作品申報(bào)書--“微伏級(jí)”心電信號(hào)采集系統(tǒng)

1、附件5編碼： 第五屆“求是杯”全校大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽作品申報(bào)書（樣表） 作品名稱： “微伏級(jí)”心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系全稱： 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 申報(bào)者姓名 （集體名稱）：周歡 李永帥 李想 王順順 張靖陽(yáng) 張鄒濤 張經(jīng)科 類別：自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作A類 科技發(fā)明制作B類 A2申報(bào)者情況（集體項(xiàng)目）說(shuō)明：1必須由申報(bào)者本人按要求填寫；2申報(bào)者代表必須是作者中學(xué)歷最高者，其余作者按學(xué)歷高低排列；3本表中的學(xué)籍管理部門簽章視為申報(bào)者情況的確認(rèn)。申報(bào)者代表情況姓名周歡性別女出生年月1994.06.05學(xué)校華中科技大學(xué)系別、專業(yè)、年級(jí)生命科學(xué)

2、與技術(shù)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程12級(jí)學(xué)歷本科學(xué)制四年入學(xué)時(shí)間2012年9月作品名稱“微伏級(jí)”心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文題目無(wú)通訊地址華中科技大學(xué)韻苑5棟334郵政編碼430074辦公電住地通訊地址華中科技大學(xué)韻苑5棟334郵政編碼430074住宅電他作者情況姓 名性別年齡學(xué)歷所在單位李永帥男21本科華中科技大學(xué)生科院生物醫(yī)學(xué)工程1203 班李想男20本科華中科技大學(xué)生科院生物醫(yī)學(xué)工程卓越1201班張靖陽(yáng)男20本科華中科技大學(xué)生科院生物醫(yī)學(xué)工程卓越1201班張鄒濤男20本科華中科技大學(xué)生科院生物醫(yī)學(xué)工程卓越1201班王順順男20本科華中科技大學(xué)生科

3、院生物醫(yī)學(xué)工程卓越1201班張經(jīng)科男20本科華中科技大學(xué)生科院生物醫(yī)學(xué)工程卓越1301班資格認(rèn)定院系學(xué)籍管理部門意見以上作者是否為2014年7月1日前正式注冊(cè)在校的全日制非成人教育、非在職的高等學(xué)校中國(guó)籍專科生、本科生、碩士研究生或博士研究生。 是 否 （院系簽章）年 月 日院、系負(fù)責(zé)人或?qū)熞庖姳咀髌肥欠駷檎n外學(xué)術(shù)科技或社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)成果是 否負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日B3申報(bào)作品情況（科技發(fā)明制作）說(shuō)明：1必須由申報(bào)者本人填寫；2本部分中的科研管理部門簽章視為對(duì)申報(bào)者所填內(nèi)容的確認(rèn)； 3本表必須附有研究報(bào)告，并提供圖表、曲線、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、 原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖（照片）,也可附鑒定證書和應(yīng)用證書； 4

4、作品分類請(qǐng)按照作品發(fā)明點(diǎn)或創(chuàng)新點(diǎn)所在類別填報(bào)。作品全稱“微伏級(jí)”心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作品分類（ D）A機(jī)械與控制（包括機(jī)械、儀器儀表、自動(dòng)化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)、電信、通訊、電子等） C數(shù)理（包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等） D生命科學(xué)（包括生物、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)、健 康、衛(wèi)生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化學(xué)、化 工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點(diǎn)，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)1、 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的：心臟病是威脅人類生命的主要疾病之一，世界上心臟病的死亡率仍占首位，因此心臟系統(tǒng)疾病的防治和診斷是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問(wèn)題。常

5、規(guī)心電圖主要用于記錄“毫伏級(jí)”心電信號(hào)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極放置部位可記錄12導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，采用的是實(shí)時(shí)記錄技術(shù)。然而，臨床中有時(shí)需要從體表獲取竇房結(jié)、房室結(jié)的電活動(dòng)和心室晚電位等信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)心律失常和存在猝死危險(xiǎn)的患者的精確診斷。與“毫伏級(jí)”心電信號(hào)采集和處理技術(shù)相比，“微伏級(jí)”信號(hào)采集技術(shù)則存在很大挑戰(zhàn)，原因在于：因工頻干擾、電極接觸噪聲及電磁設(shè)備干擾等會(huì)對(duì)“微伏級(jí)”信號(hào)造成不利影響，使得“微伏級(jí)”信號(hào)淹沒在這些噪聲信號(hào)中，因此從上述噪聲信號(hào)中準(zhǔn)確提取“微伏級(jí)”信號(hào)存在極大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的“微伏級(jí)”信號(hào)處理方法通常取不同時(shí)間周期的心電信號(hào)，通過(guò)軟件判斷有效的周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行疊加，該方法可較好地得到心

6、室晚電位，竇房結(jié)電位，但因采樣頻率不夠高，而疊加時(shí)可能抵消部分信號(hào)，因此會(huì)丟失有用的信號(hào)，或使信號(hào)畸變。另一種途徑是空間疊加法，該方法利用同一周期內(nèi)分布于人體表面的心電信號(hào)進(jìn)行疊加，該方法由于采用的電極分布太廣，而在如此大的范圍內(nèi)各對(duì)電極間的心電信號(hào)波形是不同的，所以疊加出的心電信號(hào)就會(huì)發(fā)生畸變，這個(gè)畸變是由同一心電周期而不同電極分布部位所造成的。針對(duì)上述兩種方法的不足，本作品采用陣列式電極技術(shù)和設(shè)計(jì)較高采集頻率的采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)“微伏級(jí)”信號(hào)采集和分析，本作品的研究工作對(duì)提高心電圖的診斷準(zhǔn)確率具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。2、項(xiàng)目的基本思路： “微伏級(jí)”心電信號(hào)采集與處理系統(tǒng)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由硬

7、件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。前者包括陣列式電極、3導(dǎo)聯(lián)電極輸入、光電隔離、QRS觸發(fā)器、濾波電路、增益控制、驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換及微機(jī)等部分。后者則主要完成心電信號(hào)檢測(cè)與分析。系統(tǒng)工作原理為：通過(guò)電極提取心電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后送入微機(jī)中進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)軟件濾波處理后得到光滑、正確的心電信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)LCD 實(shí)時(shí)顯示波形，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。圖1 “微伏級(jí)”心電信號(hào)采集與處理系統(tǒng)3、創(chuàng)新性：硬件系統(tǒng)最大特色：把128路心電信號(hào)當(dāng)一路處理，在一定小的局部范圍內(nèi)（即陣列式電極范圍內(nèi)），相對(duì)于某一參考點(diǎn)的進(jìn)行心電信號(hào)的記錄，對(duì)紀(jì)錄的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后輸入微機(jī)進(jìn)行信號(hào)后處理。由于 “陣

8、列式電極”范圍內(nèi)的128路心電信號(hào)波形相同而各路放大器的噪聲不同，因而可以通過(guò)“陣列式電極”相對(duì)與參考點(diǎn)的多路信號(hào)疊加成一路“微伏級(jí)”心電信號(hào)，再配合兩路體表心電信號(hào)組成3導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)與通常的系統(tǒng)的最大區(qū)別在于3路信號(hào)中有1路是實(shí)時(shí)記錄的“微伏級(jí)”心電信號(hào)，這樣就能實(shí)現(xiàn)體表測(cè)量“微伏級(jí)”心電信號(hào)的目的，這樣便于臨床上進(jìn)行心電信號(hào)細(xì)節(jié)的研究。 軟件算法具有以下特色：軟件濾波算法采用了一種新穎的自適應(yīng)非局部均值（Nonlocal means, NLM）降噪方法，該方法利用心電信號(hào)非局部自相似性來(lái)抑制噪聲，能根據(jù)上述信號(hào)局部特征自動(dòng)確定合適的衰減系數(shù)，可在有效降噪的同時(shí)很好地保護(hù)信

9、號(hào)的細(xì)節(jié)信息，其濾波效果優(yōu)于現(xiàn)有的主流心電信號(hào)降噪方法（相關(guān)研究成果已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利， 見申請(qǐng)書13頁(yè)）。4、 技術(shù)關(guān)鍵4.1硬件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)包括模擬和數(shù)字兩部分。模擬部分是指前端采集電路，包括前置放大、驅(qū)動(dòng)電路、帶通濾波電路、主放大和電平抬高電路。數(shù)字部分包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、SD 卡存儲(chǔ)器模塊電路、鍵盤模塊、LCD 接口電路、電源管理模塊等。心電信號(hào)由電極獲取后送入心電采集電路，經(jīng)處理后得到符合要求的心電信息；處理電路主要完成對(duì)心電數(shù)據(jù)的采集、濾波、分析、顯示、存儲(chǔ)和傳輸控制；存儲(chǔ)電路利用 SD卡完成心電數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)，并建立文件系統(tǒng)；按鍵電路用于完成良好的人機(jī)交互，而顯示電路用于實(shí)時(shí)顯

10、示出心電波形和心電相關(guān)信息；電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。在硬件系統(tǒng)中，信號(hào)采集電路是核心和關(guān)鍵。人體心電信號(hào)非常微弱，頻率范圍0.01Hz250Hz。人體心電信號(hào)極易受到其它信號(hào)的干擾，如皮膚阻抗造成的極化電壓的干擾，呼吸阻抗造成的基線漂移，情緒及外界刺激引起的肌電干擾等，其中工頻干擾尤為明顯。因此心電前端的模擬電路設(shè)計(jì)對(duì)于心電圖儀采集系統(tǒng)尤為重要?？紤]到集成芯片ADS1298的優(yōu)越性，我們采用其實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)采集，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下： （1）基于集成芯片ADS1298的心電前端電路設(shè)計(jì)心電信號(hào)采集的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示?；谌梭w心電信號(hào)的特點(diǎn)，需要前端模擬采集電路有足夠大的輸入阻

11、抗、足夠高的共模抑制能力、較寬的電壓動(dòng)態(tài)范圍。因此采用CMRR100dB、輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍達(dá)400mV、內(nèi)置EMI濾波器的ADS1298，既能達(dá)到前端模擬電路的設(shè)計(jì)要求，又可以簡(jiǎn)化電路減小儀器體積降低儀器功耗。ADS1298可分為EMI濾波器、控制開關(guān)、儀表運(yùn)放、24位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等部分。 傳統(tǒng)的心電圖儀設(shè)計(jì)，要想取得威爾遜中心點(diǎn)WCT，至少需要3路運(yùn)放才可以做到，而ADS1298則可以通過(guò)SPI向ADS1298的控制端發(fā)送命令切換ADS1298內(nèi)部電路，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)更改WCT信號(hào)來(lái)源，同理ADS1298還集成了右腿驅(qū)動(dòng)電路，與WCT電路的選取非常相似，既方便快捷，又能減少外圍電路，由于ADS

12、1298采用單電源供電以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，可極大地降低電路功耗。圖2 心電信號(hào)采集卡硬件電路設(shè)計(jì)圖ADS1298自身集成了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)功能，提供三種檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落的方式供用戶選擇。與常規(guī)的輸入級(jí)增加上拉電阻檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落的方式相比，具有電路簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)。ADS1298最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它具有更低的功耗，每個(gè)通道的功耗可低至0.3mW，相比于同類其它集成芯片功耗極低，這款芯片是專門為低功耗產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的。與分立式的心電前端電路相比無(wú)論是功耗、還是噪聲方面都有著較大的優(yōu)越性。與TI公司同類型的產(chǎn)品ADS1294相比，單通道的功耗降低了一倍還多。由于水平高的集成度、優(yōu)異的性能和低功耗等優(yōu)點(diǎn)， AD

13、S1298在創(chuàng)建可擴(kuò)展的醫(yī)療儀器系統(tǒng)時(shí)可顯著減小尺寸、動(dòng)力和整體成本。ADS1298具有三個(gè)高清晰度渠道能夠操作起來(lái)25.6ksps。每個(gè)通道都可以獨(dú)立編程為一個(gè)特定的采樣率和帶寬，使用戶能夠優(yōu)化性能和功耗的配置。所有的輸入引腳集成的EMI濾波器，通過(guò)靈活的路由交換機(jī)可以被路由到任何通道。靈活的路由還允許獨(dú)立的引線斷開檢測(cè)，右腿驅(qū)動(dòng)和威爾遜/戈德伯格生成基準(zhǔn)端子，而不需要外部重新連接引線。ADS1298采用了自診斷報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的操作條件不在工作范圍內(nèi)時(shí)，便可自動(dòng)報(bào)警。 （2）顯示模塊要完成一款便攜式心電儀的設(shè)計(jì)，那么在 LCD 的選擇上，就要符合實(shí)際的需要，必須考慮功耗和成本。對(duì)于人

14、機(jī)交互部分，顯然采用單色液晶顯然已經(jīng)不能滿足的需要，因此把 LCD 的選擇定位在了彩色液晶上。顏色、尺寸、功耗、材質(zhì)和價(jià)格3.2 寸真彩 TFT 液晶觸摸屏，其達(dá)320*240 像素，26 萬(wàn)色，16 位并行接口，可以直接用 AVR、ARM7、STM32 等 MCU 驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，采用了觸摸屏設(shè)計(jì)，一般使用的是電阻式觸摸屏。這種觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制。主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復(fù)合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（透明的導(dǎo)電電阻）導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層、它的內(nèi)表面也涂有一層涂

15、層、在他們之間有許多細(xì)小的（小于 1/1000 英寸）的透明隔離點(diǎn)把兩層導(dǎo)電層隔開絕緣。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在 X和 Y 兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，然后送到觸摸屏控制器。 為實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制，選用了 B-B 公司的 ADS7843芯片作為控制芯片。ADS7843 是一片 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，帶有同步串口和便于驅(qū)動(dòng)觸摸屏的低電阻開關(guān)。觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如有外力使得上下 2 層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的另一層可測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)。 （3）存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)存

16、儲(chǔ)是便攜式心電圖儀的基本要求之一，由于一些疾病在短時(shí)間內(nèi)很難被發(fā)現(xiàn)，需要長(zhǎng)時(shí)間的觀察，為了更進(jìn)一步的分析，有時(shí)還需要把數(shù)據(jù)提交到專業(yè)機(jī)構(gòu)，這就需要大容量的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)。SD 卡作為一種存儲(chǔ)設(shè)備，由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，比如容量大、體積小、讀取速度快、便于攜帶及高安全性在便攜式設(shè)備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此本項(xiàng)目擬采用 SD 卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上建立文件系統(tǒng)，這樣就可以方便的把數(shù)據(jù)拷貝到 PC 機(jī)上。 SD 總線訪問(wèn)模式速度快，但大部分微控制器沒有 SD 總線接口，而 SPI 總線接口應(yīng)用較為普遍，考慮到程序的可移植性，擬采用 SPI 總線訪問(wèn)模式。4.2 軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)軟件由AD 轉(zhuǎn)

17、換、液晶顯示、信號(hào)處理、SD 卡驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)保存發(fā)送等多個(gè)模塊組成。軟件系統(tǒng)首先對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后可送至LCD 顯示并由SD 卡進(jìn)行存儲(chǔ)，之后繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行QRS 復(fù)波檢測(cè)，以進(jìn)行ECG 信號(hào)分析，獲得心率信息以及初步的診斷結(jié)果并顯示保存。其中信號(hào)數(shù)據(jù)處理是其中的關(guān)鍵，它決定了心電信號(hào)的顯示和分析的質(zhì)量，其核心包括數(shù)字濾波、QRS檢測(cè)及信號(hào)疊加處理方法。 （1）數(shù)字濾波 本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)NLM濾波方法采用迭代降噪的思想實(shí)現(xiàn)，包括預(yù)濾波和迭代濾波兩步。1 基于自適應(yīng)NLM的預(yù)濾波自適應(yīng)NLM核心算法原理如圖3所示。首先對(duì)采集器采集到原始心電信號(hào)，對(duì)每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)選取一段有效區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域

18、，并計(jì)算該區(qū)域的梯度值，之后由梯度值自適應(yīng)選取衰減系數(shù)hi，然后再選取以該信號(hào)點(diǎn)i為中心的一段一維信號(hào)作為考慮對(duì)象，該段信號(hào)即為相似窗N(如圖3中的綠色窗口所示)。同時(shí)，選取一個(gè)以該信號(hào)點(diǎn)為中心的較大范圍的一維信號(hào)，即搜索窗(如圖3中的紅色窗口所示)，考慮搜索窗內(nèi)中心點(diǎn)i與其它信號(hào)點(diǎn)j對(duì)應(yīng)的相似窗，并利用兩相似窗對(duì)應(yīng)信號(hào)點(diǎn)歐式距離的負(fù)指數(shù)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)兩者相似度，并將歸一化的相似度作權(quán)值，對(duì)搜索窗內(nèi)信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)均值濾波，得到降噪結(jié)果NL(Z)(i)。 (1)式中權(quán)重定義如下： (2) 其中代表高斯加權(quán)歐式距離，Ci為歸一化常數(shù)，定義為： (3)搜索窗相似窗相似窗 圖3 一維自適應(yīng)NLM核心算法原

19、理圖在上述自適應(yīng)NLM濾波方法中，衰減參數(shù)hi對(duì)權(quán)值直接影響，因此該參數(shù)的確定至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的自適應(yīng)選擇，本項(xiàng)目基于偏差-方差原理，借助信號(hào)局部梯度來(lái)確定hi。對(duì)一維數(shù)字信號(hào)而言，偏差方差平衡原理可描述為：對(duì)于位于處的信號(hào)點(diǎn)，其恢復(fù)信號(hào)對(duì)應(yīng)最小均方誤差的期望可分解為偏差的平方與方差之和，其計(jì)算公式如下： (4)公式 (4) 中，隨著衰減系數(shù)hi的增大，方差項(xiàng)會(huì)相應(yīng)減小，偏差項(xiàng)則會(huì)相應(yīng)增加?？紤]到較小的方差意味著更好的噪聲抑制性能，而較小的偏差則表明更好的邊緣保持性能，因此在一維數(shù)字信號(hào)邊緣區(qū)的信號(hào)點(diǎn)應(yīng)選取相對(duì)較小的hi以確保良好的邊緣保護(hù)效果，反之平滑區(qū)的信號(hào)點(diǎn)應(yīng)選取相對(duì)大的hi以確保

20、良好的降噪效果?；谏鲜龇治?，本項(xiàng)目采用了以下方法自適應(yīng)確定hi：對(duì)每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)i的相關(guān)區(qū)域(包括該信號(hào)點(diǎn)及時(shí)域上相鄰的三個(gè)點(diǎn)i-3, i-2 和i-1)，利用該區(qū)域內(nèi)四個(gè)點(diǎn)之間的平均差分，計(jì)算得到該區(qū)域的梯度值gi，將其與事先設(shè)定的閾值T進(jìn)行比較。若小于閾值，則說(shuō)明該信號(hào)點(diǎn)位于平緩信號(hào)區(qū)，因此其對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)為h0；若大于閾值，說(shuō)明該信號(hào)點(diǎn)位于尖峰信號(hào)區(qū)，則利用經(jīng)驗(yàn)公式（7）計(jì)算重新得到衰減系數(shù)hi: （7）其中為初始衰減系數(shù)，gi為梯度值，為此組信號(hào)中梯度值的最大值。 2 基于自適應(yīng)NLM的迭代濾波上述基于自適應(yīng)NLM的預(yù)濾波在心電和腦電信號(hào)中噪聲污染較嚴(yán)重時(shí)，難以獲得滿意的降噪效果。為此

21、，在預(yù)濾波結(jié)果基礎(chǔ)上，我們采用了迭代濾波思路，即采用自適應(yīng)NLM迭代濾波進(jìn)行再一次的降噪處理，以便在保護(hù)圖像細(xì)節(jié)信息的同時(shí)強(qiáng)化噪聲抑制效果?；谧赃m應(yīng)NLM的迭代濾波與預(yù)濾波大致相同，不同點(diǎn)在于以下兩個(gè)方面：1）自適應(yīng)NLM迭代的濾波的輸入信號(hào)為預(yù)濾波信號(hào)，而NLM預(yù)濾波對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)則為原始噪聲信號(hào)；2）在自適應(yīng)NLM迭代算法中，梯度超過(guò)閾值的信號(hào)點(diǎn)將不做任何濾波處理，保持與預(yù)濾波相同的結(jié)果，目的是防止細(xì)節(jié)信息被破壞，而梯度小于閾值的信號(hào)點(diǎn)則選擇與預(yù)濾波相同的衰減參數(shù)進(jìn)行NLM降噪處理，目的是進(jìn)一步抑制信號(hào)中的噪聲。 圖4為自適應(yīng)的非局部均值迭代濾波的算法流程，紅框內(nèi)為區(qū)別于自適應(yīng)NLM預(yù)濾

22、波算法部分。從預(yù)濾波信號(hào)中獲取某一信號(hào)點(diǎn)及周圍信號(hào)計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的梯度值 不對(duì)信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行濾波 開始 梯度值大于閾值否是進(jìn)行非局部均值濾波得到新的信號(hào)點(diǎn)結(jié)束 圖4 自適應(yīng)NLM迭代濾波算法流程（2）QRS 波群檢測(cè)QRS 波群檢測(cè)是心電信號(hào)分析的核心，直接影響到分析診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。QRS 波群檢測(cè)的方法繁多，如差分閾值法、模板匹配法、小波變換法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。根據(jù)系統(tǒng)低功耗、內(nèi)存空間小的特點(diǎn)，通過(guò)分析斜率、幅度和寬度識(shí)別進(jìn)行QRS復(fù)波的識(shí)別，并針對(duì)具體的單片機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，擬采用一種針對(duì)8 位單片機(jī)的實(shí)時(shí)QRS 復(fù)波檢測(cè)算法。算法流程如下：1 對(duì)濾波后信號(hào)做微分運(yùn)算，對(duì)信號(hào)進(jìn)行取絕對(duì)值和時(shí)

23、域平均信號(hào)經(jīng)過(guò)微分可得到QRS 復(fù)波的斜率信息，微分后QRS 復(fù)波得到進(jìn)一步增強(qiáng)，而P 波與T 波進(jìn)一步衰減。2 對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)取絕對(duì)值，目的是為了使數(shù)據(jù)在下一步操作前呈正值，與傳統(tǒng)的取平方方法不同，取絕對(duì)值既加快了算法的處理速度，又避免了取平方容易造成溢出的后果，且對(duì)最終的復(fù)波檢測(cè)效果影響極小。 3 對(duì)信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)窗口積分以提取更多的信息移動(dòng)窗口積分保留了QRS 復(fù)波的大部分信息而濾除了其它波形，在此基礎(chǔ)上可以利用閾值法方便地檢測(cè)出QRS 波。閾值法首先取得信號(hào)的各個(gè)峰值，且需區(qū)分為QRS 峰值和噪聲峰值并實(shí)時(shí)更新。5、技術(shù)指標(biāo) 硬件系統(tǒng)具有以下指標(biāo)：1 放大器：1路為單級(jí)128路陣列式電極，其

24、中：2路為雙極常規(guī)心電圖，128路陣列式電極為共地同步心電圖，三路增益獨(dú)立控制，但可同步顯示。 2 帶寬： 帶通濾波：0.05Hz至250Hz，高通濾波器可選：0.05Hz、5Hz、10Hz、15Hz和20Hz 3 參數(shù)：輸入阻抗1M，共模抑制比120dB，輸入漏電流100A 4 隔離功能：具有信號(hào)隔離、電源隔離。 5 抗干擾能力：具有工頻50Hz濾波、肌電信號(hào)濾波器。 6 快速數(shù)據(jù)處理能力：具有24位A/D轉(zhuǎn)換器。 7 檢測(cè)功能：可一次記錄到6-10心動(dòng)周期的連續(xù)的心電信號(hào)。 8 數(shù)據(jù)傳輸速率：高達(dá)25.6ksps 軟件系統(tǒng)具有以下指標(biāo)：1 三路同步顯示，其中一路為128路矩陣空間疊加的信號(hào)

25、，另二路為雙極時(shí)間疊加的心電信號(hào)。并可同時(shí)或分別控制增益，增益為：0至20萬(wàn)倍。先算出疊加信號(hào)的摸板，在3路實(shí)時(shí)記錄6-10心動(dòng)周期的連續(xù)的心電信號(hào)。 2 高效的非局部均值降噪算法，具有較高的信噪比SNR。3 采用windows操作系統(tǒng)，系統(tǒng)采樣頻率為3kHz。基于以上指標(biāo)，我們對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，其中包括硬件和軟件兩方面，圖5展示了本項(xiàng)目的前期預(yù)研成果： 圖5 項(xiàng)目成果展示圖就軟件算法而言，我們?cè)O(shè)計(jì)的心電降噪方法在模擬和實(shí)際采集的心電信號(hào)降噪中取得了非常好的效果（已申請(qǐng)到一項(xiàng)國(guó)家專利，專利申請(qǐng)受理通知書如圖6所示）。 圖6專利申請(qǐng)受理通知書表 1 和圖 7分別給出了本作品設(shè)計(jì)的自適應(yīng)非局

26、部均值方法（ANLM）和各種現(xiàn)有濾波算法對(duì)應(yīng)仿真心電信號(hào)降噪結(jié)果的均方誤差和信噪比。從表1和圖6可看出，本專利提出的ANLM方法較其它比較方法具有更低的RMSE和更高的SNR，這表明ANLM方法在所有的比較方法中具有最優(yōu)的恢復(fù)性能。表 1 不同噪聲水平下各種濾波算法對(duì)應(yīng)仿真心電信號(hào)降噪結(jié)果的均方誤差噪聲方差RMSEANLMNLMFIRIIR小波中值202.1342.5883.8854.1633.2422.820302.5752.9344.5244.7813.6633.286402.7353.3184.7904.9813.9583.757503.3873.7725.3745.5244.7654.

27、173603.8024.2095.9626.1165.0934.552圖7 不同噪聲水平下各種濾波算法對(duì)應(yīng)仿真心電信號(hào)降噪結(jié)果的信噪比圖8給出了實(shí)際心電信號(hào)及其降噪結(jié)果，其中ANLM和NLM兩種濾波方法參數(shù)設(shè)置如下：搜索窗和相似窗的大小分別為7和3，衰減系數(shù)=0.1，=16。從圖8可看出，與其它方法相比，ANLM濾波后的實(shí)際心電圖更平滑，在邊緣區(qū)保留了最多的細(xì)節(jié)信息，因此我們提出的ANLM算法具有最優(yōu)的細(xì)節(jié)保護(hù)和信號(hào)平滑能力，其恢復(fù)性能明顯優(yōu)于對(duì)比算法。 (a) (b) (c) (d)圖8 各種濾波算法對(duì)實(shí)際心電信號(hào)降噪結(jié)果對(duì)比：(a) 實(shí)際心電圖；(b) ANLM 方法；(c) NLM 方法

28、；(d) 小波方法作品的科學(xué)性先進(jìn)性（必須說(shuō)明與現(xiàn)有技術(shù)相比、該作品是否具有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。請(qǐng)?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說(shuō)明和參考文獻(xiàn)資料） 就現(xiàn)在了解的情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品相對(duì)較少。并且那些產(chǎn)品大多只是采集“毫伏級(jí)”心電信號(hào)，而且體積大，價(jià)格相對(duì)較高。盡管國(guó)外的某些產(chǎn)品在功能方面相對(duì)較強(qiáng)，但是價(jià)格十分昂貴,可診斷的心臟病種類也比較少，又由于心臟病發(fā)病因素及診斷程序復(fù)雜的特殊性，因而對(duì)某些心臟病診斷的正確率還不能滿足實(shí)際的要求。相比之下，我們的產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 能夠采集到微伏級(jí)心電信號(hào)；2. 隔離功能好：能夠分別對(duì)信號(hào)和電源進(jìn)行有效的隔離； 3. 抗干擾能力強(qiáng)：可以有效

29、濾除50Hz的工頻干擾以及肌電干擾； 4. 快速數(shù)據(jù)處理能力：具有24位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換和處理數(shù)據(jù)的速度快； 5. 檢測(cè)功好能好：可一次記錄到6-10心動(dòng)周期的連續(xù)的心電信號(hào)；6 數(shù)據(jù)傳輸速率快：擁有高達(dá)25.6ksps的數(shù)據(jù)傳輸速度；7. 低成本，長(zhǎng)壽命。參考文獻(xiàn)：1 郭繼紅. 動(dòng)態(tài)心電圖最新進(jìn)展. 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社, 2005.2 盧喜烈. 心電圖診斷續(xù)解. 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2009.3 黃宛. 臨床心電圖學(xué). 人民工業(yè)出版社, 2004.4 吳萍, 黃勇. 分類技術(shù)在心電圖自動(dòng)診斷模型中的應(yīng)用比較. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2003, 23(11) : 6365.5 楊福生, 高上凱.

30、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理. 高等教育出版社, 1989.6 段新昱, 林家瑞, 司海芹. ECG 監(jiān)視過(guò)程中的削噪問(wèn)題. 國(guó)外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè), 1992, 15(3): 131135.7 Zhao Jie, Hua Mei. A simple algorithm for removal of base-line wander and power-line interference from ECG. .Chinese Journal of Medical Instrumentation,1991, 15: 262263.8 Tang Yu. Simple integral coefficient

31、 recursive digital filter and its application in biomedicine. Chinese Journal of Medical Instrumentation,1989,13:226228.9 張漢鵬. 診斷學(xué)基礎(chǔ)(第二版).人民衛(wèi)生出版社, 1993.10 鄧親愷主編. 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理. 北京科學(xué)出版社, 2004.11 Healthcare product comparison system: Multichannel electrocardiograms, 2003.12 閆相國(guó), 鄭崇勛, 康雨. 高采樣Holter系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)記

32、錄與傳輸技術(shù).西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 38(12) : 13101311.13 胡廣書. 現(xiàn)代信號(hào)處理教程. 清華大學(xué)出版社, 2005.14 盧喜烈等編著. 12 導(dǎo)同步心電圖圖譜. 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2001.15 岳東輝. 心電圖機(jī)的進(jìn)展. 世界醫(yī)療器械, 1999, 5(9): 4649.16 黃宛. 臨床心電圖學(xué). 北京：人民衛(wèi)生出版社, 2001. 作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評(píng)審、鑒定、評(píng)比、展示等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)及鑒定結(jié)果 無(wú)作品所處階 段（A）A實(shí)驗(yàn)室階段 B中試階段 C生產(chǎn)階段D （自填）技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式 無(wú)作品可展示的形 式 實(shí)物、產(chǎn)品 模型 圖紙 磁盤 現(xiàn)場(chǎng)演示

33、圖片 錄像 樣品使用說(shuō)明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提供該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)市場(chǎng)分析： 1. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者熱衷研究的重點(diǎn) 心電信號(hào)是人類最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物信號(hào)之一，它比其它生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并且具有較直觀的規(guī)律性，因而心電圖分析技術(shù)促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。心電圖檢查是臨床上診斷心血管疾病的重要方法。心電圖的準(zhǔn)確自動(dòng)分析對(duì)于心血管疾病的診斷起著關(guān)鍵的作用，也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者所熱衷的課題。以前的心電圖大多采用臨床醫(yī)生手動(dòng)分析的方法，這一過(guò)程無(wú)疑是費(fèi)時(shí)費(fèi)力且可靠性不高。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，心電圖自動(dòng)分析得以迅速發(fā)展，將醫(yī)生從繁重的手工勞動(dòng)中解脫出

34、來(lái)，大大提高了工作效率。七十年代后，心電圖自動(dòng)分析技術(shù)已有很大發(fā)展，并進(jìn)入實(shí)用化和商業(yè)化階段。 2. 由心臟病導(dǎo)致的死亡增多近年來(lái)心臟病仍然是威脅人類生命的主要疾病之一，世界上心臟病的死亡率仍占首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界死亡人數(shù)中，約有三分之一死于此類疾病，這己成為危害人類健康最常見的疾病，因此心臟系統(tǒng)疾病的防治和診斷是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問(wèn)題。3. 國(guó)外價(jià)格貴，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品少 盡管國(guó)外的某些產(chǎn)品在功能方面相對(duì)較強(qiáng),但是價(jià)格十分昂貴,可診斷的心臟病種類也比較少,又由于心臟病發(fā)病因素及診斷程序復(fù)雜的特殊性,因而對(duì)某些心臟病診斷的正確率還不能滿足實(shí)際的要求。 國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品相對(duì)較少,主要原因是這一應(yīng)用領(lǐng)域涉及

35、的理論較深較廣、技術(shù)難度很大、系統(tǒng)研制周期較長(zhǎng)、產(chǎn)品開發(fā)有一定風(fēng)險(xiǎn)等,許多研究所、公司、工廠這方面的工作還處于起步階段,因而目前國(guó)內(nèi)心臟病自動(dòng)診斷系統(tǒng)還未得到工程化、產(chǎn)品化發(fā)展。研制功能強(qiáng)、通用性好、成本低廉的國(guó)內(nèi)自己的心臟病自動(dòng)診斷系統(tǒng)非常必要,而且極具經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。4. 人民如今更在意健康問(wèn)題 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步的發(fā)展，人們生活已逐漸步入小康水平。在物質(zhì)精神文化得到滿足后，人們更加在意自己的身體健康，來(lái)享受美好的生活。然而在這個(gè)快節(jié)奏且競(jìng)爭(zhēng)壓力大的社會(huì)中，人們會(huì)面臨更多的壓力。而精神壓力過(guò)大是重要的心臟病的引發(fā)起因。據(jù)相關(guān)調(diào)查表明：精神壓力較大的冠心病病人比精神壓力較小的病人死亡率要

36、大三倍。因而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，心電圖診斷日益成為人們的研究熱點(diǎn)，它的實(shí)現(xiàn)有利于心臟病的早期診斷，從而能夠挽救人們的生命和提高人類生活質(zhì)量，因此心電圖自動(dòng)診斷系統(tǒng)的研究具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。專利申報(bào)情況提出專利申報(bào) 申報(bào)號(hào) 201410640510.5 申報(bào)日期 2014年 11月13日已獲專利權(quán)批準(zhǔn) 批準(zhǔn)號(hào) 批準(zhǔn)日期 年 月 日 未提出專利申請(qǐng)科研管理部門簽 章 年 月 日C當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類課題研究水平概述 說(shuō)明：1.申報(bào)者可根據(jù)作品類別和情況填寫； 2.填寫此欄有助于評(píng)審。 自19世紀(jì)末Einthoven發(fā)明的弦線式心電圖機(jī)應(yīng)用于臨床以來(lái)，心電圖機(jī)的應(yīng)用已有百余年歷史，心電圖早已經(jīng)

37、成為心血管疾病診斷中最普遍采用的方法和臨床工作中最基礎(chǔ)的檢查工具。自1978年美國(guó)Marquett公司首次推出數(shù)字化12導(dǎo)同步心電圖機(jī)，便開創(chuàng)了心電圖記錄、分析與診斷、保存與管理的新紀(jì)元，從此心電圖機(jī)進(jìn)入數(shù)字化發(fā)展新時(shí)代，特別是計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，數(shù)字化信息處理為醫(yī)學(xué)界進(jìn)步和深入研究提供了現(xiàn)代化高科技手段。近來(lái)通用的心電圖機(jī)在心電信號(hào)處理之前將模擬心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字心電信號(hào)?，F(xiàn)代心電圖機(jī)心電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通常在前端進(jìn)行，例如導(dǎo)聯(lián)線纜模塊。前置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器初始采樣率高于心電信號(hào)進(jìn)一步處理的采樣率，超級(jí)采樣（oversampling）要保證檢測(cè)和顯示脈寬0.5ms的起搏器刺激脈沖。采集模塊

38、前端的采樣率應(yīng)為10002000Hz，但更新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率能夠達(dá)到1000015000hz，甚至更高；其他模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率是適應(yīng)性的，其輸出與檢測(cè)到能量成比例。 數(shù)字化采樣率決定能夠準(zhǔn)確回放的信號(hào)頻率的上限。根據(jù)Nyquist原理，必須以頻響上限頻率的兩倍進(jìn)行數(shù)字化采樣。由于該原理僅適用于無(wú)限區(qū)間的采樣形式，1990年AHA建議以最小理論值的23倍確定采樣率。目前已有一系列的研究表明，在成年人中要允許150Hz的高頻數(shù)字濾波，必須應(yīng)用500Hz的采樣率獲取數(shù)據(jù)才可以使振幅測(cè)量誤差減少到1%左右。而在兒童中則可能需要更大的帶寬以保證振幅測(cè)量的準(zhǔn)確性。歐洲CSE組織建議振幅在20V、時(shí)限在

39、6ms以上的波形應(yīng)該能被識(shí)別，這意味著150Hz為高頻響應(yīng)的上限。2001年，荷蘭的報(bào)告表明，為了在95%以上受試者中保持振幅測(cè)量誤差低于25V，帶寬的上限在兒童應(yīng)該為250Hz，青少年應(yīng)該為150Hz。隨著心電圖機(jī)技術(shù)的不斷的成熟，從減少的導(dǎo)聯(lián)中應(yīng)用數(shù)學(xué)原理構(gòu)建一個(gè)人工的12導(dǎo)聯(lián)心電圖是可能的，這種人工合成的心電圖能夠近似標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)記錄的心電圖，而不等同于常規(guī)心電圖。由于減少導(dǎo)聯(lián)數(shù)量的心電監(jiān)護(hù)應(yīng)用較為普遍，重視這些心電圖的類型是重要的。Frank導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)和其他心向量圖導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生心向量的正交導(dǎo)聯(lián)軸X、Y和Z的成分，這些成分與展示在二維平面上（額面、橫面和矢狀面）的三維心電向量環(huán)密切聯(lián)系，與心電圖一樣用于心臟檢查。大量的正交導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換用于產(chǎn)生人工合成的12導(dǎo)聯(lián)心電圖，但用于評(píng)估的轉(zhuǎn)換系數(shù)常常因軀干形態(tài)和阻抗異質(zhì)性而有個(gè)體化變異。與基礎(chǔ)12導(dǎo)聯(lián)心電圖相比較得出患者特殊數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法能夠提高人工合成心電圖的準(zhǔn)確性。軀干的不均一性也限制了從EASI導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)得到人工合成12導(dǎo)聯(lián)心電圖的準(zhǔn)確性。EASI導(dǎo)聯(lián)的優(yōu)勢(shì)是相對(duì)的解剖意義上的電極放置的簡(jiǎn)化，從EA