基于无线局域网技术的*心电监护网络系统的研究

2013-11-02李幸娟

中国医学装备 2013年2期

李幸娟宋莉

心血管疾病是威胁人类生命的最主要疾病之一,而心电信号(electrocardiogram，ECG)是诊断心血管疾病的主要依据, 因此迫切需要能实时监测患者心电活动、自动检测心律失常的心电信号自动分析系统。目前，已经存在的心电信号自动分析系统主要有下述类型：①在Matlab环境中进行生物医学信号采集与处理分析，Matlab语法简单，图形显示功能丰富，工具箱扩展能力强；②基于单片机Atmega8的心电信号检测与处理，其运行速度较快，价格低；③利用PC机进行心电信号自动分析，运用计算机分析信号，降低了操作者的时间，但其体积过大，不方便进行实时监测；④基于Labview进行的心电信号采集和自动分析运用软件采集分析心电信号，符合现代仪器发展的方向。

本研究设计的基于无线局域网(wireless local area networks，WLAN)技术的心电监护网络系统的设计是利用Labview软件处理心电信号，采用蓝牙传输监视图像，可用于对心脏患者实时监控，能够自动采集ECG信号以及患者图片，并进行简单的ECG信号分析，利用蓝牙将图像和分析结果传送到医院，医生可以进行远程的救助。

WLAN系统采用基于嵌入式Linux无线网络监控，用来监控患者和周围环境[1]。主体设计采用NI公司出品的DAQ采集卡和基于Labview的心电信号采集与处理，DAQ数据采集卡可以高速准确地采集信号，在Labview环境中，可以对采集到的信号进行各种数字信号处理和分析。WLAN具有灵活性和移动性，便于患者安装使用，并且易于定位，适用于各种场合[2-5]。

1 WLAN系统硬件设计

基于WLAN的心电监护网络系统的基本框架图如图1所示。利用该系统可实现将患者信息传送到医院，并将医生诊断结果及诊断方法反馈到现场的功能。

图1 基于WLAN的心电监护网络系统的基本框架图

1.1 WLAN监视系统硬件整体设计

(1)监控终端：监控前端是Linux嵌入式系统，它能够采集摄像头的视频数据，并采用H.264标准压缩封装成RTP包，然后发送至CDMA模块，利用WLAN发送到监控中心。

(2)监控中心服务器：监控终端采用Windows操作系统的PC机，监控终端软件采用Visual C++进行编程，能够实现接收H.264解码嵌入式监控终端发送过来的监控数据的功能，并将得到的图像保存并传送到客户端主机。

(3)客户端主机：建立与监控中心服务器的链接，向监控中心主机发送控制命令，从而实现实时监控、控制、录像和报警等功能(如图2所示)。

图2 无线网络视频监控系统结构图

1.2 心电信号采集硬件部分

心电信号通常只有0.05～5 mV，频谱范围为0.05～100 Hz，且是处于动态变化中的微弱信号，易受外界干扰，具有不确定性和随机性。因此，要求硬件部分要具备信号放大、滤除干扰以及高通和低通滤波的特点。

心电信号的硬件部分包括电极、心电图机、NIELVS(虚拟仪器技术教学和实验室套件)、数据采集卡和计算机。在使用标准的5导联方式下，心电图机采集到人体心电信号，然后进行一系列的预处理，包括放大信号和滤除干扰，然后把信号送入数据采集卡以供计算机进行下一步处理[2]。

2 系统软件设计

2.1 WLAN监视系统软件设计

终端软件的核心是Linux操作系统，主要包括3层模块：①最底端模块是BootLoader服务程序与基本外设驱动；②第2层模块是摄像头模块和码分多址(code division multiple access，CDMA)模块的驱动程序；③第3层模块是系统的应用程序。

Linux内核的模块化设计可实现多模块独立加载或卸载。本系统模块需有串口驱动、SAA7114视频解码芯片驱动、拨号网络应用以及支持PPP和TCP/IP网络协议，其他则可卸载。CDMA拨号通过运行PPP程序进行。应用程序用来监听客户端的命令，收到命令后调用摄像头采集图像，再使用CDMA模块来发送图形数据。监控终端在运行过程中与中心服务器保持TCP连接，中心服务器可以随时主动的请求图像数据[6]。视频终端软件流程图如图3所示。

图3 WLAN监控视频终端软件设计图

2.2 心电信号软件处理设计

正常的典型心动周期均由P波、QRS波及T波等特征波形间期所组成，且心电波形的形态、幅值及时间间隔都在一定时间范围内变化。由于不同受试者受到所在环境、运动状态及自身病理等因素的影响，采集到的心电信号其波形形态通常复杂、多样。因此，特征波形的准确检测和定位是软件处理的关键和基础。

本研究采用基于Hilbert变换的QRS波群检测方法[3,7]。基于Hilbert变换是奇函数，对信号进行Hilbert变换之后，原始信号的拐点对于其Hilbert变换信号与横轴的过零点，原始信号在连续2个正和负的极值点之间过零点，则由其Hilbert变换信号的峰值点来表示。利用Hilbert变换这一性质就可以检测到R波位置。

首先对原始心电信号f(n）(n=1,2，......N)按照公式1进行一阶差分运算：

y(n)=1/2[f(n+1)-f(n-1)] (1)

为了增强QRS波群能量，抑制机电噪声和基线漂移的影响，设置通带频率为5～25 Hz，对经过带通滤波后的信号在进行一阶差分，从而产生1个向上的极大值代表R波的上升沿和1个向下的极小值代表R波的下降沿，而R波的峰值位置对应于2个正向和负向极大值之间过零点的位置[8]。

小波变换等效滤波器的频响特性和ECG信号的频谱分析表明，ECG信号经2次样条小波多尺度分解后，其P波、T波能量将集中在尺度为24和25的小波子带信号上。由于基线漂移、伪迹和肌电噪声等在25尺度上较为严重，因此选择在24尺度上检测P波、T波。先检测T波，T波在QRS波群后的1个时间窗口内会在24尺度上产生1对模极大～极小值点，由于多数T波相对于其顶点近似对称，因此T波顶点对应于24尺度上模极大值对之间的过零点，T波的起点对应于模极大值对的起点，T波终点对应于模极大值对的终点。

类似于T波、P波在QRS波群前的一对时间窗口内同样会在24尺度上产生1对模极大～极小值点。以R波波峰点为基准在其前一段时间窗口内，在24尺度上找出相应的正极大值点和负极小值点，由这对模极值点之间的过零点以及模极大值对所对应的波形的起点和终点，进行相应的时移修正后则可以得到P波的顶点、起点和终点。P波、T波检测时所用到的窗口，是根据检测到的P波、T波特征点与R波峰值点的间距确定的。

利用Labview对DAQ数据采集卡进行配置[9-10]，设定信号滤波。为了使低通滤波器的截止频率有更广泛的选择范围，设置DAQ数据采样的采样频率为30 kHz。在Labview中需要对DAQ采集的数据进行滤波，包括低通滤波和工频滤波，最后在Labview中进行一定的数字滤波[11-12]。

3 结论

实验结果表明，基于Labview的软件心电采集系统能够准确优质的采集心电信号，调整后的模拟信号调理电路，对滤波器的同频带进行重新设置，可减少肌电干扰和基线漂移，对采集到的信号进行调整，将双极性输入电压经过提升电路转换成单极性，可滤除高频干扰信号，防止交流信号采样时的混叠效应[13-14]。DAQ卡高速采集数据，配合在高性能PC机上运行的Labview程序，使得系统可以进行更好的高速数字信号处理工作。同时，基于Labview图形编程，系统具有极大的灵活性，可根据不同的需求调整信号处理策略，包括滤波器参数等[15]。因此，WLAN系统也是研究心电信号检测新方法的理想实验平台。WLAN监控可将患者现场的状况反馈给医生，有益于医生进行指导。

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