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目前，以采集心電信號、分析和診斷為主的心電監護系統已經(jīng)得到了廣泛的應用，對于心臟系統疾病的預防、診斷發(fā)揮了很大的作用。但是此類(lèi)心電監護儀只能是在病人靜態(tài)或者病人要在特殊的情況下才能使用，對心臟病人的要求太高特別是心臟病疑似病人和早期的心臟病患者，影響他們正常的工作生活；而另一類(lèi)便攜式心電監護儀，其24小時(shí)可以監護，但是其存儲需要大量的空間，對于心電信號的回放也需要大量的時(shí)間，鑒于以上兩個(gè)問(wèn)題，本文設計基于模糊控制的便攜式心電監護儀。他在克服以上兩個(gè)問(wèn)題的同時(shí)也突破以往在線(xiàn)診斷疾病的單值處理，能夠更加準確地判斷心電信號正、異常實(shí)現及時(shí)發(fā)出報警。 1 系統總統設計 1.1 系統設計目標 根據心電信號特征、生物信號處理系統和現代心電監護技術(shù)發(fā)展要求，本系統選用高速SOC系列單片機C8051F020作為心電監護儀的主芯片實(shí)現以下功能： (1) 測量具有無(wú)創(chuàng )、安全、準確、可重復性強等； (2) 操作方便，測量簡(jiǎn)單，不影響待監護病人的正常的生活； (3) 能實(shí)時(shí)分析心電信號并判斷信號正、異常，初步診斷出監護病人的心電異常疾��； (4) 16 MB的FLASH存儲器能夠24小時(shí)存儲使用者的異常信號； (5) 系統出錯的報警功能； (6) 能夠將存儲的異常心電信號通過(guò)USB接口轉移到PC機上做進(jìn)一步的心電信號診斷。 1.2 系統硬件構成 本系統的硬件框圖如圖1所示。 首先從電極電路采集被測對象的微弱的心電信號，然后對此信號進(jìn)行放大、濾波處理后一支直接進(jìn)入主控芯片，另一支進(jìn)入導聯(lián)脫落檢測電路，然后再與主控芯片C8051F020連接。信號進(jìn)入主控芯片C8051F020之后，對其進(jìn)行相應的處理，實(shí)現報警、存儲、判斷、傳送等功能。 1.3 系統總體流程圖 系統總體流程圖如圖2所示。 2 模糊控制部分 心電自動(dòng)分析的主要目標是進(jìn)行心律失常診斷。臨床上對心律失常的自動(dòng)診斷就是結合節律分析和波形形態(tài)分析，對測得的心電波形識別分類(lèi)，并根據預先確定的診斷標準或判據做出相應的臨床診斷。而本設計是根據所提取的特征值結合醫學(xué)知識和醫學(xué)專(zhuān)家系統完成判斷的。 首先根據下列判據對待檢測病人進(jìn)行初步的診斷： 心動(dòng)過(guò)速 R-R間期<0.5 s(120次／min)； 心動(dòng)過(guò)緩 R-R間期>1.5 s(40次／min)； 停搏和室顫 在一段較長(cháng)時(shí)間內沒(méi)有QRS波，一般這個(gè)時(shí)間>1.6 s； 漏搏 一個(gè)R-R間期大約是以前平均R-R間期的2倍后并且沒(méi)有出現一次早搏的就是作為漏搏檢出，如果R-R間期大于平均的2倍但小于1.5 s，則作為房竇停止檢出； 室性早搏 室性早搏成對(連續出現兩次室性早搏)：室性二聯(lián)律(正常和室早交替出現連續兩次以上)；室性三聯(lián)律(正常、正常和室早交替出現連續兩次以上)，都歸為室性早搏。檢測標準復雜，需要進(jìn)一步用邏輯模糊分析判斷； R落在T上(R on T) 這是在心室復極化時(shí)期(T波)出現的PVC，由于T波無(wú)法檢測，所以只有靠節律分析； 插入性期前收縮 是沒(méi)有代償停歇的早搏，早搏的R-R間隔大致等于早搏前的平均R-R間隔； 房性早搏(APB) 一早搏接一個(gè)代償的停歇。 以上對心臟疾病的判據都是二值判斷，此種方法檢測簡(jiǎn)單易于實(shí)現但是對疾病的判斷不精確。實(shí)際上醫療診斷中存在大量的模糊語(yǔ)言及現象，判斷病人患病情況要根據多個(gè)參數的多值進(jìn)行判斷的。這些判據是由此方面醫學(xué)專(zhuān)家的先驗知識獲取的，利用這些判據形成多條模糊規則，把醫學(xué)專(zhuān)家臨床診斷疾病的方法用機器實(shí)現。下面就以模糊邏輯檢測室性早博為例，對監護病人的病情進(jìn)行初步的診斷，進(jìn)而區別正、異常心電信號，做到只記錄異常心電信號。 在單片機上實(shí)現模糊控制一般采用3種方式：強度轉移方式、直接查表方式和公式計算方式�？紤]到直接查表方式是通過(guò)離線(xiàn)計算，得到一張模糊控制表將控制表存放在計算機內存中的，在控制應用過(guò)程中，速度雖然很快但是若變量較多(本系統用到5個(gè))會(huì )導致模糊控制維數高使存儲、查表不方便。同佯公式計算也小適合本系統多參數的計算。而強度轉移方式是按模糊控制的極大一極小法進(jìn)行推理。每個(gè)輸入參數映射為多個(gè)隸屬度，每組輸入會(huì )激活多條規則，可能對應不同的結果。用取小的原則計算各組合對應規則的輸出強度，然后按最大隸屬度原則得出對應于各結論的可信度。這樣，對于每一個(gè)輸入都可得出與各結論相對應的輸出強度。稱(chēng)為輸出隸屬度。取輸出強度最大的那個(gè)隸屬度作為輸出。實(shí)驗結果表明，這種方法對本系統最為合適。下面就以早搏為例說(shuō)明，提取R波寬度(RW)、RR間期(RR)、R波面積(RA)T波面積(TA)、T波峰值(TH)這5個(gè)特征值來(lái)用模糊方式診斷被監護者發(fā)生室性早搏的情況。部分模糊規則表如表1所示。 由于單片機的內存容量有限，如果要對系統輸入輸出論域的所有隸屬函數的連續曲線(xiàn)進(jìn)行存儲，是不可能的，所以本系統對于三角形隸屬函數采用三點(diǎn)法，存儲三角形的3個(gè)頂點(diǎn)；對于兩邊的半梯形存儲腰和頂的3點(diǎn)。隸屬函數存放在ROM中，圖3以R波的寬度為例說(shuō)明。 2.2 輸入模糊化 提取的特征參數是精確值，將他們與隸屬函數進(jìn)行比較組合，求出相應的模糊輸入量隸屬度范圍為0～1，單片機上可表示為00H～FFH。對本系統而言，每個(gè)精確輸入值最多只對應兩個(gè)模糊輸入量大于零，其余的模糊輸入量則為零。例如：假設RW=1.1，從表3可知他落在中(M)和大(L)兩個(gè)區間上，因此對于中(M)和大(L)的隸屬度為： μM(1.1)=(1.3-1.1)／(1.3-1.0)×FFH=5AH μL(1.1)=(1.1-1.0)／(1.3-1.0)×FFH=55H 在RAM中開(kāi)辟一塊區域，存放各模糊輸入量。 2.3 模糊規則的存放 模糊規則表示為：IF A and B and C and D and ETHEN Y(or Z) 其中"IF"后緊接著(zhù)的詞稱(chēng)前件，"THEN"后面的詞稱(chēng)后件。首先將輸入的模糊值S，M，L，XL分別與數字0，1，2，3相對應， 即：RW，RR，RA，TA，TH：S=0，M=1，L=2，XL=3。 每條規則用3字節表示。第1字節高4位表示第1前件的模糊值，低4位表示第2前件的模糊值；第2字節高4位表示第3前件，低4位表示第4前件；第3字節高4位表示第5前件，低4位表示后件。其中，F表示不考慮該前件，A表示"是PVC"，B表示"可能是PVC"。以一條規則(存放在ROM中)為例，如所示來(lái)說(shuō)明。 2.4 模糊推理 對于每一組輸入的數據，先進(jìn)行模糊處理然后遍歷每一條模糊規則，取第一條規則第一前件(3H)作為地址偏移量，加上模糊輸入RW在RAM中存放的首地址(40H)，則可從RAM內RR存放區域中查找出XL的隸屬度A1；取第一條規則第二前件(3H)作為地址偏移量，加上模糊輸入RW在RAM中存放的首地址(44H)，則可從RAM內RW存放區域中查找出XL的隸屬度B1；依此類(lèi)推得隸屬度C1，D1，E1。根據強度轉移法，取A1，B1，C1，D1，E1中最小值作為該規則后件所取的語(yǔ)言變量"是PVC"的隸屬度Y1。當所有規則都遍歷后得到："是PVC"的隸屬度Y1，Y2～Ym，"可能是PVC"的隸屬度Z1，Z2～Zn取Y1，Y2～Ym的最大值作為"是PVC"的隸屬度Y，取Z1，Z2～Zn的最大值作為"可能是PVC"的隸屬度Z。如果Y<7FH且Z<1FH，則輸出"正常"；如果Y>Z，輸出"是PVC"；如果Z>Y，輸出"可能是PVC"。 3 結 語(yǔ) 本文設計的心電監護儀，集心電信號的采集、分析于一體，而且系統體積小、安全、可靠，能夠在不影響被監護者正常生活的情況下進(jìn)行使用，可以初步診斷病情，進(jìn)而節省存儲空間，節約進(jìn)一步診斷病情的時(shí)間，經(jīng)實(shí)驗取得了很好的效果。如果能夠結合更多的此方面醫學(xué)專(zhuān)家的知識，可以實(shí)現更完善的診斷功能。 |
