基于OMAP3530的远程心电监护系统设计

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测控自动化

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基于OMAP3530的远程心电监护系统设计

Design of a remote ECG monitor system with OMAP3530

(兰州大学)

马建林张少华郭淼马义德

MA Jian-lin ZHANG Shao-hua GUO Miao MA Yi-de

摘要:本设计以远程、无线心电监护为背景,依托TI 的双核处理器OMAP3530设计了一种远程便携式无线心电监护系统。该系统能完成日常心电监护、心电信号分析与报警、心电数据的存储与查询等功能。系统利用电信CDMA 网络,在任何有该类网络覆盖的区域均可以正常工作。

关键词:心电检测;OMAP3530双核处理器;远程监护;便携式监护系统

中图分类号:TP368

文献标识码:B Abstract:In this paper,an ECG monitoring system was designed based on TI's OMAP3530dual-core processor.The key points of

the system were remote,wireless and portable.Routine ECG,ECG analysis,ECG alarm,ECG data storage and ECG data query can be realized by this proposed system.It operates in any situation where CDMA network exists.

Key words:electrocardiogram(ECG)detection;OMAP3530dual-core processor ;remote monitoring ;portable monitoring system

文章编号:1008-0570(2012)10-0091-02

引言

近年来,随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快、饮食结构的改变以及人口老龄化问题的加重,心血管疾病的发病率迅速上升,已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。因此心脏病的防治和诊断就成为当今医学界面临的重大课题。动态心电监护技术作为一种有效的心血管疾病监测方法,越来越受到人

们的重视,传统的基于PC 平台的监护仪成本高、

体积大、操作复杂,使用范围具有局限性。而采用低档单片机为核心的便携

式多参数监护仪,功能简单、

运算能力差、界面简陋,只能进行简单的信号显示,不能进行数据分析和危机情况报警等复杂功能实现。而实际情况是心电信号智能诊断与突发异常情况实时报警又特别重要。例如,当检测对象独自在家时,若有突发异常状况发生而监护装置又不能及时报警,很可能将产生无法挽回的后果。本设计以美国德州仪器公司最新的双核处理器OMAP3530为核心,搭配十二导联心电信号采集和CDMA 无线通讯等模块,其中OMAP3530的ARM 侧提供人性化的人机交互界面和对各功能模块进行控制,DSP 侧运行心电实时监测算法,当监测对象出现室性心动过速(ventricular tachycardia)、心室颤动(ventricular fibrillation)或其他异常状况时DSP 会把分析处理结果交给ARM 侧,ARM 侧可以通过CDMA 无线通讯模块进行报警,将对应的报警码发送至监测对象的监护医生、亲友等手机上,实现实时报警。

1系统硬件设计方案

本设计采用的OMAP3530处理器由65nm 低功耗工艺制

造,内部集成了一个600MHz 的ARM Cortex TM -A8内核和一个430MH z 的TMS320C64x+TM DSP 内核。ARM+DSP 的双核结构使操作系统效率和代码的执行更加优化,ARM 端负责系统控制工作,DSP 端则承担繁重的实时信号处理任务,从而成功地解决

了性能与功耗的最佳组合问题。具有双核结构的OMAP3530非常适合新型多参数监护仪的设计。低功耗可以更好地实现监护仪的便携性;ARM 对多种操作系统的支持,可以保证系统的稳定和良好的监护界面;而DSP 强大的运算能力可以确保对各生命

参数进行快速、

准确和复杂的分析处理。图1为系统框图,开发平台采用深圳天漠科技有限公司生产的DevKit8000开发板,整个系统采用主控板和采集模块分开的形式设计,实现了实时的测量、分析、报警监护等功能。通过各传感器模块分别获得需要的心电等生命体征参数,然后将数据送到OMAP3530进行实时处理,同时在LCD 实时显示心电信号波形和其他监测生理指标。系统还具有数据存储和远程监护等功能。

图1远程心电监护系统框图

2心电检测算法

心电传感器采集到心电信号后,经过放大除噪、A/D 转换后通过SPI(serial peripheral interface)接口送至OMAP3530进行检测、

诊断等相关算法处理。如图2所示,在一个心动周期,在心电图上可有5个或6个波,从左至右为P ,Q,R,S,T 及U 等波群;又分为7个部分,即P 波、P-R 段、P-R 间期、QRS 波群、ST 段,T 波、Q-T 间期。

图2心电信号波形图

本设计的前期工作以MIT-BIH ECG 数据库为模板进行心电数据的分类与不同分类特征参数的提取。尽管许多学者在ECG 自动分类提出多种算法,但这些算法或多或少都存在着一

马建林:硕士研究生

91--

技术创新

《微计算机信息》2012年第28卷第10期测控自动化

些缺陷,不能很好地解决分类问题,这主要是由于ECG波形分

类中存在几个难点:(1)波形中存在噪声干扰,如基线漂移、呼吸

时的干扰以及电极接触、人为运动和机电干扰等;(2)ECG信号

的特征参数(如RR间隔、QRS宽度等)具有模糊性,每个特征参

数都是在一定范围变化的量,同一特征参数正常值与异常值的

区分阈值对不同个体有所不同,造成了参数确定、提取与识别的

困难;(3)ECG波形形态多变,在个体间、个体内都有一定差异性,

要对其有效识别,同时要求运算量不至于过大,比较困难;(4)动态

ECG信号数据量大,自动分析和诊断分类时间不能过长,要求算

法有较好的实时性。

在对基于滤波与阈值检测算法、模板匹配算法、基于小波

变换算法、基于神经网络的算法进行分析与对比后,本设计采用

基于小波变换的算法对ECG信号进行特征提取,因为相对于

其它心电检测算法,小波能针对信号频率成分进行采样,更好

地满足高频信号需高分辨率的要求。非常适用于检测信号突变,

所以用小波实现对心电信号R波的检测。另外小波变换能够重

构出更加清晰的波形,从而提高了信号的清晰度,对心电信号的

特征提取提供了更可靠的依据。提取的特征包括:心率数、R-R

间期、P-R间期、QRS间期、QT间期等。其中特征提取部分包含,

Q、S波监测,P、T波检测。

由于R波在各波中峰值最大,最易于检测,因此特征提取中

首先要进行的是R波峰值位置的确定,其关键在于检测出信号

微分小波变换后正负模极大值之间的过零点,该过零点与R波

峰值点相对应。具体本文中采用Marr小波变换进行R波检测,

该小波母函数是高斯函数的二阶导数,属于二次微分小波。

Marr小波的母函数可表示为式(1):

(1)

通过内积运算或查表可得到小波滤波器的系数h

和h

1

,然

后通过Mallat快算算法对离散后的心电信号x[n]进行小波分

解,则j尺度空间的剩余系数c

j,k

和小波系数d

j,k

分别表示如式

(2)所示:

(2)

同样,将尺度空间V

j

继续分解,可得任意尺度空间的剩余系

数和小波系数。

具体检测方法为:在小波变换尺度4上,分等长区间分别

求模极大值,再对这组模极大值求均值,将该均值1/2作为阈

值,就可求出过阈值的连续区间中极大值为R波的相应位置。

图3Q、S波检测流程图

检测出R波峰值位置后,还需检测Q波和S波,由于Q、S

波是高频波,它们的能量主要集中在小尺度上,所以在小尺度上

检测Q波和S波。在R波对应的模极大值对前后的一段时间

内分别找模极大值对,若存在模极大值对,说明Q波、S波存在,

其过零点或趋零点即为Q波起点及S波终点;若检测不到极大

值对,则认为R波极大值对的起点和终点就是QRS波的起点和

终点,算法流程图3所示:

P、T波检测方式与Q、S波检测方式类似。

3系统软件设计

(1)人机交互界面设计

系统采用Linux操作系统,GUI开发使用Qt Designer4,Qt

是由挪威TrollTech公司出品、功能十分强大并且灵活的开发工

具,它是一个跨系统的C++图形用户界面平台,Qt支持Unix、Lin－

ux、Windows95/98等多种操作平台,通过移植Qt到开发板,实

现了所需功能的人机交互界面。图4是本文制作的标准Qt界

面,配合底层心电采集模块驱动及采集程序,在图形界面下能方

便地完成实时心电监测等功能。

图4系统人机交互界面

(2)系统算法软件设计

在ARM端,采用Linux操作系统作为ARM核底层的操作

系统,根据设计需要移植Linux内核到OMAP3530开发板,并完

成相应的人机交互界面、主控程序设计。DSP核运行实时操作

系统DSP/BIOS。用TI公司提供的DVSDK实现ARM和DSP之

间的交互。算法运行时,ARM核打开一个Codec Engine,调用

DSP服务器,将数据传递到DSP核,由DSP核运行算法,算法运

行完成将结果数据传递给ARM核,清空内存,ARM核关闭

Codec Engine。DSP核如同ARM核的外设,也可理解为一个协处

理器,只有再运行算法时才调用DSP核,这就避免了DSP核始

终处于运行状态,节省了系统资源。

4设计特点

(1)高精度的心电信号处理算法

采用的Mallat小波算法对心电信号进行特征提取,较以往

传统算法在处理速度、精度和算法的鲁棒性上均有显著提高。

利用小波变换的多尺度特性,在本算法中选择合适的小波级数

可以有效的避免频率漂移对滤波效果的影响。

(2)智能诊断的实现

设计相对于现有的便携式心电监护设备而言,在充分利用

OMAP3530硬件平台强大的控制能力和优秀的数字信号处理

能力的,可以实现对心率、R-R间期、P-R间期、QRS间期、Q-T

间期等多项特征参数的综合分析和智能判断,从而实现对常见

突发心脏类疾病的初步诊断。同时还设计有动态心电信号采集

功能,可为医生准确诊断提供参考。

(3)实时监测、报警功能的实现

设计将心电监测装置与CDMA无线通讯模块结合起来,在

监测对象心电信号出现异常时能够及时报警,第一时间通知家

人和医护人员,尽量缩短病人的获救时间。

(4)良好的人机交互界面

整个系统设计运行在OMAP3530ARM的Linux操作系统

之上,通过移植GUI。(下转第156页)