可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)與心電信號處理方法研究

1、電 子 科 技 大 學university of electronic science and technology of china 碩士學位論文master thesis 論文題目可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)與心電信號處理方法研究學 科 專 業(yè)模式識別與智能系統(tǒng)學號201121070504作 者 姓 名張煜指 導 教 師陳東義教授分類號密級udc注1學位論文可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)與心電信號處理方法研究（題名和副題名）張煜（作者姓名）指導教師陳東義教授電子科技大學成都（姓名、職稱、單位名稱）申請學位級別碩士學科專業(yè)模式識別與智能系統(tǒng)提交論文日期2014.04.20 論文答辯日期2014.05.20

2、 學位授予單位和日期電子科技大學2014 年06 月 28 日答辯委員會主席評閱人注 1：注明國際十進分類法udc的類號。study on wearable ambulatory electrocardiogram monitoring systam and electrocardiosignal processing method a master thesis submitted to university of electronic science and technology of china major: pattern recognition and intelligent sys

3、tem author: zhang yuadvisor: prof. dongyi chenschool:school of automation engineering 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：張煜日期：2014 年 06 月 16 日論文使用授權(quán)本學位論文作者完全了解電子科技大學有關(guān)保留

4、、使用學位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）作者簽名：張煜導師簽名：日期： 2014 年 06 月 16 日電子科技大學學位論文使用授權(quán)聲明本人張煜學號201121070504 在導師的指導下創(chuàng)作完成畢業(yè)論文。本人已通過論文的答辯， 并被電子科技大學授予博士碩士/學士學位。本學位論文作者完全了解“電子科技大學關(guān)于保存、使用學位論文的管理辦法” ，即：本人按照學校要求提交學位論文

5、的印刷本和電子版本；學校按規(guī)定保存提交學位論文的印刷版和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復制手段保存學位論文；學?？梢园粗鳈?quán)法及知識產(chǎn)權(quán)法的有關(guān)規(guī)定公布學位論文的全部或部分內(nèi)容。作者簽名：張煜導師簽名：日期：年月日摘要i 摘 要近幾年來，隨著醫(yī)療方式由被動治療向主動監(jiān)測和預防的轉(zhuǎn)變，基于可穿戴計算技術(shù)的健康監(jiān)護在老年人健康輔助領域中成為一種更加有效的模式?？纱┐鹘】当O(jiān)護將超微型化電子元器件、微機電系統(tǒng)、電子織物以及先進的交互技術(shù)融入其中，協(xié)助患者進行實時監(jiān)護和科學的個性化健康管理，成為現(xiàn)代醫(yī)療的主要研究方向之一。針對可穿戴健康監(jiān)護中的心電信號檢測，基于不同織造技

6、術(shù)的織物電極得到廣泛研究，心電信號的自動分析也成為必然的發(fā)展趨勢，但是由于在長期監(jiān)測中織物電極無法時刻緊貼皮膚以及具有低阻抗的特性，在人體運動的情況下極易受到噪聲尤其是運動偽跡噪聲信號的干擾，對心電信號的特征檢測造成很大的困難，所以設計信號質(zhì)量高的可穿戴心電監(jiān)護系統(tǒng)以及研究信號處理方法成為學者日益關(guān)注的問題。鑒于以上分析，本文以可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)與心電信號處理方法研究為主題，設計能夠在人體運動狀態(tài)下進行長期檢測的可穿戴心電監(jiān)護系統(tǒng)，深入研究心電信號的處理方法。主要研究內(nèi)容如下：（1）介紹在可穿戴監(jiān)測診療系統(tǒng)中心電信號分析的基本知識和檢測原理，闡述心電圖以及典型的心電波形、 心電圖各個波段的

7、特性以及對診療康復的意義。分析了心電信號的特點以及檢測方法，以及在心電采集的過程中需要抑制的幾個主要噪聲信號。（2）設計基于 stm32 微處理器的可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)，設計柔性織物傳感電極，設計保證系統(tǒng)工作的基本電路模塊，如具有高共模抑制比和高輸入阻抗的信號調(diào)理模塊對動態(tài)信號進行放大和濾波處理，以滿足a/d 轉(zhuǎn)換的電壓需求，以及數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)接口等，將心電信號無線傳輸給移動終端（手機、平板電腦等）和pc 機，分別進行波形的實時顯示和分析。最后設計尺寸較小，穩(wěn)定可靠的pcb 板。（3）闡述動態(tài)心電信號的處理方法。對于信號的濾波處理，本文著重闡述了運

8、動偽跡噪聲干擾的抑制方法，設計自適應濾波器，并在傳統(tǒng)lms 自適應算法的基礎上提出了一種歸一化lms 算法，并將其運用到動態(tài)心電信號運動偽跡的抑制中。對于心電信號的特征檢測，采用動態(tài)自適應閾值的r 波檢測方法，對傳統(tǒng)的閾值檢測方法進行了改進，為后續(xù)的病情診斷提供準確度較高的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞： 心電監(jiān)護織物電極運動偽跡自適應濾波歸一化 lms 算法abstract iiabstract in recent years, with the transformation of medical pattern from passive treatment to active prevention and

9、monitoring, wearable computing technology-based healthcare monitoring is becoming a more effective model in the health of the elderly assisted areas. wearable health monitoring fused electronic components, micro-electromechanical systems, electronic and advanced fabric technologies to assist patient

10、s achieve real-time monitoring and personalized health management. it will become one of the main research directions of modern medicine in the future. for ecg detection in wearable health monitoring, textile electrode based on different woven technologies has received wide research. however, becaus

11、e the textile electrodes may not always be close to skin in long-term monitoring situation and have the characteristics of low impedance, it is vulnerable for noise especially motion artifact noise in the case of human motion. because motion artifact has a dynamic range of frequencies, large amplitu

12、de and damage or submerge biological signal easily, it is difficult to extract the characteristics of used signal. so how to design effective filtering algorithm to suppress the motion artifacts becomes a concerned problem for researchers. in view of the above analysis, this paper proposes a wearabl

13、e healthcare system based on textile electrode allowing monitoring of ecg and demonstrated the motion artifact suppression method for arrhymia detection using the system. wearable long-term ecg monitoring system is designed under human body movement and ecg motion artifact filtering algorithm is stu

14、died. finally filtered ecg features are extracted and the heart rate variability is analyzed. the main contents are as follows: (1) introducing the basic knowledge and detection principle of ecg analysis in wearable monitoring and diagnoses systems. stating the ecg 、typical ecg wave、ecg characterist

15、ics of each band and the implications for rehabilitation clinic. analysis of the characteristics and detection methods of ecg , and several major noise signals in ecg acquisition process. (2) designing wearable ecg monitoring system based on stm32 microprocessor. the system include textile ecg elect

16、rodes and basic modules to ensure the system works well, such as a signal conditioning module with high common mode rejection ratio and high input impedance for dynamic amplifying and abstract iii filtering the signal to meet the voltage requirement of a/d conversion, data acquisition module, power

17、module, data storage module, data transmission and data interface module. signals are transmitted to the mobile devices (mobile phones, tablet computers, etc.) and pc for real-time displaying and analysis respectively. finally, a pcb board with small size, strong reliability is designed. (3) using a

18、daptive filter to suppress the motion artifacts and the three-axis acceleration signal act as a reference signal to adaptive filter. analyzing the structure of adaptive filter, the principle of nlms adaptive filter algorithm and finally the ecg motion artifacts are suppressed by this method. after f

19、iltering the ecg signal adaptive threshold algorithm is used for r-wave detection to reduce the probability of false negative and false positive. keywords: ecg monitoring, textile electrodes, motion artifact, adaptive filter, nlms目 錄iv目 錄第一章 緒論. 11.1 課題研究背景 . 11.2 相關(guān)領域研究現(xiàn)狀 . 31.3 課題研究內(nèi)容 . 61.4 課題結(jié)構(gòu)安

20、排 . 7第二章 動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理. 92.1 心電信號分析基礎 . 92.1.1 心電圖 . 92.1.2 典型心電波形 . 10 2.2 心電信號的檢測 . 11 2.2.1 心電信號的特征 . 11 2.2.2 心電信號的檢測 . 15 2.3 本章小結(jié) . 16 第三章 可穿戴動態(tài)心電監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn). 17 3.1 系統(tǒng)整體框架設計 . 17 3.2 硬件設計 . 18 3.2.1 可穿戴織物電極設計 . 18 3.2.2 心電信號調(diào)理單元設計 . 19 3.2.3 加速度信號采集設計 . 24 3.2.4 計算處理單元設計 . 25 3.3 軟件設計 . 29 3.3.

21、1 傳感數(shù)據(jù)采集 . 30 3.3.2 sd卡存儲設計 . 31 3.3.3 數(shù)字信號傳輸 . 33 3.4 本章小結(jié) . 36 第四章 動態(tài)心電信號處理方法的研究和實現(xiàn). 37 4.1 運動偽跡濾波處理 . 37 4.1.1 自適應濾波器的結(jié)構(gòu) . 38 4.1.2 自適應濾波器參考信號的選擇. 40 4.1.3 自適應濾波算法設計 . 40 4.1.4 運動偽跡濾波的實現(xiàn) . 44 4.2 心電信號特征檢測 . 47 4.2.1 r波檢測算法設計 . 47 4.2.1 r波檢測算法的實現(xiàn) . 49 4.3 心電信號異常分析 . 51 目 錄v 4.4 本章小結(jié) . 52 第五章 試驗與驗證

22、 . 53 5.1 系統(tǒng)功能驗證 . 53 5.2 濾波器性能驗證 . 56 5.3 本章小結(jié) . 57 第六章 總結(jié)和展望 . 58 6.1 論文主要結(jié)論 . 58 6.2 論文工作展望 . 58 致謝. 60 參考文獻 . 61 第一章緒論1第一章緒論1.1 課題研究背景隨著經(jīng)濟的快速增長、 人民醫(yī)療條件的改善和生活水平的提高，我國正邁入老齡化社會。據(jù)統(tǒng)計， 2012年我國老齡人口（超過60 周歲）已達到 1.8 億人，老齡化水平達到13%；預計到 2050 年，老齡人口總量將超過4.3 億，老齡化水平將推進至34%1?？焖俚娜丝诶淆g化大大增加了慢性病患的比例,我國目前已經(jīng)進入了較高的慢性

23、病負擔期。慢性病具有患病時間長、病因和病情高度復雜、醫(yī)療成本高、需要長期管理等特點，嚴重降低了老年人的生活質(zhì)量。根據(jù)2012年衛(wèi)生部發(fā)布的中國慢性病防治工作規(guī)劃2012-2015數(shù)據(jù)結(jié)果表明：我國老年人中患慢性病的比率已經(jīng)達到70%，其中有近80%的老人由于慢性病導致死亡。世界衛(wèi)生組織提出，心血管疾病、慢性阻塞性肺炎、慢性腎臟病等典型慢性疾病已成為全世界中老年人健康的頭號殺手。針對老年慢性病的嚴重現(xiàn)狀， 目前我國已將心血管疾病、 慢性肺炎、 糖尿病等確定為慢性病控制的重點，期望將健康監(jiān)護模式由醫(yī)院為中心向以家庭為中心轉(zhuǎn)變，通過個人健康管理來抑制老年慢性病快速上升的趨勢，從而降低醫(yī)療經(jīng)濟負擔。隨

24、著迅速加劇的人口老齡化、 高昂的醫(yī)療成本以及微電子技術(shù)、微型生物傳感器裝置、 智能紡織品、 通訊技術(shù)等的不斷進步， 基于信息通訊技術(shù)的老年慢性病醫(yī)療模式得到了各國的廣泛關(guān)注。(1) 電子醫(yī)療（ e-health）和遠程健康（ tele-health ）2e-health 起源于 20 世紀 60年代的健康信息學和生物醫(yī)學計算思想，它的目標是通過信息技術(shù)來支持醫(yī)療保健服務的組織和提供。它的應用包括支持臨床診斷和治療， 建立并訪問個人健康資料等，給病人、醫(yī)生和衛(wèi)生機構(gòu)之間信息的處理、共享和傳輸帶來了便利。20 世紀 70 年代， tele-health開始利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高醫(yī)療水平， 它在病人和

25、醫(yī)護人員之間建立一種更加復雜、綜合的連接， 使得病人滿足足不出戶就能達到個性化醫(yī)療的需求。(2) 移動醫(yī)療（ m-health）3移動計算、醫(yī)學傳感器和通信技術(shù)加速了m-health 的不斷發(fā)展，它的出現(xiàn)代表了對遠程醫(yī)療系統(tǒng)的擴展， 智能傳感器可以在移動的情況下通過無線個人局域網(wǎng)等實現(xiàn)與個人服務器的通信。(3) 可穿戴健康監(jiān)護（ wearable health-monitoring）最近十幾年中， 可穿戴系統(tǒng)將微型化和非侵入式的可穿戴傳感器、柔性紡織材料等作為其重要發(fā)展方向。 隨著醫(yī)療方式由被動治療向主動預防和監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，電子科技大學碩士學位論文2可穿戴計算技術(shù)在老年人健康輔助領域的應用成為一

26、種更加有效的模式4。與固定的醫(yī)療監(jiān)測設備 （如 holter 動態(tài)心電圖監(jiān)護儀） 相比，可穿戴健康監(jiān)護將超微型化電子元器件、 微機電系統(tǒng)、 智能織物以及先進的交互技術(shù)融入其中，構(gòu)建高效完整的監(jiān)護診療系統(tǒng)， 協(xié)助患者進行實時監(jiān)護和科學的個性化健康管理，通過病患的生理指標建立疾病決策診療系統(tǒng)，及時提供科學的醫(yī)療診斷， 以此避免看急診和住院治療， 大大減少就醫(yī)次數(shù)和節(jié)約醫(yī)療成本。在全球范圍內(nèi)， 針對可穿戴醫(yī)療服務效果的臨床研究如表1-1 所示。表 1-1 全球范圍內(nèi)針對可穿戴醫(yī)療服務效果的臨床研究慢性疾病地區(qū)研究結(jié)果糖尿病美國每個病人全部醫(yī)療費用可能降低42% 高血壓美國把兩次發(fā)病看醫(yī)生的時間間隔延

27、長了71% 心力衰竭歐盟降低住院時間35%；降低出院后看醫(yī)生次數(shù)10% 慢性阻塞性肺炎加拿大降低住院次數(shù)50% 20 世紀 90 年代中期，電子織物5的出現(xiàn)為可穿戴健康監(jiān)護提供了一種新興載體，它將傳感、計算、通信、執(zhí)行單元和互連部件集成或分別嵌入衣物、胸帶、腰帶或者手套中， 對患者的生理參數(shù)和運動信息實施非侵入、無擾、長期和動態(tài)的監(jiān)護，這些部件成為織物的內(nèi)在組成部分并“ 隱” 于織物中，不僅具備可穿戴和非干擾的特點， 同時具備感知、 執(zhí)行計算和無線通訊的能力。目前電子織物主要有兩種實現(xiàn)方法： 一是將傳統(tǒng)意義上的傳感器、 微控制器等電子器件集成到衣物中； 二是利用材料的電特性能夠因其上產(chǎn)生的電刺

28、激而改變電氣特性來制造生物傳感器。在過去的十幾年間，可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)得到了學術(shù)界高度的關(guān)注及研究，一個典型的可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1-1 所示。它以多種多樣的可穿戴傳感器為基礎， 將傳感器與柔性織物相結(jié)合以衣物、胸帶或腰帶等形式測量人體重要生理參數(shù)（心電、肌電、血壓、呼吸等）和運動信息，將測量的傳感數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式傳送給中心節(jié)點（微控制器板、pda、智能手機等），用戶交互界面用于信息的顯示以及用戶的操作交互，中心節(jié)點將匯總好的重要信息傳送給醫(yī)療中心。 可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)包括多種組件：生物傳感器、 可穿戴紡織材料、控制和執(zhí)行單元、電源模塊、無線傳輸模塊、用戶界面以及用于數(shù)據(jù)處理

29、和決策的算法。第一章緒論3生理信號（ ecg 、血壓、呼吸、血氧飽和度等）和運動信息傳感器 1放大濾波ad轉(zhuǎn)換傳感器 2放大濾波ad轉(zhuǎn)換傳感器 n放大濾波ad 轉(zhuǎn)換遠程醫(yī)療中心救護中心本地信號數(shù)據(jù)庫中心處理單元報警模塊無線傳輸模塊傳感信號處理和通訊用戶交互接口病人傳感器中心節(jié)點（pda, 智能手機等）.無線傳輸（ wlan,gprs,umts 等）無線（ bluetooth,zigbee等）或有線（導電防線等）等圖 1-1 可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)6伴隨著可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)的發(fā)展， 基于不同技術(shù)的可穿戴織物傳感器大量涌現(xiàn)，柔性互連技術(shù)、織造技術(shù)得到廣泛應用。然而，由于織物傳感器較普通傳感器更

30、易受到周圍環(huán)境的影響， 所以在穩(wěn)定和可靠性方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。以心電信號的檢測為實例，可穿戴式的織物電極的具有低阻抗的特性7，它極易受到熱噪聲、 運動偽跡和電源工頻信號的干擾。它們之中， 由穿戴者的活動引起的運動偽跡的研究受到了研究學者的重視，與其它干擾具有特定的頻率范圍不同，它具有動態(tài)的頻率范圍， 并且幅度較大， 容易損壞或淹沒生物信號， 它將導致不合理的處理和錯誤的診斷， 給健康監(jiān)護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 運動偽跡會很大程度上干擾心電信號的有效性， 很有可能導致對心電信號參數(shù)錯誤的評估以及觸發(fā)錯誤的報警。因此，如何有效地抑制動態(tài)心電信號中的運動偽跡是可穿戴健康監(jiān)護中必需要解決的關(guān)鍵問題。綜上

31、所述，本文以可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)與運動偽跡抑制方法研究為主題，研究設計能夠在人體運動狀態(tài)下進行長期檢測的可穿戴心電監(jiān)護系統(tǒng)，設計抑制動態(tài)狀況下心電信號運動偽跡的濾波算法，最后對濾波后的心電信號進行了特征提取和心率異變性的分析。1.2 相關(guān)領域研究現(xiàn)狀90 年代中期開始，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多可穿戴健康監(jiān)護原型致力于個人健康監(jiān)護創(chuàng)新，結(jié)合電子織物技術(shù)、 智能傳感器實現(xiàn)病患在長期的健康監(jiān)護下擺脫不電子科技大學碩士學位論文4適感和時間地點的限制。 其中比較典型的有意大利米蘭理工大學的magic8，歐盟的可穿戴醫(yī)療保健項目wealthy9，飛利浦歐洲研究院的myheart10，葡萄牙阿威羅大學的 vita

32、l jacket11, 德國不萊梅大學的chronious12等， 相關(guān)的研究成果如表 1-2 所示。這些系統(tǒng)主要是內(nèi)部集成了生物傳感器的背心或t 恤。它們研制了舒適、 可拉伸的傳感電極， 結(jié)合嵌入衣物內(nèi)的便攜電子板和移動計算終端等，基于有線或bluetooth、wifi、zigbee 等無線通訊技術(shù)，采集傳輸心血管疾病、阻塞性肺炎等慢性病的重要生理信號。表 1-2 典型可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)研究成果項目名稱基礎構(gòu)件通信模式測量信號醫(yī)學應用magic 嵌入織物傳感器的背心、 便攜電路板、 pda 藍牙ecg、呼吸、溫度記錄心肺功能和日常活動信號wealthy 嵌入織物傳感器的夾克導電紡線、藍牙、g

33、prs ecg、呼吸、溫度、肌電、活動老年慢性病的康復監(jiān)測myheart 嵌入織物傳感器的胸帶、 pda 導電紡線、藍牙、gprs ecg、其他重要信號、活動老年心血管疾病的預防診斷vital jacket 嵌入織物傳感器的夾克、 pda/pc 導電紡線、藍牙、gprs ecg、呼吸、溫度、活動、血氧飽和度老年重要生理體征的監(jiān)測chronious 嵌入織物傳感器的t恤、 pda/pc 導電紡線、藍牙、gprs ecg、其他重要信號、活動老 年copd 、cvd的預防診斷可穿戴傳感器直接影響到監(jiān)測的信號質(zhì)量和佩戴的舒適性，尤其對于長期的實時監(jiān)測，電極的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。 對于非常重要的心電信號

34、在心臟疾病以及其他慢性疾病的監(jiān)護診療中具有重要意義，是人類最早研究并應用于醫(yī)學臨床的生物電信號之一。 動態(tài)心電圖是臨床分析病情、確立診斷重要的客觀依據(jù)， 包括休息、活動、工作學習和睡眠等不同狀況下的心電數(shù)據(jù)，相較于早期的一次心電圖，它能夠更加完整地記錄心臟狀況，為診斷提供更加準確的依據(jù)。傳統(tǒng)的臨床動態(tài)心電電極是一次性銀-氯化銀濕電極， 這種電極導電性能好，阻抗低，為了提高電極和皮膚接觸良好， 它使用電解質(zhì)凝膠在傳感器和皮膚之間形成導電通路。 然而，這種電解質(zhì)凝膠會導致皮膚過敏以及由于皮膚脫水引起的信號衰減 ,所以不適合用于長期監(jiān)護13。為了克服傳統(tǒng)濕電極的缺點，干電極得第一章緒論5到了廣泛的應

35、用。金屬電極和導電橡膠電極都能夠在不引起皮膚過敏的情況下成功地檢測心電信號，但是它們材質(zhì)堅硬， 給穿戴者帶來不適感， 不適合長期穿戴。由于基于電子織物的監(jiān)護系統(tǒng)具有舒適、易穿戴，不受時間地點限制等特點， 所以在這種長期動態(tài)的健康監(jiān)護中具有較大的優(yōu)勢。通過使用不同的織物材料和技術(shù)， 涌現(xiàn)了多種多樣的電子織物電極制作方法，如圖1-2所示，利用導電紡線通過緯紗或經(jīng)紗的方式編入衣物中，達到傳感器和衣服的真正融合， 或者利用導電紡布縫紉在衣服上，使用導電紗線作為衣物的內(nèi)部連接線。韓國高級科學技術(shù)研究院提出了時尚平面電路板（planar fashionable circuit board，p-fcb）技術(shù)

36、14,將印刷電極與信號獲取電路集成，實現(xiàn)無導聯(lián)線的實時心電監(jiān)測。（a）wealthy項目的織物電極（b）myheart 項目的織物電極(c) p-fcb 技術(shù)制作的織物電極(d) vital jacket 項目的織物電極圖 1-2 可穿戴電子織物傳感器其他的織物電極制作方法還有利用聚合物厚膜技術(shù)將活性電極附著在紡織絲網(wǎng)印刷電路上進行檢測15，以及利用薄膜技術(shù)將生物電勢光纖傳感器固定在腈綸纖維的表面形成電極16等。以上這些技術(shù)制作的電極雖然都能達到很好的測量效果， 但是制作過程較為復雜， 有些需要大型的編織機器， 因而增加了系統(tǒng)的成本。目前， 可穿戴健康監(jiān)護技術(shù)經(jīng)過研究學者的不懈努力取得了豐碩的

37、研究成果，電子科技大學碩士學位論文6但還存在一些局限性， 例如病患在移動或運動狀態(tài)下的持續(xù)監(jiān)測與異常情況監(jiān)測方面的限制，大部分解決方案還未能完全利用可穿戴電子織物傳感器實施人體移動環(huán)境下的長期監(jiān)測。由于電子織物電極不能與人體皮膚時刻保持緊密接觸，在檢測動態(tài)心電時極易受到運動偽跡的干擾， 因此設計有效的抑制運動偽跡的濾波算法也成為研究學者關(guān)注的問題。 運動偽跡的主要來源是身體引起的皮膚變形、肢體運動或者人體日?；顒印Ｄ壳?，研究學者主要采用信息處理技術(shù)對織物電極采集的信號進行分析和濾波，例如自適應濾波17-20、卡爾曼濾波21、小波變換22-23等。隨著數(shù)字信號處理的不斷發(fā)展， 自適應濾波器得到廣

38、泛應用。 它的性能可以和卡爾曼濾波相媲美，但是在使用時相較卡爾曼濾波和小波變換更加簡單，不需要知道有關(guān)信號和噪聲的先驗知識。widrow b 等于 1967 年提出了自適應濾波理論， 自適應濾波器中的參數(shù)能夠根據(jù)需要自動調(diào)整到最佳的狀態(tài)。自適應濾波器需要兩路信號輸入：主輸入信號和參考信號， 主輸入信號是含有噪聲干擾的信號，參考信號需要和噪聲信號具有高度相關(guān)性， 但與需濾波后的輸入信號不相關(guān)。將參考信號與噪聲信號進行比較形成誤差信號， 誤差信號通過自適應濾波算法對濾波器的參數(shù)進行調(diào)整，使得輸出的誤差信號最小，以此來抑制噪聲信號。romero等人用皮膚 -電極界面阻抗作為自適應濾波器的參考信號，可

39、以一定程度上抑制運動偽跡17,18，這種方法需要測量皮膚與電極之間的阻抗變化，由于在低頻時阻抗信號相對于皮膚阻抗比較敏感，去噪效果隨著頻率的增加而降低。hamilton 等和 liu y 等人分別嘗試采用應變儀24和光學傳感器25檢測電極的變形，將變形量作為自適應濾波器的參考信號，在一定程度上成功地抑制了運動偽跡。yoon和 kim 等采用三軸加速度計采集人體運動狀況下的加速度信號作為濾波器的參考信號20,26，有效地抑制了運動偽跡。1.3 課題研究內(nèi)容本文結(jié)合電子織物的兩種實現(xiàn)方法， 設計基于電子織物的可穿戴動態(tài)心電信號監(jiān)護系統(tǒng)， 分析在人體運動狀況下生物電信號中的噪聲，針對大部分國外案例只

40、能在靜態(tài)時檢測心電信號的情況， 分析研究動態(tài)心電信號運動偽跡的抑制方法，具體研究內(nèi)容如下：（1）分析可穿戴健康監(jiān)護診療系統(tǒng)在老年慢性疾病監(jiān)護中的應用需求，總結(jié)相關(guān)領域的研究現(xiàn)狀，對存在的主要問題和挑戰(zhàn)進行了分析。（2）闡述心電分析的基本知識和檢測原理，首先介紹了心電圖以及典型的心電波形、心電圖各個波段的特性以及對診療康復的意義。最后闡述了心電信號第一章緒論7的特點以及檢測方法， 并分析了在心電采集的過程中需要去除的幾個主要噪聲信號。（3）搭建可穿戴心電監(jiān)護診療硬件系統(tǒng)平臺，設計柔性織物傳感電極，設計保證系統(tǒng)工作的基本模塊，如信號調(diào)理模塊對動態(tài)信號進行放大和濾波處理，以滿足a/d轉(zhuǎn)換的電壓需求、

41、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)接口等， 選擇有線和無線傳輸方式， 最后設計尺寸小， 可靠性較強的pcb電路板。在軟件部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的軟件設計，如動態(tài)心電模擬信號的adc采集、數(shù)據(jù)的存儲以及與上位機數(shù)據(jù)接口指令等。（4）介紹動態(tài)心電信號的處理方法。對于心電信號的濾波處理，本文著重闡述運動偽跡噪聲干擾的抑制方法，介紹自適應濾波器的結(jié)構(gòu)和設計方法，并在傳統(tǒng)最小均方誤差自適應算法的基礎上提出一種歸一化lms 算法，并將其運用到動態(tài)心電信號運動偽跡的抑制中。對于心電信號的特征檢測， 本文采用動態(tài)自適應閾值的r 波檢測方法，對傳統(tǒng)的閾值檢測方法進行了改進，為后續(xù)的病情診斷提供

42、準確度較高的數(shù)據(jù)。簡要介紹利用r-r 間期和心率對心電信號的異常進行分析。（5）對系統(tǒng)進行測試實驗，利用電子織物對心電信號進行采集和上位機顯示，分析不同身體活動狀態(tài)下濾波器輸出參數(shù)的差異。最后給出本設計的r波檢測算法的實驗分析。1.4 課題結(jié)構(gòu)安排本文根據(jù)目前可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)中人體心電監(jiān)測存在的問題和挑戰(zhàn)，設計能夠在人體運動狀態(tài)下的心電監(jiān)護系統(tǒng)，從生物傳感噪聲分析、 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設計以及運動偽跡的抑制方法三個方面進行深入的研究。由此將本文分為六章，各章的內(nèi)容如下：第一章 緒論。主要闡述課題的研究背景，分析目前與課題相關(guān)的研究現(xiàn)狀和進展，說明本論文研究的目的和意義，介紹本論文研究內(nèi)容和結(jié)

43、構(gòu)安排。第二章 動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理。對心電信號的基本知識進行分析，包括心電圖和典型的心電波形，并根據(jù)心電信號的特征， 對心電信號的檢測原理進行闡述。第三章 可穿戴動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)的整體設計。介紹系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。介紹織物式心電電極的制作方法，設計心電信號調(diào)理電路以及計算處理單元各模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理。 介紹織物傳感器內(nèi)連形式以及和外部終端的數(shù)據(jù)通訊方式。第四章 圍繞運動偽跡干擾的濾波處理和信號波形特征檢測深入探討心電信電子科技大學碩士學位論文8號的處理方法， 在改進傳統(tǒng)方法的基礎上實現(xiàn)運動偽跡干擾的濾波處理、信號特征檢測，并從心率和r 波兩個方面對信號的異常進行分析。第五章

44、 測試實驗和結(jié)果分析。利用電子織物對心電信號進行采集和上位機顯示，主要進行系統(tǒng)功能和濾波器性能的測試。第六章 總結(jié)和展望?？偨Y(jié)本文完成的研究和設計，對本文不完善的地方進行說明和改進思路，對未來可穿戴慢性病監(jiān)護診療系統(tǒng)中心電監(jiān)測做出展望。第二章動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理9第二章動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理心電信號在心臟疾病以及其他慢性疾病（如慢性阻塞性肺炎） 的監(jiān)護診療具有重要意義。 它是人類最早研究并應用于醫(yī)學臨床的生物電信號之一。動態(tài)心電圖是臨床分析病情、確立診斷重要的客觀依據(jù)，包括休息、活動、工作學習和睡眠等不同狀況下的心電數(shù)據(jù)， 相較于早期的一次心電圖， 它能夠更加完整地記錄心臟狀

45、況，為心臟相關(guān)病情的診斷提供科學根據(jù)。本章將對心電圖和典型的心電波形進行描述，分析心電信號的幾個典型特征，為心電信號調(diào)理電路的設計要求， 最后根據(jù)心電信號的產(chǎn)生機理介紹了它的檢測方法。2.1 心電信號的基礎分析2.1.1 心電圖（ ecg）心電信號來源于細胞膜內(nèi)外離子濃度差，從生物醫(yī)學上來說，細胞存在取極化、去極化 /除極化和復極化這幾種不同的狀態(tài)。在取極化階段，細胞由于處于激活狀態(tài)，由于細胞內(nèi)離子的濃度差，使得離子在細胞膜內(nèi)外相互流動和交換，在去極化階段， 細胞膜內(nèi)的離子濃度大于細胞膜外的，所以細胞膜內(nèi)的電流向細胞間質(zhì)流動，由此就產(chǎn)生了相應的電勢差27。細胞膜內(nèi)外具有大約-70mv 的固有電

46、勢差，細胞的極化現(xiàn)象是通過細胞膜內(nèi)外離子的遷移形成的，遷移的能量依靠 atp 水解。這種遷移特性使得細胞膜內(nèi)外靜電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而形成了電信號。心電信號人體的細胞組織發(fā)生極化現(xiàn)象將導電離子傳遞到人體體表，在皮膚和采集電極的交界面進行電子離子交換，最終的心電信號由導電電極通過單導聯(lián)或多導聯(lián)線、前置放大濾波電路、采集處理電路得到。心電信號可以用能斯特方程來描述。細胞膜內(nèi)外因存在離子濃度差異而引起的生物電勢差（ biopotential）記為e，它可以用下面式子來表示：12lncrtezfc(2-1) 其中，r是氣體常數(shù)8.3143/()jk mol，t是絕對溫度k，z是電極反應中的介電常數(shù)，f是法

47、拉第常數(shù) 96485/cmol，1c是細胞膜內(nèi)離子濃度 ,2c是細胞膜外離子濃度。 細胞在取極化、 去極化和復極化的狀態(tài)時， 由于細胞膜內(nèi)外離子發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得1c和2c的具體數(shù)值發(fā)生了變化，細胞的生物電勢差也隨即發(fā)生改變，反映到體表就產(chǎn)生了心電信號。目前臨床醫(yī)學上，將心電信號測量電極放置在人體表面的特定位置而記錄下電子科技大學碩士學位論文10來的電信號曲線叫做心電圖（electrocardiogram，ecg） 。它反映了整個心臟的電激勵過程，是通過心臟的細胞組織傳遞到體表而表現(xiàn)出的有規(guī)律有周期的電信號變化2.1.2 典型心電波形心臟運動的基礎是心臟細胞產(chǎn)生生物電的電激勵過程，包括取極化、 除

48、極化和復極化， 心臟活動表現(xiàn)為興奮性、 傳導性和自律性， 也就是心臟有規(guī)律的收縮現(xiàn)象。典型的心電波形如圖2-1 所示，在電激勵傳導過程中伴隨著心電信號的產(chǎn)生。圖 2-1 心臟活動周期和典型心電波形對于正常人采集到的心電信號， 雖然不同的人和不同的導聯(lián)方式紀律下來的心電圖波形不盡相同， 但一個正常的心電圖大致都是由一些波段和間期組成，典型波包括 p 波、qrs波群和 t 波，此外還包括 pr 段、pr 間期、 qt 間期和 st段，典型心電波形中各個波、段和間期的參數(shù)如表2-1 所示29: 表 2-1 典型心電圖各波段參數(shù)名稱時間（ s）幅值（ mv）來源p 波0.060.11 0.050.25

49、 左右心房興奮信號產(chǎn)生q 波0.030.04 r 波的 1/21/4 左右心房興奮信號的傳遞過程r 波- 2.5 左右心房興奮信號的傳遞過程s 波0.060.11 - 左右心房興奮信號的傳遞過程t 波0.050.25 0.11.5 心室肌復極化電位變化過程pr 段0.060.14 與基線同一水平面位于 p波后方至qrs 復合波前方，正常情況下與基線相同pr 間期0.120.20 - 興奮從心房到心室結(jié)，再到心室束的傳遞時間st 段0.050.15 水平線心室肌的緩慢恢復過程qt 間期0.4 - 心室從去極化到復極化的過程第二章動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理11正常心電圖上的每個心動周期的心電波

50、形的變化時有規(guī)律的。當心臟受損或發(fā)生病變時， 心電圖就能實時地反映心臟的異?；顒幼兓?，具體表現(xiàn)在各個波段和間期的異常， 這些具體的信號特征數(shù)據(jù)為醫(yī)生診斷心律不齊、肺性心臟病、 心臟腫瘤等心臟疾病或其它以心電信號為重要診斷信號的慢性疾病提供科學根據(jù)。ecg 信號是人體心臟周期活動的直觀體現(xiàn)，由于人體產(chǎn)生心電信號原理較為復雜， ecg信號具有以下兩個典型特性：一個是隨機性較強，它不是典型的周期信號，根據(jù)具體情況發(fā)生實時的變化， 目前還不能用一個標準的數(shù)學模型來進行描述。二是 ecg 信號是典型的弱電信號，幅值和頻率都較低，易于受到噪聲的干擾，有用的ecg 信號常常被噪聲信號淹沒甚至損壞，給特征檢測

51、帶來困難。2.2 心電信號的檢測2.2.1 心電信號的特征心電信號作為幅值微弱的低頻生物電信號，其具體特征如下28：（1）信號幅度弱：心電信號是一種隨機信號，幅度一般都很微弱，一般在 0.54mv 之間，是典型的弱電信號。并且它存在很大的共模干擾，所以要檢測心電信號， 在硬件上必需選擇共模抑制比大并且精度較好的倍率放大電路。同時，為了防止過大的放大增益會造成噪聲信號的過度放大，需要采用多級放大的方式實現(xiàn)。（2）信號頻率低：心電信號是頻率在0.01250hz的。容易同時受到低頻或高頻噪聲的干擾，在處理時需要合理地設計放大器的帶通范圍。（3）信號差異性大：不同的人由于年齡、性別和身體狀況的不同，它

52、們的心電信號存在很大的個體差異，并且就算同一個人， 在不同的年齡段， 心電數(shù)據(jù)也存在較大的差異。（4）易受到噪聲干擾：由于生命體的復雜性，在檢測心電信號時常常會受到其它噪聲的干擾， 包括人體內(nèi)產(chǎn)生的噪聲和外部環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾等。因此，為了準確地反映心臟實時狀態(tài)，去除干擾噪聲以采集有價值的心電信號，就要設計合理的去噪電路和濾波算法。動態(tài)心電信號屬于弱電信號， 可穿戴式的織物電極極易受到噪聲的干擾，例如電子設備或外部環(huán)境引起的熱噪聲（thermal noise） 、電源工頻信號（ power frequency interference）噪聲31等。由于它不能牢固地緊貼在皮膚上，具有低阻抗的特性

53、，在使用者進行日?；顒拥臓顟B(tài)下，電極發(fā)生擠壓、拉伸或機械形變，電極和皮膚界面之間的位置發(fā)生相對滑移，使得皮膚與電極之間的電信號發(fā)生變電子科技大學碩士學位論文12化，產(chǎn)生了運動偽跡（ motion artifact） ，使得心電的監(jiān)測更加困難，信號被噪聲淹沒甚至破壞， 很大程度上干擾心電信號的有效性。所以目前大量的研究和設計已經(jīng)證明電子織物結(jié)構(gòu)的心電電極能夠成功有效地檢測到人體在靜止狀態(tài)下的心電信號，研究人體在運動狀態(tài)下心電信號的監(jiān)測成為本課題需要解決的關(guān)鍵問題。在動態(tài)心電信號檢測過程中極易受到的噪聲干擾包括以下四類：本文用圖示的方法介紹各個混有噪聲的信號形態(tài)。采用國際上三大標準心電數(shù)據(jù)庫之一的

54、mit-bih 數(shù)據(jù)庫所采集的正常心電圖心電信號（編號為105）作為基準，它采集于 18 個無心率失常的實驗者，采集頻率是128hz，將此純凈的心電信號分別混入了基線漂移、 工頻干擾、 肌電干擾和運動偽跡， 這些噪聲信號來源于mit-bih噪聲干擾測試數(shù)據(jù)庫（ mit-bih noise stress test database, nstdb ） 。（1）基線漂移基線漂移是對心電信號影響較大的噪聲干擾，正常心電圖的各波段應該與基線保持平齊， 而漂移會使心電波形產(chǎn)生整體上的波動起伏，嚴重影響心電信號特征檢測以及病情診斷的準確性。 因此，抑制基線漂移干擾是心電信號分析處理的基礎。如圖 2-2 所示

55、為 mit-bih 數(shù)據(jù)庫所采集的正常心電信號（上）和帶有基線漂移心電圖（下）的比較。圖 2-2 正常心電圖（上）和帶基線漂移心電圖（下）的比較基線漂移干擾主要是由人體呼吸、信號采集電路等因素引起的。 基線漂移幅度較弱，為心電信號最大幅度的15%左右，并且是頻率范圍在0.15hz 到幾 hz的低頻信號。由于基線漂移與心電圖st波段的變化趨勢極為相似，如果濾波效果不當，很容易導致st 波段的失真，對心臟疾病的識別和判斷產(chǎn)生嚴重后果。（2）工頻干擾由于人體的分布電容以及長時間暴露在外部環(huán)境中的電極引線受到電磁場第二章動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理13的干擾而受到較大的50hz 電源工頻干擾。在采集

56、心電信號時，工頻干擾的幅度較大，可以達到心電信號最大幅度的050%，基本將純凈的心電信號淹沒。此外，由于電磁場的變化，工頻干擾的幅值具有隨機性，頻率也會在以50hz 為中心的范圍內(nèi)波動。 為了濾除工頻干擾， 在硬件設計上要采取接地和屏蔽措施，盡量縮小導聯(lián)線的長度， 設計硬件陷波電路等方法， 還可以應用合適的軟件濾波算法加以濾除。如圖2-3 所示為 mit-bih 數(shù)據(jù)庫所采集的正常心電信號（上）和帶有工頻干擾心電圖（下）的比較。圖 2-3 正常心電圖（上）和帶工頻干擾心電圖（下）的比較（3）肌電噪聲國內(nèi)外相關(guān)研究表明， 在人體表皮層的內(nèi)外存在著一定數(shù)值的皮膚電勢，它會隨著人體的日?；顒踊蛘咧w

57、的運動而產(chǎn)生變化，這種情況下產(chǎn)生的皮膚電勢差就反應在人體的肌肉收縮所產(chǎn)生的生物電信號，成為肌電干擾噪聲。圖 2-4 正常心電圖（上）和帶工頻干擾心電圖（下）的比較肌電干擾是由于大量的肌肉纖維進行無規(guī)律的收縮引起的，病患由于緊張情電子科技大學碩士學位論文14緒或者寒冷而發(fā)生顫抖、 甲亢病人等在檢測心電信號時都容易帶來這種高頻的肌肉干擾噪聲，它的頻譜范圍很廣，特性接近白噪聲。如圖2-4 所示為 mit-bih數(shù)據(jù)庫所采集的正常心電信號（上）和帶有工頻干擾心電圖（下）的比較。（4）運動偽跡人在動態(tài)情況下， 由于肢體移動或者日?；顒映艿竭\動偽跡的干擾，如圖 2-5 所示為 mit-bih 數(shù)據(jù)庫所

58、采集的正常心電信號（上）和帶有工頻干擾心電圖（下）的比較。圖 2-5 正常心電圖（上）和帶運動偽跡心電圖（下）的比較它主要來源于皮膚 -電極界面的電氣屬性發(fā)生了變化，例如在人體產(chǎn)生肢體運動時，電極發(fā)生擠壓、拉伸形變、與皮膚發(fā)生相對相互作用和相對移動時，生物電勢發(fā)生了改變， 產(chǎn)生附加在有用信號上的噪聲。 科學家已經(jīng)提出了多種電氣模型來描述皮膚 -電極界面32- 33。皮膚-電極界面可以用一系列電阻和電容的組合來描述，如圖2-6 所示為皮膚 -電極界面等效電路圖模型34，在運動偽跡干擾下電氣特性發(fā)生了變化。真皮和皮下層表皮角質(zhì)層導電凝膠電極圖 2-6 皮膚 -電極界面等效電路圖模型皮膚變形引起最上

59、層皮膚 （表皮角質(zhì)層） 的阻抗變化， 轉(zhuǎn)換成人體表面的電第二章動態(tài)心電信號分析基礎及檢測原理15勢加以測量，這種變化表現(xiàn)在模型中表皮角質(zhì)層（stratum corneum epidermis ）的電勢狀態(tài)由epir和epic的并聯(lián)變?yōu)榈膕r 和sc 的并聯(lián)。皮膚 -電極界面電氣特性是各層的疊加和組合，其等效的皮膚-電極電阻抗equiz表示為：equisaaz= r +(r|c )(2-2) 在心電信號的監(jiān)測過程中， 對夾雜在理想信號中的噪聲進行分析，并設計適當?shù)姆椒▽υ肼暩蓴_進行針對性的濾波處理，對于提高心電信號特征的檢測準確率、信號異常分析以及病情診斷和康復的評估具有非常重要的意義。2.2.

60、2 心電信號的檢測由 2.1.1 節(jié)中的介紹可知，人體生物電信號的本質(zhì)是人體兩點的電位差，在身體上直接放置導電電極并且通過一定的導聯(lián)方式就可以采集到心電信號。導聯(lián)方式是指輸入導線與導電電極放置在機體特定的測量部位，組成正輸入端、 負輸入端和接地部位的連接方式。心電圖學中有三種導聯(lián)方式：第一種是臨床醫(yī)學使用的標準12 導聯(lián)即同步hoter 檢測儀器，定義一組12個電位差，能夠同步、連續(xù)、長時間地記錄心電全信息、動態(tài)變化的心電圖。 第二種正交矯正導聯(lián)系統(tǒng)， 是指與各導聯(lián)向量是相互正交的，能夠精確測量相互垂直方向上心臟電活動分量。第三種是單通道導聯(lián)檢測系統(tǒng)，典型的是只分析一個或者兩個導聯(lián)，最主要的目