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ECG_SoftwareSpec

一个ECG协议的文档,算法.Health Informatics - Standard Communication Protocol Computer-assisted Electrocardiology, 医用信息学——计算机辅助心电图标准通信协议,第1064 号欧洲标准,最新版本发布于2005 年。SCP-ECG 规定了常规静态心电图传输的数据格式以及数据压缩的基本要求。 静态心电图为病人处于静止状态下采集的短时心电图,一般为10 至30 秒,心电图机可 把采集的心电图数据自动存储起来。SCP-ECG 则为心电图机之间或心电图机与其他设备交 换静态心电图数据而设计。
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A CAST 1/21
a
Software Design Specifications
ECG Monitoring Module
Revision Number: V4.0
Last Revision Date: 2007-07-27
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Analog Devices Inc. has the full intelligent property (IP) of this document and the things
described in this document.
Analog Devices Inc. has the right to change any of the descriptions in the document without
notifying the readers.
If the readers need any technical help, contact China Applications Support Team (CAST) via
china.support@analog.com
or the toll-free number 800 810 1742.
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A CAST 2/21
Author: Meng Fountain (fountain.meng@analog.com)
Co-authors: Tan Xiaojun (tanxiaojun13@163.com
, ADI Internship Students)
Liao Wenshuai (wenshuai.liao@Analog.com
)
Guo David(david.guo@analog.com)
Department: China Applications Support Team (CAST)
Revision History
Date Revision Description Who
2006-04-03
Draft TanXiaojun
2007-07-27 4
rd
version. Add the figure 3-2 to explain the arithmetic. Also
add the abbreviations and reference books. After power on,
the system can stabilizes in 23 seconds because of the big
capacitance after AD8221. Cancelling the Figure 2-2.
David

A CAST 3/21
1. 简介
ECG 模块的软件由两部分组成:嵌入式软件(ARM7)和平台软件(PC)。
板上 ARM7 处理器为 ADuC7020. 完成下面的功能:
z 控制 ECG 模块
z 数据采集
z 数字信号处理
z 与 PC 通讯:发送采样数据给 PC 和接收 PC 命令
PC 机完成下列功能:
z 显示 ECG 波形和心率
z 与 ECG 模块通讯: 控制命令和接收采样数据
ECG 模块和 PC 机之间用串口来通讯。
PC 端软件用 Labview 来设计。ADuC7020 的代码用 C 语言完成,编译环境为 Keil uVeision3。
本文档内容如下:
z ECG 处理算法(数字滤波,波形识别和心率计算)
z PC 软件实现(波形和心率显示,导联选择菜单)
z ADuC7020 和 PC 间的通讯协议

A CAST 4/21
2. ECG 算法
2.1 背景介绍
通常的 QRS 波检测有两种方式,一是句法的方法,另一种是非句法的方法。句法的方法,是
将 ECG 中不同的波形轮廓和线段(即模式)用一系列符号代表,然后检测这些符号所构成的序列。
当某一序列符合 QRS 波所具有的符号序列时,则判定该序列所对应的 ECG 段为一 QRS 波。但句
法的分析方法取得的结果并没有非句法的优越,再者,句法方法的处理速度小于非句法,分析规
则的直观性不强,且在进一步的心率失常分析处理中不便沿用医生传统的分析方法与步骤,因而
其应用不够广泛。
非句法的方法有:传统方法;神经网络的方法;小波的方法以及软硬件结合的方法等等。神
经网络的方法和小波的方法,尤其是小波的方法是目前研究的热点,它主要应用小波变换的多尺
度特性,对波型的识别取得了较好的效果,但多处于离线分析处理阶段,尽管目前微处理器和各
种 DSP 芯片发展迅速,但实现起来仍显得复杂。而传统的方法,由于其实现简单,效果基本可以
满足要求,所以其生命力仍然相当强盛,许多研究者仍然在研究既可靠又简单的方法,传统方法
依然是当前应用最为广泛的算法。该项目采用的就是传统的算法。
基于两版不同的硬件电路,编写了两版片上程序,算法也不同。PC 机上的程序由于满足要求,
基本上沿用了第一版的设计,变化很少。
2.2 片上程序介绍
2.2.1 第一版算法介绍
第一版借鉴了由 Pan 和 Tompkins 于 1985 年创立的一种算法。它通过分析斜率、幅度和宽度
识别 QRS 复波。图 2.1 所示的是用于 ECG 信号分析中的各种滤波器级联构成的带通滤波器。随后,
对信号进行微分、均方和时域平均
[1]
。这种带通滤波器实际上是由级联的低通滤波器和高通滤波器
构成的。信号滤波后,经过微分可得到 QRS 复波的斜率信息。经过带通和微分后,P 波和 T 波有
进一步的衰减,相应地 QRS 复波的峰-峰值反而进一步增强了。信号逐点平方操作,使所有处理过
的信号数据点为正值,并且非线性地放大了微分处理器的输出。在该操作中要注意,该阶段的输
出应严格限制在某一最大电平内,它对应着用来代表信号数据类型的位数。最后,对采样信号经
移动窗口积分。窗口宽度应当尽可能同 QRS 复波宽度相近。如果窗口尺寸太大,积分波形将把
QRS 复波和 T 波融合在一起。如果窗口尺寸太小,一个 QRS 复波就可能在输出中产生几个峰值。
阈值是根据前一个 QRS 复波确定的,这样,算法能适应某个特定人体的 ECG 信号的变化。
滑动窗
口积分
平方
微分
高通滤
波器
低通滤
波器
ECG
X(n) Y(n)
Z(n)
图 2.1

A CAST 5/21
2.2.2 第二版算法介绍
第一版算法实现占用的时间较长,检测有某些疾病的心电信号时,不能够很好的检测到 QRS
复波。于是,考虑第二种方法。由于在硬件电路中,对信号的滤波处理已经满足基本要求,第二
种算法中,数字滤波部分作为可选项。
该算法流程图如下:
一次采样
计算心率? 计算心率
找一个极大值
有效极大值?
极大值标志?
找一个极小值
有效极小值?
记录极大值及
其位置
返回
返回
返回
记录极小值及
其位置
两个极值间距<12
返回
更新极大值
两次极大值间距过小?
第一次极大值>第
二次极大值?
记录第一次极
大值
认为一次R
波,更新閾值
记录该次极大
值位置
返回
Y
Y
Y
Y
Y
Y Y
N
N
N
N
N
N
N
图 2-2 流程图
程序的执行首先要定位 R 波,然后再根据 R 波的位置计算心率。定位 R 波的步骤如下:
1、读取新采样点 N
i
+
1
,并计数 sequ+1。
2、判断 N
i
是否满足 N
i
>N
i-1
和 N
i
>N
i+1
。
1)、若 Ni 满足 2 且 Ni 大于峰閾值,可能为 R 波,记录 Ni 值 Max 和位置 Rtime,极大值
标志位 maxflag 置 1。返回 1)。
2)、如果不满足 2 或 Ni 不小于峰閾值,执行 3。
3、判断极大值标志是否为 1。
1)、满足,判断 Ni<Ni-1 和 Ni<Ni+1。
I、若 Ni 满足 1)且 Ni 小于谷閾值,记录 Ni 值 Min 和位置 Stime。执行 3)。
II、若不满足 1)或 Ni 不小于谷閾值,返回 1;
2)、否则,返回 1。
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