无线心电监护仪硬件设计及其数据处理研究

论文摘要

随着人口老龄化的加剧,心血管疾病已成为威胁人类生命的严重疾病之一。心电监护设备对预防和治疗心血管疾病具有极其重要的作用。然而现在临床使用的心电监护设备,体积庞大,价格昂贵,监护数据也只能在本地进行查看,存储空间有限。随着无线通信技术和嵌入式技术的发展,由智能化、微型化的传感器节点组成的低成本、高效的无线网络,为心电监护提供了一个全新的解决方案。心电监护产生的数据量大,而无线传输带宽有限且传输能耗大,对心电数据的压缩显得十分必要。同时,为实现医学上的病理诊断,需对心电信号进行检测分类。本文研究无线传感器网络在心电监护上的应用,设计了无线便携式心电监护系统,并对心电数据进行压缩处理和QRS等相关波形检测。本文的主要工作和成果如下:1.根据心电信号产生原理,分析心电信号的特点,设计了心电采集电路。为增强硬件系统的抗干扰能力,使采集的心电信号具有良好平稳特性,设计了相关的硬件滤波电路。同时,对硬件电路中数字信号和模拟信号进行了有效的隔离,提高了系统的可靠性。2.利用Micaz节点,采样心电数据。并对采集的心电信号进行预处理之后,采用5/3整数小波变换进行信号分解。然后利用改进嵌入式零树小波(Embedded Zerotree Wavelet,EZW)编码将整数小波系数编码压缩,并经无线网络将压缩心电数据发送至上位机监护中心。实验结果表明,数据压缩算法有较好的压缩性能。3.在上位机设计心电检测软件,解压重构心电数据,实时显示光滑后的心电波形,并统计心率。同时,提取QRS特征值,及对相关波形进行定位检测。实验结果表明,还原后的信号与原始信号对比相似度极高,改进压缩算法较好地保持心电信号的特征;同时QRS波形检测算法能有效地对各个波形进行分辨和定位,具有较高的精确度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 无线传感器网络的医疗应用
• 1.3 心电信号
• 1.3.1 心电波形特征
• 1.3.2 心电数据压缩的必要性
• 1.3.3 心电常用压缩算法
• 1.4 心电检测算法概述
• 1.4.1 时域分析法
• 1.4.2 数学形态学原理
• 1.4.3 小波变换法
• 1.5 TinyOS 操作系统概述
• 1.5.1 TinyOS 系统的技术特点
• 1.5.2 基于TinyOS 的软件开发
• 1.6 论文内容和章节安排
• 1.6.1 论文内容
• 1.6.2 论文章节安排
• 第2章 心电系统的硬件设计及信号预处理研究
• 2.1 硬件系统设计
• 2.1.1 硬件整体结构
• 2.1.2 硬件模块分析
• 2.1.3 PCB 设计
• 2.2 心电信号的预处理
• 2.2.1 心电信号常见噪声
• 2.2.2 心电信号预处理算法
• 2.2.2.1 50Hz 工频滤波器的设计
• 2.2.2.2 去基线漂移算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于提升小波的心电压缩算法
• 3.1 小波变换基本概念
• 3.1.1 连续小波变换
• 3.1.2 离散小波变换
• 3.2 提升原理
• 3.3 整数小波变换
• 3.3.1 整数小波变换特点
• 3.3.2 5/3 整小波变换
• 3.4 嵌入式零树小波编码
• 3.4.1 EZW 压缩算法流程
• 3.4.1.1 压缩过程
• 3.4.1.2 解码过程
• 3.4.2 压缩算法的改进
• 3.4.2.1 压缩过程改进
• 3.4.2.2 解码过程改进
• 3.4.3 压缩算法的性能指标
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 MIT-BIH 数据压缩
• 3.5.2 实际运行
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于小波变换的心电 QRS 检测算法
• 4.1 分析小波的选取
• 4.2 算法设计
• 4.2.1 R 波检测
• 4.2.2 Q 波和S 波定位
• 4.2.3 P 波和T 波检测
• 4.3 算法检测结果与分析
• 4.3.1 MIT-BIH 数据检测
• 4.3.2 实际运行结果
• 4.3.3 检测显示界面
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果