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基于AR模型便攜式心率變異系統的設計與實現論文
摘 要：筆者主要闡述便攜式心率變異系統包含硬件設計和軟件設計，利用快速中值濾波方法去除基線漂移，自適應R波差分法查找R-R間期，采用AR模型中的Marple算法進行頻譜估計，系統綜合考慮監測儀在集成輕型化、微小化、一體化、可視化、智能化等優點為一身，并在實際應用中取得良好的效果。
關鍵詞：便攜式；心電信號；R波檢測；AR模型
1 概 述
近年來據大量的臨床研究表明，已經充分肯定了自主神經活動與多種疾病有關系，特別是與某些心血管疾病的死亡率相關。心率變異（Heart rate variability,HRV）又稱為心率波動性，是從連續心電信號中分析R-R間期的微小變化，產生于自主神經系統對心臟竇房結的調制，使得心跳間期存在微小毫秒的差異或波動，來反應心臟交感神經和迷走神經活動的緊張性和均衡性，是一種應用于檢測自主神經活性非侵入性指標。近年來很多研究表明，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活動偏優勢，迷走神經張力下降。所以，HRV是一種能方便揭示人體植物神經系統控制狀態的方法，不僅能評價心臟的各種病理狀態，而且反映交感神經和迷走神經平衡活性來解釋功能性疾病發生機理，因此具有良好的應用前景。以往需要到醫院才能檢測這些指標，而市場上專用應用于測量心率變異的便攜式設備更是少之甚少，因此人們平時無法在生活中實時評價勞動強度負荷度，尤其是勞動強度大的職業人或運動員及老年人。為了讓人們在生活中時刻關注自身身體健康，便攜式醫療器械隨著智能化產業的發展，受到越來越多的人們的關注。筆者所闡述的基于AR模型便攜式心率變異監測系統的設計是綜合考慮攜帶方便化、可視化、一體化、輕型化等特點，能實時記錄和顯示心電圖信號及心率變異，同時由于它的結構簡單輕盈適合推廣到家庭、個人使用。
2 系統設計
2.1 主要特征
上位機軟件兼容智能手機及Windows操作系統，使用方便、美觀、大方；硬件主機采用神念集成智能芯片，設計上采用便攜式耳機方式，使用攜帶方便，使用檢查無需特殊環境，保護個人隱私；軟件設計保留傳統心電信號波形的基礎上，實時計算心率，并具有可選擇性的分析心率變異，系統可以通過藍牙和網絡通訊，將監測數據定期發送指定服務器存儲或到遠程診療中心；心率異常報警，本系統可以通過設定心率報警閾值，在實時監測心率信號時，發現異常，本系統發出警告聲，同時提供精確測量心率核實功能，確保信息真實可靠。
2.2 系統組成結構 本系統主要有適用于Windows系統、智能手機系統的上位機軟件、硬件采集器及電極所構成，見圖1。 圖1 系統應用連接示意圖 可攜帶心率變異監測儀采用BMD101芯片作為心電采樣單片機和CSR-8635低功耗藍牙模塊等硬件設計，并通過硬件內部編程和上位機軟件編程算法來實現一系列計算功能。其基本原理：由電極從手腕部（心尖部）獲取脈搏（心電）信號，經前置電路放大、濾波處理后，通過BMD101芯片將模擬信號轉換為數字信號輸出。將處理過的數字信號通過藍牙通訊傳輸到上位機軟件（智能手機或計算機）來顯示、存儲及計算等一系列心率變異計算，若發現監測值超出設定閾值，上位機軟件或硬件均發生異常報警。 本系統設計主要的特點是便攜式可攜帶設備實時獲取用戶心電信號，心電信號是一種非常微弱的生物電信號，常規獲取的心電信號中伴有工頻干擾、肌電干擾、基線漂移。通過一系列濾波后，計算相鄰心電R波之間R-R間期，記錄最近兩分鐘R-R間期按時間進行有序插值，然后對整理過的心率R-R時間有序信號進行時域和頻域分析。將分析數值通過上位機軟件顯示。
2.3 移動式硬件設計
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構成電源BUCK電路，通過電阻R17R18R19調節輸出，使得輸出電壓適合MCU工作電壓+3.3V。
2.3.2 信號采集電路（見圖3） 圖3 信號采集電路 人體心電通過J2觸點輸入到U4信號采集芯片BMD101內部，D1D2構成電壓鉗位保護U4，C10C11為U4提供去耦和濾波。人體心電信號經過U4信號采集芯片處理后轉化為數字信號，數字信號通過芯片帶有的串行接口經過R9R14傳輸到MCU中。
2.3.3 數據處理和發送電路（見圖4） 圖4 數據處理和發送電路 MCU采用意法半導體的ARM芯片，采用COTEX-M3系列，其主頻可以通過PLL倍頻到72M，以提高數據處理能力。MCU接收到BMD101發送過來的數據后，進行有效數據提取，并轉化為心電數據。心電數據再通過MCU和藍牙模塊HM-06連接的接口發送到藍牙模塊。藍牙模塊再發送到上位機上。
2.4 客戶端軟件設計 客戶端軟件是基于Visual Studio2008平臺采用VB語言適用于Windows操作系統和基于Android Studio插件采用VC語言實現適用于Andorid操作系統。
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