基于模糊控制的便携式心电监护仪的设计 - 医疗电子 - 电子

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目前，以采集心电信号、分析和诊断为主的心电监护系统已经得到了广泛的应用，对于心脏系统疾病的预防、诊断发挥了很大的作用。但是此类心电监护仪只能是在病人静态或者病人要在特殊的情况下才能使用，对心脏病人的要求太高特别是心脏病疑似病人和早期的心脏病患者，影响他们正常的工作生活；而另一类便携式心电监护仪，其24小时可以监护，但是其存储需要大量的空间，对于心电信号的回放也需要大量的时间，鉴于以上两个问题，本文设计基于模糊控制的便携式心电监护仪。他在克服以上两个问题的同时也突破以往在线诊断疾病的单值处理，能够更加准确地判断心电信号正、异常实现及时发出报警。

1 系统总统设计

1.1 系统设计目标

根据心电信号特征、生物信号处理系统和现代心电监护技术发展要求，本系统选用高速SOC系列单片机C8051F020作为心电监护仪的主芯片实现以下功能：

(1) 测量具有无创、安全、准确、可重复性强等；
(2) 操作方便，测量简单，不影响待监护病人的正常的生活；
(3) 能实时分析心电信号并判断信号正、异常，初步诊断出监护病人的心电异常疾病；
(4) 16 MB的FLASH存储器能够24小时存储使用者的异常信号；
(5) 系统出错的报警功能；
(6) 能够将存储的异常心电信号通过USB接口转移到PC机上做进一步的心电信号诊断。

1.2 系统硬件构成

本系统的硬件框图如图1所示。


首先从电极电路采集被测对象的微弱的心电信号，然后对此信号进行放大、滤波处理后一支直接进入主控芯片，另一支进入导联脱落检测电路，然后再与主控芯片C8051F020连接。信号进入主控芯片C8051F020之后，对其进行相应的处理，实现报警、存储、判断、传送等功能。

1.3 系统总体流程图

系统总体流程图如图2所示。


2 模糊控制部分

心电自动分析的主要目标是进行心律失常诊断。临床上对心律失常的自动诊断就是结合节律分析和波形形态分析，对测得的心电波形识别分类，并根据预先确定的诊断标准或判据做出相应的临床诊断。而本设计是根据所提取的特征值结合医学知识和医学专家系统完成判断的。
首先根据下列判据对待检测病人进行初步的诊断：

心动过速 R-R间期<0.5 s(120次／min)；
心动过缓 R-R间期>1.5 s(40次／min)；
停搏和室颤 在一段较长时间内没有QRS波，一般这个时间>1.6 s；
漏搏 一个R-R间期大约是以前平均R-R间期的2倍后并且没有出现一次早搏的就是作为漏搏检出，如果R-R间期大于平均的2倍但小于1.5 s，则作为房窦停止检出；
室性早搏 室性早搏成对(连续出现两次室性早搏)：室性二联律(正常和室早交替出现连续两次以上)；室性三联律(正常、正常和室早交替出现连续两次以上)，都归为室性早搏。检测标准复杂，需要进一步用逻辑模糊分析判断；
R落在T上(R on T) 这是在心室复极化时期(T波)出现的PVC，由于T波无法检测，所以只有靠节律分析；
插入性期前收缩 是没有代偿停歇的早搏，早搏的R-R间隔大致等于早搏前的平均R-R间隔；
房性早搏(APB) 一早搏接一个代偿的停歇。 以上对心脏疾病的判据都是二值判断，此种方法检测简单易于实现但是对疾病的判断不精确。实际上医疗诊断中存在大量的模糊语言及现象，判断病人患病情况要根据多个参数的多值进行判断的。这些判据是由此方面医学专家的先验知识获取的，利用这些判据形成多条模糊规则，把医学专家临床诊断疾病的方法用机器实现。下面就以模糊逻辑检测室性早博为例，对监护病人的病情进行初步的诊断，进而区别正、异常心电信号，做到只记录异常心电信号。

在单片机上实现模糊控制一般采用3种方式：强度转移方式、直接查表方式和公式计算方式。考虑到直接查表方式是通过离线计算，得到一张模糊控制表将控制表存放在计算机内存中的，在控制应用过程中，速度虽然很快但是若变量较多(本系统用到5个)会导致模糊控制维数高使存储、查表不方便。同佯公式计算也小适合本系统多参数的计算。而强度转移方式是按模糊控制的极大一极小法进行推理。每个输入参数映射为多个隶属度，每组输入会激活多条规则，可能对应不同的结果。用取小的原则计算各组合对应规则的输出强度，然后按最大隶属度原则得出对应于各结论的可信度。这样，对于每一个输入都可得出与各结论相对应的输出强度。称为输出隶属度。取输出强度最大的那个隶属度作为输出。实验结果表明，这种方法对本系统最为合适。下面就以早搏为例说明，提取R波宽度(RW)、RR间期(RR)、R波面积(RA)T波面积(TA)、T波峰值(TH)这5个特征值来用模糊方式诊断被监护者发生室性早搏的情况。部分模糊规则表如表1所示。

2.1 隶属函数的存放
由于单片机的内存容量有限，如果要对系统输入输出论域的所有隶属函数的连续曲线进行存储，是不可能的，所以本系统对于三角形隶属函数采用三点法，存储三角形的3个顶点；对于两边的半梯形存储腰和顶的3点。隶属函数存放在ROM中，图3以R波的宽度为例说明。


2.2 输入模糊化 提取的特征参数是精确值，将他们与隶属函数进行比较组合，求出相应的模糊输入量隶属度范围为0～1，单片机上可表示为00H～FFH。对本系统而言，每个精确输入值最多只对应两个模糊输入量大于零，其余的模糊输入量则为零。例如：假设RW=1.1，从表3可知他落在中(M)和大(L)两个区间上，因此对于中(M)和大(L)的隶属度为：

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中开辟一块区域，存放各模糊输入量。

2.3 模糊规则的存放

模糊规则表示为：IF A and B and C and D and ETHEN Y(or Z)

其中"IF"后紧接着的词称前件，"THEN"后面的词称后件。首先将输入的模糊值S，M，L，XL分别与数字0，1，2，3相对应，
即：RW，RR，RA，TA，TH：S=0，M=1，L=2，XL=3。

每条规则用3字节表示。第1字节高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字节高4位表示第3前件，低4位表示第4前件；第3字节高4位表示第5前件，低4位表示后件。其中，F表示不考虑该前件，A表示"是PVC"，B表示"可能是PVC"。以一条规则(存放在ROM中)为例，如所示来说明。


2.4 模糊推理

对于每一组输入的数据，先进行模糊处理然后遍历每一条模糊规则，取第一条规则第一前件(3H)作为地址偏移量，加上模糊输入RW在RAM中存放的首地址(40H)，则可从RAM内RR存放区域中查找出XL的隶属度A1；取第一条规则第二前件(3H)作为地址偏移量，加上模糊输入RW在RAM中存放的首地址(44H)，则可从RAM内RW存放区域中查找出XL的隶属度B1；依此类推得隶属度C1，D1，E1。根据强度转移法，取A1，B1，C1，D1，E1中最小值作为该规则后件所取的语言变量"是PVC"的隶属度Y1。当所有规则都遍历后得到："是PVC"的隶属度Y1，Y2～Ym，"可能是PVC"的隶属度Z1，Z2～Zn取Y1，Y2～Ym的最大值作为"是PVC"的隶属度Y，取Z1，Z2～Zn的最大值作为"可能是PVC"的隶属度Z。如果Y<7FH且Z<1FH，则输出"正常"；如果Y>Z，输出"是PVC"；如果Z>Y，输出"可能是PVC"。

3 结 语

本文设计的心电监护仪，集心电信号的采集、分析于一体，而且系统体积小、安全、可靠，能够在不影响被监护者正常生活的情况下进行使用，可以初步诊断病情，进而节省存储空间，节约进一步诊断病情的时间，经实验取得了很好的效果。如果能够结合更多的此方面医学专家的知识，可以实现更完善的诊断功能。