基于BCG信号实时心率检测系统的设计与实现

论文摘要

心脏病是目前世界上死亡率最高的疾病之一,我国心脏病死亡率占各种疾病死亡率的10%-20%,并呈上升趋势。因此对于改进心脏病的早期诊断和治疗方法具有十分重要的意义。心脏泵血会使与人体紧密接触的支撑物体的受力发生变化,将其记录下来便称为心冲击图（Ballistocardiogram, BCG）。BCG信号反映了心血管系统的工作状况,无需在人体贴附传感器即可方便获取,其检测方法可以在受试者感受不到测量状态的情况下得到其心脏活动情况,长期使用不会对受试者造成心理负担。BCG信号中包含了大量有用的心血管系统生理信息,它能有效地辅助医生对各种心血管疾病进行诊断与析,其实现将有力地促进人类健康水平的提高。本文设计了一个基于BCG信号实时心率检测系统,该系统主要有BCG信号检测模块,实时心率测量与显示模块。BCG信号的检测模块又包括由信号采集模块和信号处理模块。实时心率检测与显示模块主要以Altera公司的DE2开发板为主要平台,通过实现滤波算法和检测算法来实现心率的实时显示。在BCG信号采集的过程中所产生的噪声,其中最明显的是50Hz工频干扰。针对50Hz工频干扰的信号特点,本文借助Matlab7.0,采用窗函数法结合零点、极值点、试探法和插值法推导出适合本系统的滤波算法。根据FIR滤波器的原理,结合所提出的滤波算法,设计出基于FPGA的FIR滤波器,Modelsim仿真结果显示所设计的滤波器对50Hz工频干扰有良好的滤除效果。在BCG信号实时心率测量显示模块中,本文提出了一种新的自适应阈值检测J波群的方法,并结合大极值和不应期原理。在此基础上提出了一种基于BCG信号实时检测心率的试验方案,结合嵌入式逻辑分析仪来实时监测BCG波形变化,通过对比心电图和心率测量仪所测量到的结果,表明本系统对心率的检测是切实可行的,能够通过BCG信号较准确地检测出心率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 课题的提出及意义
• 第2章 系统总体构成
• 2.1 系统总体描述
• 2.1.1 BCG信号检测模块
• 2.1.2 实时心率测量与显示模块
• 2.2 本章小结
• 第3章 BCG信号检测模块
• 3.1 BCG信号采集模块
• 3.2 BCG信号处理模块
• 3.2.1 A/D转换电路
• 3.2.2 DE2开发平台
• 3.2.3 接口电路
• 3.3 BCG信号检测模块电路实物图
• 3.4 本章小结
• 第4章 BCG信号滤波算法的FPGA的实现
• 4.1 BCG信号存在的干扰类型
• 4.2 滤波器算法设计
• 4.2.1 FIR滤波器设计原理
• 4.2.2 滤波器的算法的的推导
• 4.2.3 滤波算法在Matlab中的仿真实现
• 4.3 滤波算法在FPGA中的实现
• 4.3.1 BCG滤波模块的设计
• 4.3.2 Modelsim环境中的仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 实时心率测量与显示模块
• 5.1 实时心率的测量原理
• 5.2 实时心率测量方法的设计
• 5.2.1 BCG信号数据特征
• 5.2.2 基于自适应阈值的心率测量算法
• 5.3 实时心率测量算法在FPGA中的实现
• 5.4 实时心率显示模块的设计
• 5.5 使用嵌入式逻辑分析仪进行实时测试
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统测试
• 6.1 BCG信号检测模块的测试
• 6.1.1 BCG信号采集模块的测试
• 6.1.2 BCG信号处理模块的测试
• 6.2 实时心率测量显示模块的测试
• 6.2.1 心率测量显示功能描述
• 6.2.2 心率测量显示模块实验的设计与分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢