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基于arm7的便携式心电监护仪及心电分析的研究.pdf
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基于arm7的便携式心电监护仪及心电分析的研究.pdf
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摘要
心血管疾病是威胁人类健康和生命的主要疾病之。。一。动态心电图(DCG)可对
心脏病患者的心电活动进行连续24小时的跟踪记录,是临床诊断心血管疾病的重
要方法。因此,进行高性能动态监护系统的研究在临床上具有重要的意义。而近
年来嵌入式系统技术的飞速发展也为展开这类研究提供了良好的技术条件。
为此,本论文对基于高性能嵌入式微处理器的便携式动态心电监护仪及其对
心电的分析处理进行了深入研究:根据心电信号特征,设计性能优良的心电数据
采集模块;选用高性能、低功耗的ARM微处理器s3c44BOx和大容量Flash存储器
设计中央处理模块,对采集的心电信号进行分析处理和记录,同时使用液晶显示
配合按键为用户提供友好的人机接口,实现连续动态的心电监护和报警功能;通
过对心电波形特征和常用心电分析处理算法的对比分析和研究,设计适用于本嵌
入式系统的实时心电分析处理算法:采用现今流行usB接口技术,实现对心电数
据的传输。
论文对以上各项工作进行了详细的阐述,基本达到设计要求,为进一步的产
品实际应用开发奠定了良好的基础。
关键词:动态心电监护;信号采集;A跚微处理器;实时分析;usB总线
第一章绪论
1.1动态心电监护的意义
当今心血管疾病已成为威胁人类健康和生命的主要疾病之一,心脏病的死亡
率仍居首位。据统计,世界上平均每年约几百万人死于此类疾病,我国因心血管
疾病死亡人数约占总死亡人数的44%,很多心脏病人是由于未及时发现病变延误
了治疗而最终导致死亡。因此,对心血管疾病的诊断、预防是当今医学界面临的
首要问题。尽早地发现心血管系统疾病征兆,及时地了解心脏病状况,对疾病的
预防和及时诊治具有重要的意义。心电信号是最早应用于医学的人体生物电之一,
如今医学界人士已经可以通过对心电信号的分析研究对心血管相关病变作出预测
和诊断。因此及时、准确和完整地进行心电信号提取,并提供有效的辅助分析和
诊断手段是一项重要而有意义的研究课题。
常规心电图(Electrocardiogram,ECG)是病人在医院静卧情况下由心电图
仪记录下的心电活动,它是在心动周期内由心脏电生理变化引起体表的几个点上
记录几秒到几十秒电位差随时间变化的图形,目前国际通用12个导联。反映了额
面和横面上的心电变化,可以从不同角度观察心脏的活动情况,是临床中对心律
失常、心肌梗塞、心室肥大、心肌炎等心血管疾病的重要诊断手段。但由于人体
心脏是持续而不间断地活动着,正常人24小时心搏次数达10万次以上,所以常
规心电图在有限的时间内对心律失常等病的发现率是很低的,尤其对很多病人在
数天或数周内才发生一次的一过性心电异常变化更难记录。而通用心电监护系统
(如ccu、IcU等)虽可进行长时间连续地多参数监护,对重症病人起到有效的保
护,但因为其功能结构复杂而体积较大,不便院外携带使用,对广大院外患者,
尤其是症状较轻的早期患者不能进行及时准确地诊断,从而贻误诊治时机,疾病
难以得到早期治疗和有效控制。
因此,发展能进行24小时连续不断的动态心电监护系统,对心电进行记录并
可自动分析,为临床诊治提供有价值的诊断资料,对心脏疾病的早期发现和心脏
第一章绪论
护网络和数据处理中心,实现了中央集中监护、远程监护和家庭健康监护等多种
监护方式。与之对应的患者随身佩戴的便携式心电监护仪也因此得到很大发展。
然而,可随身携带便携式心电监护仪却未能在我国很好普及,其原因如下:
(1)提供的心电监护功能和记录的信息有限;(2)其体积、重量、功耗等不尽如
人意,不便于病人使用;(3)与之配套的监护网络和心电数据处理中心不完善;
(4)国外设备费用较为昂贵,普通患者难以承受。入世以来,随着国际交流合作
深入,为满足人们日益增长的高质量医疗健康条件需要以及与国际接轨,我国的
一些大型医疗机构也开始建立心电监护网络中心,心电监护逐步向网络化和家庭
化方向发展。而我国人口众多,医疗资源却有限,因此适时进行可随身携带的动
态心电监护仪的研制具有重大意义和应用前景。
1.3本文主要研究内容
通过以上分析表明,广大患者迫切需要一种功能强大、使用方便便携式心电
监护仪来及时准确的了解心脏状况,以便发现病变时及时就医,从而更好地保护
人们的身体健康。结合近年来电子、计算机、通信技术和医学的发展,本文提出
了一种基于32位高档A玎n7微处理器的便携式动态心电监护仪设计方法,使得该
监护仪具有功耗低、体积小、容量大,有良好的人机界面,可随身携带,全天候
监护和记录,能实时进行心电分析处理并产生异常报警和通过usB接口传输数据
的特点,以满足患者的需要。本文将其分三个模块来设计:心电采集模块、中央
处理模块、监护仪usB通信模块。论文主要工作如下:
(1)对比国内外研究现状,研究便携式监护仪的总体设计方案;
(2)研究设计心电数据采集模块;
(3)设计中央处理模块;
(4)心电信号的分析和处理方法;
(5)监护仪的USB通信接口;
(6)论文工作总结。
2.1.2心电图波形
如前所述,采用电极即可从人体表面记录出反映心脏兴奋活动的电生理变化
曲线——心电图(EcG)。典型的心电图波形如图2—1所示:
2帅
400
600
图2—1心电图典型波形
HgIIre2—1
ReprcsentanVe
waves
ot
EC‘j
1、心电图的典型波形
P波
由心房的激动所产生,前一半主要由右心房所产生,后一半主要由在
心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s,最高幅度不超过0.25mv。
QRs复合波反映左、右心室的激动过程。称QRS波群的宽度为QRs时限,
代表全部心室肌激动过程所需要的时间,正常人最多不超过O.1s。幅度:Q波约
O.1r玎v(一般不超过R波的l,4);R波:O.5~2mv;s波:O.2mv。
T波代表心室肌复极化过程的电位变化。在R波为主的心电图上,T波不
应低于R波的l,10。正常人为0.1 ̄0.5mV左右。
U波位于T波之后,可能是反映激动后电位的变化,人们对它的认识仍在
讨论之中。
2、心电图的典型问期和典型段
P—R段从P波后半部起始端至QRs波群的起点。正常人这一段接近于基线。
P—R间期是从P波起点到QRS波群起点的相隔时间,代表从心房开始兴奋
到心室开始兴奋的时间,即兴奋通过心房、房室结和房室束的传导时间。这一期
间随着年龄的增长而有加长的趋势。
QRS问期从R(Q)波开始至s波终了的时间间隔。代表两侧心室肌(包括心
第二章心电数据采集
2.2.2心电数据采集干扰的来源
由于心电信号的微弱、低频、高阻抗和随机性等特性,及其容易受到干扰。
分析干扰来源,以便采取相应的滤除措施,对数据采集是一个重点考虑的问题。
人体处在各种纷繁复杂的电磁环境中,心电信号中不可避免地夹杂着高强度的干
扰,常见有如下几种:
1、工频干扰
由于供电网络无所不在,因此50Hz的工频干扰是最普遍的,也是心电信号
的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的电容性耦合,以位移
电流的形式引入,其强度足以淹没有用的心电信号。因此为抑制干扰,往往需对
连接人体的导线和测量系统采取屏蔽措施,并适当进行陷波处理。
2、高频电磁场干扰
随着无线电技术的发展,各种频段的无线电广播、电视发射台、通讯设备、
雷达等的工作使空中的电磁波大量增加。这些高频电磁干扰也可通过测量系统与
人体连接的导线引入,可能引起测量结果的不稳定,严重时会使测量系统不能工
作,必须加以抑制。
3、电极极化干扰
心电的拾取是通过在人体体表放置电极来进行。与电极接触的是电解质溶液
(导电膏、汗液或组织液等),从而会构成一个金属一电解质溶液界面,因电化学
的作用,在二者之间会产生一定的电位差,称之为极化电压。极化电压的幅度一
般较高,在几毫伏到几百毫伏之间。孤立电极不会产生电流,而在生物电测量时,
通常采用双电极,这时两个电极之间就会构成一个化学电池,电极有电流通过,
电极电位偏离平衡值,产生电极极化现象。当俩电极保持对称时,极化电压可相
抵消。但极化电压与电极材料、电极膏、皮肤状态、病人情绪、温度、极化电流
及电极与皮肤的接触情况等因数有关,不可避免产生干扰,特别是在电极与皮肤
接触不良以致脱落的情况下更为严重。此外,电极在皮肤表面的移动也会引起电
位差的变化。
4、肌电干扰
兴奋和收缩是肌肉的最基本功能,在神经系统的控制下,肌肉机械性活动并
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oligaga
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