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目 录
1 绪论 ......................................................................................................... 1
1.1 课题研究的目的和意义................................................................... 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 .......................................................... 2
1.2.1 国内外研究现状 ......................................................................... 2
1.2.2 研究发展趋势 ............................................................................. 3
1.3 课题主要研究内容 ........................................................................... 4
2 心电信号基础理论以及与心血管疾病的关系 .................................... 7
2.1 心电信号概述 ................................................................................... 7
2.1.1 心电信号的形成 ......................................................................... 7
2.1.2 心电信号波形 ............................................................................. 8
2.1.3 心电信号的特征 ......................................................................... 9
2.2 心电信号与心血管疾病的关系 ...................................................... 9
2.3 本章小结 ......................................................................................... 10
3 心电信号的频谱分析与去噪算法研究 .............................................. 11
3.1 心电信号的频谱分析 ..................................................................... 11
3.1.1 静态心电信号频谱分析 ........................................................... 12
3.1.2 动态心电信号频谱分析 ........................................................... 12
3.2 心电信号的噪声干扰分析与去噪方案 ........................................ 13
3.2.1 内在干扰 ................................................................................... 13
3.2.2 外在干扰 ................................................................................... 14
3.2.3 去噪方案 ................................................................................... 14
3.3 静态心电信号去噪效果的评估标准 ............................................ 15
3.4 工频干扰噪声信号的滤除 ............................................................ 15
3.4.1 小波变换法 ............................................................................... 15
3.4.2 陷波器法 ................................................................................... 16
3.5 基线漂移干扰仿真分析与滤除 .................................................... 17
3.5.1 低通滤波法 ............................................................................... 17
3.5.2 中值滤波法 ............................................................................... 18
3.6 肌电干扰噪声仿真分析与滤除 .................................................... 19
3.6.1 低通滤波法 ............................................................................... 19
3.6.2 平滑滤波法 ............................................................................... 20
3.7 运动干扰噪声滤除的方法研究 .................................................... 20
3.7.1 运动干扰噪声滤波器的选取 ................................................... 21
3.7.2 自适应滤波结构 ....................................................................... 21
3.7.3 自适应滤波的参考信号选取 ................................................... 23
3.7.4 自适应滤波器算法的选择 ....................................................... 24
3.7.5 LMS 算法 ................................................................................... 24
3.7.6 改进的 NLMS 互相关算法 ..................................................... 25
3.8 心电信号的特征识别 ..................................................................... 27
3.8.1 动态阈值检测 R 波算法 .......................................................... 28
3.8.2 动态阈值检测 R 波算法验证 .................................................. 28
3.9 本章小结 ......................................................................................... 30
4 硬件设计 ............................................................................................... 31
4.1 硬件系统方案 ................................................................................. 31
4.2 硬件设计要求与指标 ..................................................................... 31
4.3 心电采集电极的选取 ..................................................................... 32
4.4 主控芯片 STM32 ........................................................................... 32
4.5 心电模拟采集前端的硬件设计 .................................................... 33
4.5.1 前置放大电路 ........................................................................... 33
4.5.2 右腿驱动电路 ........................................................................... 37
4.5.3 低通滤波电路 ........................................................................... 38
4.5.4 次级放大电路 ........................................................................... 40
4.5.5 50Hz 陷波电路 .......................................................................... 41
4.6 系统外围电路的硬件设计 ............................................................ 43
4.6.1 电源模块 ................................................................................... 43
4.6.2 充电单元管理模块 ................................................................... 45
4.6.3 电池余量检测模块 ................................................................... 46
4.6.4 三轴加速度传感模块 ............................................................... 47
4.6.5 蓝牙通信模块 ........................................................................... 47
4.7 原理图与 PCB 的整体设计 ........................................................... 48
4.7.1 原理图整体设计 ....................................................................... 48
4.7.2 PCB 整体设计 ........................................................................... 49
4.8 本章小节 ......................................................................................... 49
5 系统软件设计 ...................................................................................... 51
5.1 软件系统方案 ................................................................................. 51
5.2 微处理器 STM32 软件设计 ......................................................... 52
5.2.1 系统时钟配置 ........................................................................... 52
5.2.2 ADC 配置 ................................................................................... 53
5.2.3 心电数据缓存区设置 ............................................................... 53
5.2.4 软件滤波 ................................................................................... 54
5.2.5 蓝牙串口配置 ........................................................................... 55
5.3 PC 上位机端软件设计 .................................................................... 56
5.3.1 登录界面 ................................................................................... 56
5.3.2 VISA 蓝牙串口配置 ................................................................. 57
5.3.3 特征识别编写 ........................................................................... 58
5.3.4 心率计算与心率现象判断 ....................................................... 59
5.3.5 病理信息识别 ........................................................................... 60
5.3.6 显示界面 ................................................................................... 60
5.4 手机端软件设计 ............................................................................. 61
5.5 本章小节 ......................................................................................... 63
6 系统实验与分析 .................................................................................. 65
6.1 测试板调试 ..................................................................................... 65
6.2 实物验证 ......................................................................................... 66
6.3 本章小节 ......................................................................................... 69
7 总结与展望........................................................................................... 71
7.1 总结 ................................................................................................. 71
7.2 展望 ................................................................................................. 71
参考文献 ................................................................................................... 73
绪论
1
1 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
根据近年来相关资料的报告,目前全球大约有三分之一的人口由于心血管类疾病而
离世,随着经济快速成长与社会稳步发展,心血管类疾病的发病率逐渐上升,再加上全
球人口老龄化的持续加剧,心血管类疾病逐渐成为严重影响人类身体健康的主要因素之
一。根据《中国心血管报告》显示,在我国由于心血管类疾病发作而导致死亡的人数正
在逐年攀升
[1]
,这种疾病已经成为我国城市与农村居民死亡的主要原因之一,在 2022 年,
大约有 310
[2]
万人死于心血管类疾病,还存在着大约 2.7 亿的人患有心血管类疾病,也就
是说,每 10 秒钟就会有一个患者死于心血管类疾病。目前,心血管类疾病的诊断主要以
大型医院的心电图机为主来进行诊断,由于大部分患者在死亡前的一段时间内,心电波
形会表现出异常情况,具体表现为心电波形图中的各个波段出现上升或降低,如病理性
的 Q 波抬高或 ST 段的降低,因此如果能及时发现心电图波形中各个波段的异常,就能
根据这个异常警报及时到医院中接受治疗和诊断,有助于降低心血管类疾病的死亡率。
目前市面上比较常见的心电监护设备有两种
[3]
:第一种是使用医院的专业心电监护
设备,第二种是简单的便携心电监测设备。对于前者,目前的医疗条件使得病人只能到
大型医院去接受专业的治疗,用户需要花费高代价到医院的心电图机上进行诊断,这导
致了医疗成本的提高,据相关研究显示,每年到医院检查心脏的人群占全国人群的百分
之十六,由于心脏类疾病具有潜伏性的特征,患者不能随时随地检测自身的心脏病理信
息,这就导致了人们不容易发现自身心脏的病理状况;对于后者,市面上一些心电监护
设备不具有在运动状态下检测的功能,简单的心电监护设备只能在静止状态下工作,这
同样使得病人不可以在日常活动中进行检测, 检测的精度并不算高,而且极易引入杂波
信号干扰心电信号。因此,可穿戴式心电监护设备的设计在医学上是具有重大意义,尽
早发现疾病征兆并加以诊断,能够起到有效降低死亡率的作用。
在心电图技术上,所衍生出的便携式穿戴设备正在逐步成为目前医疗环境的热门研
究方向,本课题所研究的可穿戴式心电监护设备,通过硬件软件相结合的方式,辅以蓝
牙网络技术作为数据传输的媒介,可以使得患者在日常活动中有效监测到心电波形的异
常情况,用户可以在手机端的微信小程序实时查看到自身的心电图波形与病理信息,考
虑到患有心血管疾病的人群中老年人占大多数,而老年群体使用手机具有不方便的缺点,
因此在本课题中加入了 Labview 上位机作为心电监护系统的 PC 端,老年群体可在家中进
行实时监护,而且在心电监护上位机系统中,可将历史数据存储,方便后续将近期内的
心电波形数据交予专业医生进行诊断。在目前的医疗监护环境中,可穿戴式的医疗设备
越来越受到欢迎,因此,本课题的研究价值是极其可观的。
西安理工大学电子信息硕士专业学位论文
2
1.2 国内外研究现状及发展趋势
从目前的医疗环境中不难看出,越来越多的医疗设备趋向于从病危通知转变为日常
监护,从医院诊断到便携式诊断,不管是从应用维度、经济维度、还是社会维度上看,
新的医疗监护设备都在强调提前预防与早发现早治疗的战略观念,因此,对于小型化、
便携式、家庭式、价格低廉、使用方便的心电监护设备越来越受到研究学者们的热捧。
1.2.1 国内外研究现状
1887 年,英国生理学家沃勒采用毛细血管静电针的方式,成功记录出人类历史上第
一份体表心电图
[4]
。1901 年,英国科学家威廉·艾因特霍芬
[5]
引进了弦线电流计的方法,
并记录下了体表心电图,与此同时还制作了标准的测量单位,使用字母 P、Q、R、S、T
等来标记心电图波形上的每一个波峰或波谷,这种方法具有简单直观的优点,一直延续
至今,从此,使用心电图的方式来诊断心血管类疾病的方法被应用于临床。
在 2005 年,日本的 OMRON 公司推出了家用式的心电监测设备,该装置具有两种采
集电极,分别是手指采集电极与胸部采集电极,把右侧拇指贴在手指采集电极上,左侧
胸部贴着胸部采集电极,便可以检测出 30s 内的心电波形信号,呈现在 LCD 画面中,不
经如此还会有一些简单的病理信息的提示。这种心电监测设备可以有效地消除因手脚的
肌肉运动导致的噪声干扰,与因呼吸引起的心电波形基准移动。在这种心电监测设备中,
其内置的存储器可以记录多个心电波形图,缺点是记录的数据都会储存在 SD 卡中,现
如今的医疗环境下,SD 存储卡的使用频率正在逐渐减少,大部分医疗数据通过网络上传
到云端平台进行储存,且只允许 300 个心电图记录,不足以支持专业医师的诊断。
2012 年,美国的 General Electric 公司推出了一款心电监护设备,型号为 MAC600,
该装置利用十二导联的方式来检测 ECG 波形,具有方便携带的特点,同时,它还安装了
较为智能的软件程序,具备自动分析 ECG 信号波形的功能,能够测量静态下的人体 ECG
波形,并根据用户的性别与年龄大小,针对性地分析其 ECG 信号,但该装置的不足是,
在动态下无法进行测量,会导致心电监护在日常生活中的不完整性。
1949 年,美国的科学家霍特(Holter)首创动态心电图,因此称为 Holter 心电图
[6]
。
早在上个世纪的国外,这种技术已经广泛应用在心电监护的临床中,但是当时该技术在
我国内的开发是较为落后的,在最近十几年才迅速发展起来,现如今,在医学临床上已
经从单导联发展为十二导联
[7]
,通过动态心电监护设备检测患者在日常活动中的心电信
号波形,检测时长为 24h 或更长。目前大部分的医院都已将 Holter 心电装置运用在心血
管类疾病的临床诊断中,这对临床分析与治疗是具有极为重大的意义。Holter 设备存在
的缺点在于,患者需要在专业的医师指导下,佩戴十二导联的 ECG 监护设备,用来检测
与诊断,这对于目前“便携式”与“小型化”的医疗环境是格格不入的,同样提高了人
们对于心脏疾病提前发现的医疗成本,如若可以研究出一款可穿戴式的心电监护设备,
随时随地对患者进行监测,一旦发现心电波形异常,患者可以尽早前往医院在医生的指
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