人體體表信息特征提取及其算法的研究

山東科技大學(xué)

碩士學(xué)位論文答辯人體體表信息特征提取及其算法的研究學(xué)生：王洪濤導(dǎo)師：郭銀景教授答辯提綱一、課題來源及研究意義二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案三、心電信號特征提取算法四、脈象信號分析致謝一、課題來源及研究意義1、課題來源

課題來源于橫向科研課題“移動醫(yī)療支持系統(tǒng)用戶端設(shè)備的研制”。該用戶端設(shè)備可拾取人體體表信息（心電、脈象、體溫），實時特征提取，信息融合，病情分析，危急病情的報警。2、研究意義

近年來，統(tǒng)計表明心腦血管疾病已成為威脅人類健康的“第一殺手”，且發(fā)病率呈上升趨勢，遠(yuǎn)程醫(yī)療和社區(qū)護理可以有效地預(yù)防心腦血管疾病。然而目前大多數(shù)現(xiàn)有的監(jiān)護系統(tǒng)有一個共同的不足，用戶端設(shè)備沒有病情分析和報警能力。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案1、系統(tǒng)總體方案：二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案2、生理參數(shù)采集單元：二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案2、生理參數(shù)采集單元：（1）、心電信號提取：醫(yī)用導(dǎo)電膏式電極來拾取心電信號。利用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅲ，即左腿接導(dǎo)聯(lián)正極，左胳膊接負(fù)極，右腿接右腿驅(qū)動電路來去除人體攜帶的交流共模干擾。它反映的是左胳膊與左腿電位之差。（2）、脈象信號提?。豪脡弘娞沾勺鳛槊舾衅骷?，用結(jié)型場效應(yīng)管作為前置放大器。當(dāng)壓電陶瓷兩電極上的電荷量隨脈搏波壓力的變化而變化時，電荷信號經(jīng)內(nèi)阻非常大的場效應(yīng)管放大后轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。（3）、體溫信號提?。?/p>

利用NTC型熱敏電阻作為溫度傳感器，并為其設(shè)計了非線性補償電路。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案2、生理參數(shù)采集單元：（4）、濾波放大電路：利用儀表放大器AD623來進行信號的放大。它是在傳統(tǒng)三運放結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進的一種新型儀表放大器。采用二階壓控電壓源低通濾波，截止頻率為100Hz。（5）、雙T陷波電路：心電、脈象信號的檢測都屬于在強噪聲背景下超低頻微弱信號的檢測，在信號的提取過程中，往往會引入各種干擾，其中50Hz的工頻干擾是最主要的一種。因此在對信號放大前需要濾除50Hz的工頻干擾。在生物醫(yī)學(xué)信號測量中普遍采用雙T帶阻濾波器來抑制50Hz工頻干擾。（6）、電極脫落檢測電路佩戴的電極有可能發(fā)生脫落或者松動現(xiàn)象，電極脫落檢測電路。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：（1）、微處理器：選用SAMSUNG（三星）公司的S3C44B0。它是基于ARM7TDMI內(nèi)核的16/32位RISC處理器。（2）、存儲單元：程序放到NorFlashSST39VF160，2M×8位。數(shù)據(jù)存放在NANDFlashK9K2G08，256M×8位，采用適當(dāng)?shù)臒o損壓縮算法就可存儲近一個月的體表數(shù)據(jù)。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：（3）液晶顯示：優(yōu)龍科技提供的G35_ⅡLCD，為用戶提供良好的界面。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案3、數(shù)據(jù)處理單元：（4）、藍(lán)牙模塊（CSRBCM02）要實現(xiàn)的功能：生理參數(shù)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元之間的數(shù)據(jù)無線傳輸；危急病情的報警功能。固件程序開發(fā)步驟：Ⅰ、將生理參數(shù)采集單元端的藍(lán)牙模塊灌入AudioGateway程序，作為Master；Ⅱ、將數(shù)據(jù)處理單元端的藍(lán)牙模塊導(dǎo)入HandsFree程序,作為Slave；Ⅲ、開機后，Master與Slave自動進行配對、連接后，建立ACL通道；Ⅳ、數(shù)據(jù)處理單元一旦融合出危急病情，就主動釋放掉與生理參數(shù)采集單元端的藍(lán)牙連接，同時去跟具有藍(lán)牙功能的手機配對、連接，連接成功后自動撥打監(jiān)控中心的電話號碼，實現(xiàn)報警功能。報警完成后釋放與具有藍(lán)牙功能手機的連接，并自動與生理參數(shù)采集單元進行配對連接。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案4、系統(tǒng)軟件設(shè)計在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中，大多采用單任務(wù)的順序執(zhí)行機制，應(yīng)用程序是一個無限的大循環(huán)，所有的事件都得按順序執(zhí)行，對實時性要求較強的事件靠定時中斷來保證。這種方式的編程優(yōu)勢在于程序較為直觀，但由此帶來了一個重要的問題，那就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性較差。尤其是當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜且對實時性要求較嚴(yán)格時，這種單任務(wù)機制的弱點便暴露無遺。數(shù)據(jù)處理單元是整個系統(tǒng)的核心，因此系統(tǒng)對實時性和穩(wěn)定性要求都比較高，使用傳統(tǒng)的單任務(wù)編程方式很難滿足系統(tǒng)要求，為此將嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II應(yīng)用到S3C44B0的程序設(shè)計。將系統(tǒng)所要的功能細(xì)化成幾個核心任務(wù)，由μC/OS-II實時內(nèi)核進行任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行，提升了系統(tǒng)的可靠性和實時性。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案5、抗干擾設(shè)計（1）、抑制干擾源IC的電源與地之間并聯(lián)一個0.01μF～0.1μF電容；提高PCB的空間耦合能力。（2）、切斷干擾傳播途徑電路板合理分區(qū)，比如強/弱信號，數(shù)字/模擬信號，高/低頻信號，盡可能把干擾源與敏感元器件遠(yuǎn)離；微處理器和藍(lán)牙模塊之間的地線通過一個磁珠隔離。（3）、提高敏感元器件的抗干擾性能布線時，電源線和地線要盡量粗；微處理器使用電源監(jiān)控及看門狗電路。二、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案6、一段實測心電圖三、心電信號特征提取算法1、心電圖簡介

測量電極安放位置和連線方式（稱導(dǎo)聯(lián)方式）不同所記錄到的心電圖，在波形上有所不同，但基本上都包含P波、QRS波和T波，有時在T波后還出現(xiàn)一個小的U波。三、心電信號特征提取算法2、心電信號預(yù)處理

在心電信號的拾取過程中，來自人體自身肌電干擾、呼吸干擾和來自外界的工頻干擾等都會使系統(tǒng)的信噪比下降，甚至?xí)蜎]微弱的心電信號，嚴(yán)重影響了對心電信號的進一步分析和處理。因此在進行特征提取之前要濾除或者削弱這些干擾，對其進行預(yù)處理，以提高信號的信噪比。

本文中采用四點滑動平均濾波。該方法容易實現(xiàn)，運算速度快，可濾除高頻噪聲，且當(dāng)采樣率為200Hz時，還能抑制50Hz工頻干擾，對肌電和移動通訊中的干擾也有較好的抑制作用。三、心電信號特征提取算法3、特征提取算法在心電信號特征提取過程中，最重要也是最容易提取的是R波。（1）、R波定位R波定位算法采用的是自適應(yīng)二階差分閾值檢測算法。原理是：首先利用二階差分極小值對動態(tài)心電信號中的R波進行初步定位，再根據(jù)時延關(guān)系確定原始信號的一個較小區(qū)間來對R波進行精確定