、活动条件下的心电变化，捕捉到初期的潜在疾病的心电信息，成为检出定量心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法，也使心脏病的早期诊断成为可能。 HOLTER 系统的出现，打破了传统的监护概念，使其从医院走入了家庭，但也在实际应用中显示了它的局限性。 主要表现在： （ 1） HOLTER 系统实现将病人的数据记录在磁带或大容量 RAM 上，然后进行处理和诊断。 它能对异常心电活动做回顾性分析，也即对病人的病情分析需要经过一段时间之后才 能获得。 如果出现致命的心房搏动、室颤等心电活动，不能及时发出报警和采取治疗措施。 从这个意义讲， HOLTER 系统并不具备监护。 （ 2） 24 小时甚至 48 小时的大量心电数据对处理计算机提出了高要求，而人们为了提高分析速度，不得不采用快速回放系统和高速微机或小型机系统，使得整个系统成本很高。 由于存储的心电数据中有大量的正常心电数据，诊断的效率降低。 而且，在高速回放中，偶发性的异常搏动或心律失常极容易被漏检。 随后发展起来的电话心电监护仪，克服了传统的 HOLTER 系统实时性差的缺点。 它显示病人的全部心电信号，但是只将 病人感觉异常时的心电信号发送到心脏监护中心，由中心记录，并交由医学专家分析诊断 [4]。 这套系统价格适中，诊断的正确性高，但由于其丢失了大量原始数据，不利于心脏病的早期防治和药物疗效的观察。 面向助老助残的智能家居环境简介 面向助老助残的智能 家 居系统 主要指 以计算机 、 网络 、机器人、人工智能等技术 为基础， 辅助老年人进行康复锻炼、功能代偿、环境交互、健康和医疗监测，以促使其独立生活并充分发挥潜能的多种技术、服务和系统。 主要包括： （ 1）智能家居技术，如具有多通道人机交互和无线通讯功能的智能家用电器，使残疾人或老年人 能够利用有限的肌体功能控制家用电器的使用； （ 2）机器人技术，如具有多通道人机交互功能的移动机器臂和智能轮椅，帮助残疾人或老年人搬运必须的生活用品或出行代步； （ 3）康复和功能代偿系统，如脑机接口控制的肢体康复系统和自动喂饭北京科技大学硕士学位论文 3 机等； （ 4）医疗和健康状态监控系统，如利用分布式传感器和无线传感网络技术完成病情的诊断和远程监控。 智能家居技术不仅可以完成家庭内部的资源共享，无缝协作，它还能通过与外网的连接，实现内外信息的交流，通过更丰富多彩的业务和应用使家庭用户体验到数字生活为其带来的舒适与便捷。 在面向助老助残的 智能家居系统中，医疗和健康监测技术（ Healthcare）占有重要的地位。 本课题的研究背景为面向助老助残的数字家居环境系统。 该系统的关键技术包括： （ 1）残疾人老年人无障碍人机交互技术。 包括：视线追踪技术、语音交互技术等。 开发数字家居环境中的交互装置（命名为“魔镜”），主要由视线追踪装置和虚拟人界面组成，同时集成家庭网络控制中心。 （ 2）残疾人老年人功能辅助技术。 主要 指 环境控制技术。 研究内容 是 基于网络或“闪联”协议的家用电器、家用设备的控制和信息共享、服务机器人控制等。 （ 3） 残疾人老年人生活状态监控技术。 主要 实现残疾人老年人生活状态和家居环境的集中监控和远程监控。 主要包括：基于无线设备的残疾人老年人定位与跟踪技术等。 （ 4）残疾人老年人生理及健康监测技术。 主要包括远程医疗技术。 研究内容 主要 括心电等参数检测及远传 ，含 医学信号检测、病态信号识别及存储、短距离无线通信、组网及与服务器通信 等。 上述面向残疾人、老年人的智能家居系统的设计场景为：残疾人和老年人通过人机交互装置控制室内的家用设备并获取环境信息。 多台医疗检测仪器组成无线网络与室内服务器通信以实现医疗信息的远程监控。 通过视频等传感器实现残疾人老年人生活状 态的远程监控。 课题的提出 本文开发的便携式心电监护仪以 智能家居系统 中老年人 病情监控及 健康关怀系统为应用背景，其设计目标为： （ 1）实现大时间范围的心电信号检测及存储； （ 2）无线数据传输并组建无线传感网络，实现多台心电监护仪与室内服务器的通信； （ 3）心电 致病片断 自动识别，以实现心电信息的检测、存储和远程传输。 2 心电监护技术简介 心电监护 主要是监测心电图。 心电图的临床应用已经有百年的历史，由于与临床紧密结合，受到广大医务工作者的重视。 又由于它检测方式的无创伤性以及信号的特殊性，受到了广大学者的青睐。 人们不 断的进行理论的实践的研究，给这种古老的检测方法注入了新的活动，推动着心电监护技术的不断创新和发展。 本 章 主要从信号检测的角度对心电图的检测和心电监护技术进行论述。 心电信号的形成及其特点 心脏周围的组织和体液都能导电，因此 如果 将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体 ，那么 心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。 在体表很多点之间存在着电位差，心脏在每个心动周期中，由起搏点 开始到 心房、心室相继兴奋， 都 伴随着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电。 通过心电描记器从体表引出多种形式 的电位变化的图形 叫心电图 （简称ECG）。 心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。 正常心电图上的每个心动周期中出现的波形曲线改变是有规律的，国际上规定把这些波形分别称为 P 波、 QRS 波、 T 波，有时在 T 波后，还出现一个小的 U 波 ,各个波段都代表了心动周期的不同时期 [5]，如图 21 所示。 图 21 典型心电信号波形图 （ 1） P 波 ， 正常的 P 波形 状是一个圆滑的小波，无双峰、切迹以及钝错现像。 各导联的 P 波形状取决于 P 向量与各导联轴的相互关系，心房的综合北京科技大学硕士学位论文 5 向量由右上向左下，其角度大多在 4550 度之间，故在 AVR 导联中波是倒置的，在 Vl、 V AV 导联中 P 波可为双向，其余各导联 （ I、 II、 AVF、 VV V5） 的波一般为直立方向 （ 有关导联将在下节中介绍 ）。 P 波的宽度，正常不超过。 通常直立 P 波高度正常不超过 ， P 波过小一般无重要临床意义。 （ 2） Ta 波 ， Ta 波代表心房复极过程中产生的电位变化。 始于 P 波后，方向与 P 波相反，波幅很低，约 为 ，持续时间为 ，经常被 QRS 波掩盖而无法看到，故一般心电图上看不到 Ta 波。 只有在房室分离或高度房室传导阻滞时的心电图中，才可清楚看到 Ta 波。 （ 3） QRS 波群 ， QRS 波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。 通常历时。 典型的 QRS 波群包含三个紧密相连的波，第一个向下的波为 Q 波，其后向上的高而尖的为 R 波，继 R 波之后的一个向下的为。