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基于AR模型便攜式心率變異系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
摘 要：筆者主要闡述便攜式心率變異系統(tǒng)包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，利用快速中值濾波方法去除基線漂移，自適應(yīng)R波差分法查找R-R間期，采用AR模型中的Marple算法進(jìn)行頻譜估計(jì)，系統(tǒng)綜合考慮監(jiān)測(cè)儀在集成輕型化、微小化、一體化、可視化、智能化等優(yōu)點(diǎn)為一身，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。
關(guān)鍵詞：便攜式；心電信號(hào)；R波檢測(cè)；AR模型
1 概 述
近年來(lái)?yè)?jù)大量的臨床研究表明，已經(jīng)充分肯定了自主神經(jīng)活動(dòng)與多種疾病有關(guān)系，特別是與某些心血管疾病的死亡率相關(guān)。心率變異（Heart rate variability,HRV）又稱為心率波動(dòng)性，是從連續(xù)心電信號(hào)中分析R-R間期的微小變化，產(chǎn)生于自主神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)心臟竇房結(jié)的調(diào)制，使得心跳間期存在微小毫秒的差異或波動(dòng)，來(lái)反應(yīng)心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動(dòng)的緊張性和均衡性，是一種應(yīng)用于檢測(cè)自主神經(jīng)活性非侵入性指標(biāo)。近年來(lái)很多研究表明，心臟性猝死、高血壓、冠心病、AMI、心力衰竭、睡眠呼吸暫停綜合征、糖尿病等疾病的HRV分析均顯示出有交感神經(jīng)活動(dòng)偏優(yōu)勢(shì)，迷走神經(jīng)張力下降。所以，HRV是一種能方便揭示人體植物神經(jīng)系統(tǒng)控制狀態(tài)的方法，不僅能評(píng)價(jià)心臟的各種病理狀態(tài)，而且反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)平衡活性來(lái)解釋功能性疾病發(fā)生機(jī)理，因此具有良好的應(yīng)用前景。以往需要到醫(yī)院才能檢測(cè)這些指標(biāo)，而市場(chǎng)上專用應(yīng)用于測(cè)量心率變異的便攜式設(shè)備更是少之甚少，因此人們平時(shí)無(wú)法在生活中實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)勞動(dòng)強(qiáng)度負(fù)荷度，尤其是勞動(dòng)強(qiáng)度大的職業(yè)人或運(yùn)動(dòng)員及老年人。為了讓人們?cè)谏钪袝r(shí)刻關(guān)注自身身體健康，便攜式醫(yī)療器械隨著智能化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，受到越來(lái)越多的人們的關(guān)注。筆者所闡述的基于AR模型便攜式心率變異監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是綜合考慮攜帶方便化、可視化、一體化、輕型化等特點(diǎn)，能實(shí)時(shí)記錄和顯示心電圖信號(hào)及心率變異，同時(shí)由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕盈適合推廣到家庭、個(gè)人使用。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 主要特征
上位機(jī)軟件兼容智能手機(jī)及Windows操作系統(tǒng)，使用方便、美觀、大方；硬件主機(jī)采用神念集成智能芯片，設(shè)計(jì)上采用便攜式耳機(jī)方式，使用攜帶方便，使用檢查無(wú)需特殊環(huán)境，保護(hù)個(gè)人隱私；軟件設(shè)計(jì)保留傳統(tǒng)心電信號(hào)波形的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)計(jì)算心率，并具有可選擇性的分析心率變異，系統(tǒng)可以通過(guò)藍(lán)牙和網(wǎng)絡(luò)通訊，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定期發(fā)送指定服務(wù)器存儲(chǔ)或到遠(yuǎn)程診療中心；心率異常報(bào)警，本系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)定心率報(bào)警閾值，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)異常，本系統(tǒng)發(fā)出警告聲，同時(shí)提供精確測(cè)量心率核實(shí)功能，確保信息真實(shí)可靠。
2.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)主要有適用于Windows系統(tǒng)、智能手機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件、硬件采集器及電極所構(gòu)成，見圖1。 圖1 系統(tǒng)應(yīng)用連接示意圖 可攜帶心率變異監(jiān)測(cè)儀采用BMD101芯片作為心電采樣單片機(jī)和CSR-8635低功耗藍(lán)牙模塊等硬件設(shè)計(jì)，并通過(guò)硬件內(nèi)部編程和上位機(jī)軟件編程算法來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列計(jì)算功能。其基本原理：由電極從手腕部（心尖部）獲取脈搏（心電）信號(hào)，經(jīng)前置電路放大、濾波處理后，通過(guò)BMD101芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。將處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙通訊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件（智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)）來(lái)顯示、存儲(chǔ)及計(jì)算等一系列心率變異計(jì)算，若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超出設(shè)定閾值，上位機(jī)軟件或硬件均發(fā)生異常報(bào)警。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要的特點(diǎn)是便攜式可攜帶設(shè)備實(shí)時(shí)獲取用戶心電信號(hào)，心電信號(hào)是一種非常微弱的生物電信號(hào)，常規(guī)獲取的心電信號(hào)中伴有工頻干擾、肌電干擾、基線漂移。通過(guò)一系列濾波后，計(jì)算相鄰心電R波之間R-R間期，記錄最近兩分鐘R-R間期按時(shí)間進(jìn)行有序插值，然后對(duì)整理過(guò)的心率R-R時(shí)間有序信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。將分析數(shù)值通過(guò)上位機(jī)軟件顯示。
2.3 移動(dòng)式硬件設(shè)計(jì)
2.3.1 電源電路（見圖2） 圖2 電源電路 電池采用3.7V充電鋰電池，由U5Q5L1和D3構(gòu)成電源BUCK電路，通過(guò)電阻R17R18R19調(diào)節(jié)輸出，使得輸出電壓適合MCU工作電壓+3.3V。
2.3.2 信號(hào)采集電路（見圖3） 圖3 信號(hào)采集電路 人體心電通過(guò)J2觸點(diǎn)輸入到U4信號(hào)采集芯片BMD101內(nèi)部，D1D2構(gòu)成電壓鉗位保護(hù)U4，C10C11為U4提供去耦和濾波。人體心電信號(hào)經(jīng)過(guò)U4信號(hào)采集芯片處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)芯片帶有的串行接口經(jīng)過(guò)R9R14傳輸?shù)組CU中。
2.3.3 數(shù)據(jù)處理和發(fā)送電路（見圖4） 圖4 數(shù)據(jù)處理和發(fā)送電路 MCU采用意法半導(dǎo)體的ARM芯片，采用COTEX-M3系列，其主頻可以通過(guò)PLL倍頻到72M，以提高數(shù)據(jù)處理能力。MCU接收到BMD101發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行有效數(shù)據(jù)提取，并轉(zhuǎn)化為心電數(shù)據(jù)。心電數(shù)據(jù)再通過(guò)MCU和藍(lán)牙模塊HM-06連接的接口發(fā)送到藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊再發(fā)送到上位機(jī)上。
2.4 客戶端軟件設(shè)計(jì) 客戶端軟件是基于Visual Studio2008平臺(tái)采用VB語(yǔ)言適用于Windows操作系統(tǒng)和基于Android Studio插件采用VC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)適用于Andorid操作系統(tǒng)。
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