基于模糊控制的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的實(shí)現(xiàn)

目前，以采集心電信號(hào)、分析和診斷為主的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于心臟系統(tǒng)疾病的預(yù)防、診斷發(fā)揮了很大的作用。但是此類心電監(jiān)護(hù)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(duì)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；而另一類便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，其24小時(shí)可以監(jiān)護(hù)，但是其存儲(chǔ)需要大量的空間，對(duì)于心電信號(hào)的回放也需要大量的時(shí)間，鑒于以上兩個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)基于模糊控制的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀。他在克服以上兩個(gè)問題的同時(shí)也突破以往在線診斷疾病的單值處理，能夠更加準(zhǔn)確地判斷心電信號(hào)正、異常實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

1 系統(tǒng)總統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)心電信號(hào)特征、生物信號(hào)處理系統(tǒng)和現(xiàn)代心電監(jiān)護(hù)技術(shù)發(fā)展要求，本系統(tǒng)選用高速SOC系列單片機(jī)C8051F020作為心電監(jiān)護(hù)儀的主芯片實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 測量具有無創(chuàng)、安全、準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)等；

(2) 操作方便，測量簡單，不影響待監(jiān)護(hù)病人的正常的生活；

(3) 能實(shí)時(shí)分析心電信號(hào)并判斷信號(hào)正、異常，初步診斷出監(jiān)護(hù)病人的心電異常疾病；

(4) 16 MB的FLASH存儲(chǔ)器能夠24小時(shí)存儲(chǔ)使用者的異常信號(hào)；

(5) 系統(tǒng)出錯(cuò)的報(bào)警功能；

(6) 能夠?qū)⒋鎯?chǔ)的異常心電信號(hào)通過USB接口轉(zhuǎn)移到PC機(jī)上做進(jìn)一步的心電信號(hào)診斷。

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

首先從電極電路采集被測對(duì)象的微弱的心電信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)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(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，然后再與主控芯片C8051F020連接。信號(hào)進(jìn)入主控芯片C8051F020之后，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、存儲(chǔ)、判斷、傳送等功能。

1.3 系統(tǒng)總體流程圖

系統(tǒng)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(biāo)是進(jìn)行心律失常診斷。臨床上對(duì)心律失常的自動(dòng)診斷就是結(jié)合節(jié)律分析和波形形態(tài)分析，對(duì)測得的心電波形識(shí)別分類，并根據(jù)預(yù)先確定的診斷標(biāo)準(zhǔn)或判據(jù)做出相應(yīng)的臨床診斷。而本設(shè)計(jì)是根據(jù)所提取的特征值結(jié)合醫(yī)學(xué)知識(shí)和醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)完成判斷的。

首先根據(jù)下列判據(jù)對(duì)待檢測病人進(jìn)行初步的診斷：

心動(dòng)過速 R-R間期<0.5 s(120次／min)；

心動(dòng)過緩 R-R間期>1.5 s(40次／min)；

停搏和室顫 在一段較長時(shí)間內(nèi)沒有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倍后并且沒有出現(xiàn)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(duì)(連續(xù)出現(xiàn)兩次室性早搏)：室性二聯(lián)律(正常和室早交替出現(xiàn)連續(xù)兩次以上)；室性三聯(lián)律(正常、正常和室早交替出現(xiàn)連續(xù)兩次以上)，都?xì)w為室性早搏。檢測標(biāo)準(zhǔn)復(fù)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(fù)極化時(shí)期(T波)出現(xiàn)的PVC，由于T波無法檢測，所以只有靠節(jié)律分析；

插入性期前收縮 是沒有代償停歇的早搏，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?shù)耐Ｐ?以上對(duì)心臟疾病的判據(jù)都是二值判斷，此種方法檢測簡單易于實(shí)現(xiàn)但是對(duì)疾病的判斷不精確。實(shí)際上醫(yī)療診斷中存在大量的模糊語言及現(xiàn)象，判斷病人患病情況要根據(jù)多個(gè)參數(shù)的多值進(jìn)行判斷的。這些判據(jù)是由此方面醫(yī)學(xué)專家的先驗(yàn)知識(shí)獲取的，利用這些判據(jù)形成多條模糊規(guī)則，把醫(yī)學(xué)專家臨床診斷疾病的方法用機(jī)器實(shí)現(xiàn)。下面就以模糊邏輯檢測室性早博為例，對(duì)監(jiān)護(hù)病人的病情進(jìn)行初步的診斷，進(jìn)而區(qū)別正、異常心電信號(hào)，做到只記錄異常心電信號(hào)。

在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)模糊控制一般采用3種方式：強(qiáng)度轉(zhuǎn)移方式、直接查表方式和公式計(jì)算方式。考慮到直接查表方式是通過離線計(jì)算，得到一張模糊控制表將控制表存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的，在控制應(yīng)用過程中，速度雖然很快但是若變量較多(本系統(tǒng)用到5個(gè))會(huì)導(dǎo)致模糊控制維數(shù)高使存儲(chǔ)、查表不方便。同佯公式計(jì)算也小適合本系統(tǒng)多參數(shù)的計(jì)算。而強(qiáng)度轉(zhuǎn)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?yún)?shù)映射為多個(gè)隸屬度，每組輸入會(huì)激活多條規(guī)則，可能對(duì)應(yīng)不同的結(jié)果。用取小的原則計(jì)算各組合對(duì)應(yīng)規(guī)則的輸出強(qiáng)度，然后按最大隸屬度原則得出對(duì)應(yīng)于各結(jié)論的可信度。這樣，對(duì)于每一個(gè)輸入都可得出與各結(jié)論相對(duì)應(yīng)的輸出強(qiáng)度。稱為輸出隸屬度。取輸出強(qiáng)度最大的那個(gè)隸屬度作為輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法對(duì)本系統(tǒng)最為合適。下面就以早搏為例說明，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)特征值來用模糊方式診斷被監(jiān)護(hù)者發(fā)生室性早搏的情況。部分模糊規(guī)則表如表1所示。

2.1 隸屬函數(shù)的存放

由于單片機(jī)的內(nèi)存容量有限，如果要對(duì)系統(tǒng)輸入輸出論域的所有隸屬函數(shù)的連續(xù)曲線進(jìn)行存儲(chǔ)，是不可能的，所以本系統(tǒng)對(duì)于三角形隸屬函數(shù)采用三點(diǎn)法，存儲(chǔ)三角形的3個(gè)頂點(diǎn)；對(duì)于兩邊的半梯形存儲(chǔ)腰和頂?shù)?點(diǎn)。隸屬函數(shù)存放在ROM中，圖3以R波的寬度為例說明。

2.2 輸入模糊化

提取的特征參數(shù)是精確值，將他們與隸屬函數(shù)進(jìn)行比較組合，求出相應(yīng)的模糊輸入量隸屬度范圍為0～1，單片機(jī)上可表示為00H～FFH。對(duì)本系統(tǒng)而言，每個(gè)精確輸入值最多只對(duì)應(yīng)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(shè)RW=1.1，從表3可知他落在中(M)和大(L)兩個(gè)區(qū)間上，因此對(duì)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中開辟一塊區(qū)域，存放各模糊輸入量。

2.3 模糊規(guī)則的存放

模糊規(guī)則表示為：IF A and B and C and D and ETHEN Y(or Z)

其中"IF"后緊接著的詞稱前件，"THEN"后面的詞稱后件。首先將輸入的模糊值S，M，L，XL分別與數(shù)字0，1，2，3相對(duì)應(yīng)，即：RW，RR，RA，TA，TH：S=0，M=1，L=2，XL=3。

每條規(guī)則用3字節(jié)表示。第1字節(jié)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(jié)高4位表示第3前件，低4位表示第4前件；第3字節(jié)高4位表示第5前件，低4位表示后件。其中，F(xiàn)表示不考慮該前件，A表示"是PVC"，B表示"可能是PVC"。以一條規(guī)則(存放在ROM中)為例，如所示來說明。

2.4 模糊推理

對(duì)于每一組輸入的數(shù)據(jù)，先進(jìn)行模糊處理然后遍歷每一條模糊規(guī)則，取第一條規(guī)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(nèi)RR存放區(qū)域中查找出XL的隸屬度A1；取第一條規(guī)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(nèi)RW存放區(qū)域中查找出XL的隸屬度B1；依此類推得隸屬度C1，D1，E1。根據(jù)強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法，取A1，B1，C1，D1，E1中最小值作為該規(guī)則后件所取的語言變量"是PVC"的隸屬度Y1。當(dāng)所有規(guī)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(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)儀，集心電信號(hào)的采集、分析于一體，而且系統(tǒng)體積小、安全、可靠，能夠在不影響被監(jiān)護(hù)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(jié)省存儲(chǔ)空間，節(jié)約進(jìn)一步診斷病情的時(shí)間，經(jīng)實(shí)驗(yàn)取得了很好的效果。如果能夠結(jié)合更多的此方面醫(yī)學(xué)專家的知識(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更完善的診斷功能。