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1、e d i c a | I n s t r u m e n t a t i o n 设计制造 文章编号:1 6 7 1 7 1 0 4 ( 2 0 0 8 ) 0 6 0 4 1 9 0 5 2 0 0 8 年3 2 卷第6 期 基于U S B 及无线传输的微伏T 波电位交替检测系统设计 【作者】黄莉洁,杨圣+ ,刘爱军王亚军, 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系( 安微,合肥2 3 0 0 2 7 ) 【摘要】本文介绍了一个基于无线传输和U S B 接1 :3 相结合的T 波电交替检测系统的设计。该系统首先对心电信号进行放大,放大 器放大倍数为2 0 0 0 倍,共模抑制比为8 0 d b
2、 。放大后的信号经过1 2 位A D 采样再经过无线传输和U S B 总线传输到P C 处理 端。在处理端,利用谱分析方法对T 波交替进行检测。实验结果表明该系统具有高数据传输速率和实时数据处理能 力,能够实现微伏T 波电交替的测定。 【关键词】微伏T 波电交替,心电图:无线传输;U S B 【中图分类号】R 3 1 8 6 【文献标识码】A D e s i g no fM i c r o v o l tTW a v e A l t e r n a n sD e t e c t i n gS y s t e m B a s e do nW i r e l e s sa n dU S BC o
3、m m u n i c a t i o n 【W r i t e r s 】H U N A GL i - j i e ,Y A N GS h e n g + ,L I UA i - j u n ,W A N GY a - j u n D e p a r t m e n to fP r e c i s i o nM a c h i n e r ya n dP r e c i s i o nI n s t r u m e n t a t i o n ,U n i v e r s i t yo fS c i A n dT e c h o fC h i n a ,H e f e i ,A n h u
4、i , 2 3 0 0 2 7 C h i n a 【A b s t r a c t 】 I nt h i sp a p e r ,aTw a v ea l t e r n a n sd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nw i r e l e s sa n dU S Bc o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e dT h eE C G s i g n a li sa m p l i f i e di nt h ef i r s ts t e p T h ea m p l i f i e rh a sag a
5、 i no f2 0 0 0a n dt h eC M R Ri s8 0 d B T h e nt h es i g n a li ss a m p l e d w i t ha12 _ b i tA Dc o n v e r t e r A tl a s t t h es a m p l er e s u l Ii st r a n s m i t t e dI Ot h eP Cv i aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dU S Bb u s I nt h eP C 。I h eTw a v ea l t e r n a n sa
6、r ed e t e c t e du s i n gt h es p e c t r a lm e t h o dR e s u l t ss h o wl h a It h i ss y s t e mh a sh i g hd a t a l r a n s m i s s i o nr a t ea n dr e a It i m e d a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t y a n dc a nr e a l i z et h ed e t e c t i o no fTw a v ea l t e r n a n s K e yw
7、o r d s m i c r o v o l tTw a v ea l t e r n a n s ,E C G ,w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ,U S B 我国每年约有5 0 万人死于心脏性猝死( S u d d e n c a r d i a cd e a t h ,S C D ) 。S C D 具有突发、迅速、不可预测和 死亡率高的特征,发生的直接原因是心率失常,8 0 以 上是有血流动力学障碍的室| 生心动过速( 简称室速) 或 心室颤动( 简称室颤) ,即所谓恶性室陛心律失常。因 此,预防恶性室性心律失常的发生,及时终
8、止室| 生心动 过速或心室颤动是预防猝死发生的关键环节。 T 波电交替( Tw a v ea l t e r n a n s ,T W A ) 是心肌电活 动不稳定的标志。研究证明,T W A 与恶性室性心律失 常、心脏性猝死之间有着极为密切的关系,是预测发生 恶性室| 生心律失常独立的、有意义的指标,并且在预测 心律失常生存率方面,具有与电生理检查同等的预测 价值。同时,T W A 具有较高的阴性预测价值,因而具有 在低危人群中筛选高危患者的作用,并且可以用于评价 心律失常药物的疗效,有助于进一步阐明心律失常的 收稿日期:2 0 0 8 0 8 1 2 修回日期:2 0 0 8 0 9 0
9、4 作者简介:黄莉洁,( 1 9 8 4 ) ,硕士研究生,主要研究方向:生命科学仪器 通讯作者:杨圣,副教授,研究方向:数字信号处理,生命科学仪器。 E m a i l :y a n g s u s t ce d uc n 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 6 0 5 7 1 0 3 4 ) i4 1 9 发生机制性1 。 心脏性猝死患者一般属于危重病人,需要特别护 理,医生和家属应该尽量不与病人的直接接触,以减少 对病人的干扰。基于无线传输的医疗系统可以给使用 者带来更大的灵活性,使用者可以不受时间、地点的限 制,减少与外界的接触干扰。另外,U S B 接口具有成本 低、使用方便、易扩
10、展和标准统一等优点,把U S B 应用 于检测系统,将系统与计算机连接,有利用检测系统的 小型化、智能化。本文所设计的微伏T 波电交替检测系 统正是基于u s B 及无线传输的基础上提出的。 该系统使用2 4 G H z 频段的高性能无线收发芯片实 现无线传输,把U S B 作为无线接收部分与P C 机的高速 数据传输总线相连,采用频域分析的方法检出微伏T 波电交替,并对系统的微伏T 波电交替的同步采集和动 态显示性能进行了测试。 l 系统硬件设计 微伏T 波电交替系统由移动和固定两部分组成。 移动部分放置在患者的床边,实现心电微弱信号 的放大以及数据采集和无线发射。该部分采用三通道 导联同时
11、检测对象体表x ,Y ,z 三个向量的心电波,附 万方数据 e d i c a | | n s t r u m e n t a t i o n 设计制造 加一个通道接地作为参考信号,用于信号的消噪处理。 导联电极提取出的体表信号首先经过放大器放大,放大 倍数为2 0 0 0 倍,然后通过低通滤波器滤去无用的高频信 号,随后经过A D 转换,将模拟信号转化为数字信号。转 换结果通过无线发射电路发射出去,如图1 ( a ) 所示。 固定部分放置在远离患者的地方,实现数据的接 收以及实时数据处理和显示。这部分包括无线接收电 路、U S B 传输电路以及P C 机。无线接收电路接收到数据 后,由u s
12、 B 控制器将数据通过U S B 总线传输到主机,然 后由P C 机完成实时数据处理和显示,如图1 ( b ) 所示。 ( a ) 移动部分m o v i n gp a r t ( b ) 固定部分f i x e dp a r t 图1 系统结构框图 F i glT h eb l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m 心电信号的带宽为0 0 5 1 0 0H z l 3 1 。下面对系统各 模块进行简要说明。 1 1 M S P 4 3 0 微处理器模块 作为便携式的移动终端,在设计时应该充分考虑 其体积小、功耗低、存储容量大和处理速度高的要求, 因此经
13、过资料收集和反复比较,最终选择了T I 公司推 出的新型单片机M S P 4 3 0 。 该单片机采用T I 最新的低功耗技术,工作电压为 1 8 3 6 V ,具有丰富的时钟模块,有正常工作模式和5 种低功耗模式。同I j , - M S P 4 3 0 具有非常高的集成度,集 成了多通道的A D 转换、看门狗定时器、大量的I O 端口 以及大容量的片内存储器| 4 j 。心电信号经过低噪声、高 输入阻抗、高增益、高共模抑制比的生物信号前置放大 器放大和滤波后,即可通过M S P 4 3 0 F 4 4 8 自带的1 2 位A D 转换器进行A D 转换,然后进行数字滤波。处理好的 数据先保
14、存在F I F O 缓冲器中,然后由M S P 4 3 0 单片机从 F I F O 中读出数据并通过无线发射模块发射出去。 1 2 心电信号采集模块 从人体胸部、腋下和背部分别采用贴片电极取出 三路信9 x ,Y ,Z ,经缓冲隔离送入放大调理电路作放 大和干扰抑制滤波。由于心电信号很微弱,容易受工频 2 0 0 8 年3 2 卷第6 期 干扰、电极板与人之间的极化电压以及仪器内的噪声和 周围电磁场的干扰,所以我们采用自行设计的放大器, 放大倍数达2 0 0 0 倍,输入阻抗5M Q ,共模抑制比大于 8 0d B 。这样,经过放大器后共模噪声被抑制,心电微 弱信号由毫伏级放大至伏级,满足系
15、统的设计要求。 前置放大器输出的信号并不是纯粹的心电信号,其 中还夹杂着直流或低频分量。因为所需的有用信号集 中在0 3 3H z ,心电信号频率分量大多在1 0 0H z 以下, 所以设置了截止频率为1 0 0H z 的低通滤波器。 经过信号调理的三路心电信号经过放大电路后, 输入M S P 4 3 0 F 4 4 8 的A D 转换通道1 ,2 ,3 ,进行A D 转换。 1 3 数据存储 以1 0 0 0H z 的采样频率对每个经过前端信号处理 的通道进行A D 转换后,将结果直接保存至I F I F O 缓冲 器中。使用F I F O ,一方面减轻了M S P 4 3 0 F 4 4
16、8 的负担, 另一方面平衡数据采集与无线传输的速度差异。然后 M S P 4 3 0 F 4 4 8 再从F I F O 中读出数据,并通过无线发射 模块发射出去。 1 4 无线发射模块 本系统为移动终端,涉及数据的无线传输。为了实 现此功能,采用了N o r d i c 公司的n R F 2 4 0 1 A 。该芯片工 作于全球开放的2 4G H zI S M 频段,高效G M S K 调制, 抗干扰能力强,传输速率和频道选择可通过微处理器 进行编程配置,支持2 5 0k b p s 币H1M b p s 的数据传输速 率1 5 1 。发射功率经外加放大器增强后可达2 0d B m ,接收
17、灵敏度为一9 0d B m ,空旷地的发射距离为3 0 0 4 0 0m , 有障碍物时6 0 1 0 0m ,所以可以满足系统要求。 1 5 U S B 传输模块 当无线接收芯片接收到数据后,便向U S B 控制器 发送中断信号,U S B 控制器将接收到的数据通过U S B 总线传输至1 P C 机进行实时处理和显示。U S B 控制芯片 选用C y p r e s s 公司E Z U S B 系y l J A N 2 1 3 1 Q C ,片内嵌有 一个增强型的8 0 5 1 微控制器,并使用片内R A M 作程序 和数据存储器,使芯片具有软特性,允许客户随时不断 地设置和升级。E Z
18、u s B A N 2 1 3 1 Q c 符合U S B 规范1 1 版本,该版本有4 种传输方式:控制传输、中断传输、批 量传输和同步传输。其中同步传输又可分为2 种方式, 即普通读写方式和快速读写方式。本系统中采用的是 快速读写方式,在该方式中芯片可以在0 5m s 内读写1 k B 的数据6 1 。 2 系统软件设计 。? 4 j 2 :0 j ?万方数据 e d i c a | l n s t r u m e n t a t i o n 设计制造 系统软件使用C 语言编写,主要由数据采集模块、 无线发射模块和U S B 传输模块三部分组成。 2 1 数据采集模块 使用M S P 4
19、3 0 中的模数转换器,需注意以下几个方 面:采样时序选择、参考电平设置、判断A D 转换是否 结束以及A D 转换结果处理等。判断转换结束主要由2 种方法:使用A D C l 2 C T L l 的B U S Y 位或者A D C l 2 I F G 标志位查询的方法。对于单通道单次模式,选择 A D C l 2 C T L l 的B U S Y 为判断的方法,对于重复序列模 式选择A D C l 2 I F G 标志位查询的方法。转换后的结果 进行数字滤波处理。 2 2 无线发射模块 F I F O 存储器的容量为6 4 KB y t e s 。当存储数据达 到容量的一半时,会产生半满中断
20、信号,M S P 4 3 0 F 4 4 8 响应中断并开始将F I F O 中的数据经n R F 2 4 0 1 A 发射出 去。每次发送3 2 KB y t e s ,然后等待F I F O 的下一次半满。 无线发射程序流程图如图2 所示”1 。 图2 无线发射程序流程图 F i g2F l o wc h a r to fw i r e l e s st r a n s m i s s i o np r o g r a m 2 3U S B 传输模块7 1 8 1 2 3 1U S B 固件程序 固件程序是指运行在E Z U S B 芯片微处理器中的 程序,用来响应各种来自系统的U S B
21、 标准请求,完成各 种数据的交换工作和对外围电路的控制。每次设备连 接到主机上,主机下载固件程序至I E Z U S BA N 2 1 3 1 Q C 2 0 0 8 年3 2 卷第6 期 芯片的8 K 片内R A M 中,经过设备重枚举后,U S B 接口交 给M S P 4 3 0 F 4 4 8 微处理器处理。在本系统中,端点0 用 来完成U S B 的各种标准请求;端点2 I N 用来读取模数转 换结果,并将其传送到主机;6 0 U T m 来停止设备。固件 程序使用K e i lC 环境进行调试和编译。 2 3 2U S B 驱动程序 U S B 设备驱动程序是连接硬件和系统应用程序
22、 的桥梁。它通过创建和发送U S B 请求块( U S Br e q u e s t b l o c k ) ,将应用程序的命令传递给W i n d o w s 操作系统 提供的U S B 总线驱动程序。U S B 接口程序的结构关系 如图3 所示,U S B 主控制器接收至I J U S B 总线驱动程序的 请求,通过U S B 电缆的物理连接,与U S B 固件程序进行 通信,从而实现数据传输和对无线接收电路的控制。 应用程序 rW i n 3 2 A W i n 3 2 子系统 U S B - 马g 动程序 用户模式 内核模式 U S B 总线驱动程序 : U S B 主控制器 z 、
23、U S B 电缆 E Z U S B 芯片 _ _ +n R F 2 4 0l A ( U S B 固件程序) 图3U S B 接口程序的关系结构 F i g3R e l a t i o n s h i ps t r u c t u r eo fU S Bi n t e r f a c ep r o g r a m 3 微伏T 波电交替的检验 经过预处理后的心电数字信号,通过U S B 传输到 P C 机,完全可以用来对T 波电交替进行分析处理。即将 心电图波形的变化转变成能量谱,采用快速傅立叶转 换进行数据处理,借助计算机技术发展而成的频谱一时 间标测技术,来测定T 波电交替。 3 - 1
24、确定T 波段的位置。 一般心电周期中R 波和T 波的相对位置是固定的, 所以我们可以通过R 波的定位来确定T 波段的位置。由 于经过滤波后的数字信号已经相当平滑,所以可以采 用微分最大值处为标志来标识R 波,再找到R 波顶点。 。誊4 2 1 。鬈j 万方数据 e d i c a ll n s t r u m e n t a t i o n 设计制造 从R 波顶点处后移,确定同一周期中的T 波位置。 3 2 对T 波段进行频域分析 为了在频域反映出T 波段幅度,将心电波形的变化 转变成能量谱,对连续1 2 8 个周期的T 波段进行F F T 分 析。即在每个周期的T 波段分别取一个对应点,对这
25、1 2 8 个对应点进行F F T 变换,进而得到其功率谱。同时为了 提高信噪比,采用叠加功率谱的办法。即在1 2 8 个连续 T 波段中,分别取2 0 组位置对应的采样点,然后分别作 2 0 组F F T ,然后再叠加。根据叠加原理,信噪比将随之 增加9 1 。 3 3T 波电交替的检验 得到信号的功率谱后,需要进一步判断信号中是 否存在T W A ,所以需要确定判据。 考虑到背景噪声的影响,为了定量描述信号谱的 特征,确定信号中是否存在T 波的交替现象,本文引入 T 波电交替指数T W A I 。所谓的背景噪声谱,是定义在 微伏T 波电交替谱图中预先设定的一个一定宽度的窗 口中的谱。我们定
26、义频率落在0 4 4 0 4 9 频带内的噪声 为背景噪声,其平均值为S 。标准方差为6 。T 波电 Ca 交替能量为S 则T W A I = 二堕兰【1 0 ,。 f f n o i s e 当S 。= & ,一S a 为负值时,表示交替L H , 匕G 里9 饭5 r b 噪声淹 没,此时取S 。= 0 。 当T W A I 3 时,T 波交替现象显著。 影实验与结果 系统实物图如图4 所示。该系统体积小,移动部分 方便携带,适合于重症患者临床检测。 为了检验系统对T 波交替现象评判的性能,对多名 患者进行了实验测试。 ( a ) 移动部分m o v i n gp a r t 4 2 2
27、2 0 0 8 年3 2 卷第6 期 ( b ) 崮足部分f i x e dp a r t 图4 系统实物 F i g4t h eo b j e c to ft h i ss y s t e m 测试者在静息状态下检测。导联的连接方式如下: S i m s o nX 、Y 、Z 正交导联( 其中x 导联= V 1 一V 2 ;Y 导联 = V 3 - V 4 ;Z 导联= V 5 - V 6 。) :x 正极( V 1 ) 位于左侧第4 肋 间腋中线处,负极( V 2 ) 位于右侧第4 肋间腋中线处;Y 正极( V 3 ) 位于胸骨体左缘于肋弓交界处,负极( ) 位 于胸骨柄左缘;z 正极(
28、V 5 ) 位于胸骨左缘第4 肋问,负 极( V 6 ) 位于背部与z 正极$ H x , l 应的位置。 选取典型实验结果如下:图5 为阳性测试者的心电 信号;图6 ( a ) 、( b ) 分别为T 波电交替频谱示意图,( a ) 阴性( T W A I = 0 ) ( b ) 阳性( T W A I = 6 0 9 ) 。 = ? j j 一么建。一,t 一厶一Z ,j 。一, ,j 一芦芦丁7 。7 。j 严芦广- T Z L ? 。一一歹j 一7 7 一一一一“。7 j 。一 t 畦t _ 蝴 图5 阳性测试者的心电信号 F i g 5E C Go fp o s i t i v ec
29、 o n n e r 从图上可以看出,本系统可以很好的判断信号中 是否存在T 波电交替现象,可以用于猝死和恶性室| 生心 律失常的进一步监测研究。 5 结论 本文完成了基于U S B 接口和无线传输的微伏T 波 电交替检测系统的设计和调试,为微伏T 波电交替检 测提供了一个实验平台。该系统基于U S B 接口和无线 传输,实现了心电信号的采集、放大、无线收发和数 万方数据 C h i n e s eJ o u r n a I 5 尝工 耍4 蚤 3 题 祷 蚤 2 O x 1 0 e 6 e d i c a | I n s t r u m e n t a t i o n 设计制造 频率( c
30、y c l e s b e a t ) ( a ) 频率( c y c l e s b e a t ) ( b ) 图6T 波电交替功频谱示意图( a ) 阴性( T W A I = 0 ) ( b ) 阳性( T W A I = 6 0 9 ) F i g 6T h ep o w e rs p e c t r u mo fT W A ( a ) n e g a t i v e ( T W A I = 0 ) ( b ) p o s i t i v e ( T W A I = 60 9 ) 2 0 0 8 年3 2 卷第6 期 据传输,并且采用频域分析、功率谱叠加的方法检验 微伏T 波电交替,
31、实现了微伏T 波电交替的同步采集和 动态显示。 目前,时域法的实时性较好,可以更好地跟踪测 量,所以对仪器实时性的有待于进一步研究改进。 参考文献 张村泰,程冕T 波电交替及其对恶性心律失常的预测价值 J 中国心脏起博与心电生理杂志,2 0 0 8 ,2 2 ( 1 ) :1 1 - 1 4 张开滋,孟庆华,白英烈,等主编猝死诊断防治学 M 】北 京:科学技术文献出版社,1 9 9 9 :2 5 7 2 6 0 王家达,刘祖望基于$ 3 C 2 4 1 0 的无线胎儿心电监护仪设计 J 中国医疗器械杂志,2 0 0 7 ,3 1 ( 1 ) :3 0 一3 3 张宁,王言章基于M S P 4
32、3 0 的动态心电图记录系统研究 J 医 疗卫生装备,2 0 0 5 ,2 6 ( 6 ) 6 :9 - 1 0 N o r d i cn R F 2 4 0 1p r o d u c td a t a s h e e t ,h t t p :w w wn v l s in o C C D 信号采集系统的U S B 接口设计 J 电子元器件应用, 2 0 0 6 ,( 3 ) :2 5 2 7 B i n ,Z h a n g ,D i h u ,C h e n ,S h e n g ,Y a n g D e s i g no fH i g h F r e q u e n c yV e n t
33、 r i c u l a rR e p o l a r i z a t i o nW a v eD e t e c t i o n S y s t e mB a s e do nW i r e l e s sU S Bc o m m u n i c a t i o n J 2 0 0 7 1 s tI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eO nB i o i n f o r m a t i c sa n dB i o m e d i c a l E n g i n e r r i n g ,I C B B E ,2 0 0 7 ,1 0 3 9
34、1 0 4 3 张宾,陈迪虎,杨圣1 2 导心电图同步采集系统U S B 接口设计 J 北京生物医学工程,2 0 0 6 ,2 5 ( 6 ) :5 9 8 一一6 0 1 业苏宁,沈振宇,黄元铸,等T 波电交替的分析研究 J 数据 采集与处理,2 0 0 1 ,1 6 ( 2 ) :1 7 6 1 8 0 陈培军,陈士贵,刘向昕等心电T 波交替的改进谱估计检测 方法 J 航天医学与医学工程,2 0 0 3 ,1 6 ( 6 ) :4 2 6 4 2 9 S MN a r a y a n ,G WB o t t e r o n ,J MS m i t h T - w a v ea l t e
35、r n a n s s p e c t r a lm a g n i t u d ei ss e n s i t i v et oE C Gb e a ta l i g n m e n t s t r a t e g y J I E E ET r a n so nC o m p u t e r si nC a r d i o l o g y , 1 9 9 7 ,2 4 ( 3 ) :5 9 3 5 9 6 上接第4 1 8 页】 家庭监测中,用户可自我观察波形,S D 卡可记录长时间 ( 连续可达2 天) 的心电信号数据,再交由医生分析。 无线传输技术可实现监护中数据即时、准确和完 整的送到
36、服务端。图8 为用户端采集得到的E C G 波形, 图9 为服务端接受到的E C G 波形。 系统很好地满足了医院的无线监测和家庭的连续 监测要求。小型的嵌入式结构保证了系统的稳定性和 可扩展性。在此硬件基础上可开发不同应用程序,增强 系统的功能,以满足用户不断提高的需求。 1 4 2 3 参考文献 王保华心电技术面向未来 J 中国医疗器械杂志,2 0 0 3 ,2 7 ( 6 ) 3 9 0 4 2 8 医疗电子:心电图前端T e x a si n s t r u m e n t s 公司网站 h t t p :f o c u s t i c o m c n A t m e lc o r p
37、 A T 9 1 S A M 7 S 6 4d a t a s h e e t N o r d i cs e m i c o n d u c t o r c o r p S i n g l e c h i p4 3 3 8 6 8 9 1 5M H z T r a n s c e i v e rn R F 9 0 5 h t t p :w w w n o r d i c s e m i c o m S a n D i s kC o r p o r a t i o n S a n D i s kS e c u r eD i g i t a lC a r dP r o d u c t M a n u a lV e r s i o n2 2 M i c r o s o f tC o r p o r a t i o n M i c r o s o f tE x t e n s i b l eF i r m w a r e I n i t i a t i v eF A T 3 2F i l eS y s t e mS p e c i f i c a t i o n 【M U 纠 纠 卅 习印 刀 踟 卯 如 n 2 3 4 5 6 万方数据
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