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物联网人体心电监护系统软件研究

2023-11-26 来源:客趣旅游网
第37卷 第16期 、,01.37 计算机工程 2011年8月 August 2011 No.16 Computer Engineering ・开发研究与设计技术・  ̄llq,1o0 一3428(2011)16__o埘 -03 文献标识码t A 中圈分类号t TP311.52 物联网人体心电监护系统软件研究 王嘉庆,李鸿强,于晓附,酋长云,田文涛 (天津工业大学信息与通信工程学院,天津300160) 摘要:基于物联网技术和小波变换,提出心电监护系统软件和用于计算机自行分析心电波形的一系列检测算法,介绍无线传感器网络在 心电监护技术方面的应用。该系统软件功能包括对服务器和个人数码助理(PDA),b电数据的收发、存储、波形显示和通信管理。实验结果 表明,该系统软件能使计算机和PDA实时显示被测者的心电波,所提算法经Maflab仿真测试的结果与MIT-BIH数据库标注的结果比较, 误检率仅为0.89%。 。 关健谰:物联网;无线传感器网络;心电监护;系统软件 Research On Human ECG Monitoring System S0ftware  ’f0r Internet of Things W NG Jia-qing,LI Hong-qiang,YU Xiao-gang,MIAO Chang-yun,TIAN Wen-tao (School ofInformation and Communication Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China) [Abstract]This paper proposes all Electrocardiogram(ECG)monitoirng system software and a seires of self-deteciton algorithm for computer naalysis of ECG which ale s印arately based on the Internet of Things(IOT)technology and the wavelet transform,and introduces the application of Wireless Sensor Netwo.rk(WSN)for ECG monitoring.The functions of hits system software include hatt it Can realize ECG data transceiver,data memory,waveform di ̄lay nd acommunication management by using servers and Personal Digialt Assistant(PDA).Experimental results show that this system software call make computer nd aPDA display the ECG waveform in a real—time way.Compared wih tMIT-BIH database annotation,the false detection rate of hits algorithm which goes trough he tMatlab simulation test is just O.89%. [Key words]Internet of hiTngs(1OT);Wierless Sensor Network(WSN);Elecrtocardiogram(ECG)monitoring;system software DOI:10.3969/j.issn.1000-3428.2011.16.092 1概述 物联网(Internet of Things,IOT)指通过各种传感和传输 手段将现实世界的信息进行采集、传输、分析,并在此基础 上搭建信息处理和应用平台,其不仅是一个增强社会生产活 动中信息互通性和决策智能化的综合性网络系统,而且代表 线通信的方式将整个区域内的数据传送到心电信息管理中心 进行管理。医护人员可利用计算机或PDA随时查看病人的心 电生理数据,以便对病人采取医疗措施。利用传感器网络可 长时间收集病人的生理数据,这些数据对医疗研究和新药品 开发非常重要。基于物联网技术的心电监护系统结构如图1 所示。 计算机技术和通信技术的未来;是继互联网之后又一重大科 技创新。物联网系统主要包括信息识别层、终端处理层及传 输网络层。其中,信息识别层主要涉及无线射频识 ̄rJ(Radio Frequency Identiifcation,RFID)传感技术及相关设备,实现对事 物的感知LH;终端处理层主要包括以个人数码助理(Personal Digital Assistant,PDA)、计算机为主的终端处理没备及相关的 软硬件系统;传输网络则通过互联网、通信网等实现数据的 传输与处理。本文基于物联网技术将分布式无线传感器节点 采集到的心电数据,通过无线网络传输至服务器和PDA终 端,继而实现对数据的分析和应用。 2整体系统架构 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术是 物联网的一个具体实现技术。在监测区域,若干传感器节点 通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测,并将采集到 的信息通过无线通信网络传送给远程用户。无线传感器网络 具有费用低廉、操作简便、通信快捷等优点,使其在工业、 农业等领域中有很大的应用前景口】。基于物联网技术的心电 监护系统通过对监护病人安装心电监护节点,此节点以自组 织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节 点,Sink节点再借助IEEE 802.1lb/g无线通信技术或利用有 圈1钧联两心电监护系统鳍构 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60844002,60977059);天津 市高等学校科技发展基金资助项目(20070814) 作者倚介:王嘉庆(1985--),男,硕士研究生,主研方向:无线传感 器网络;李鸿强,副教授;于晓刚,助理研究员;菌长云,教授、 博士生导师;田文涛,硕士研究生 收藕日期:2011—03・l5 E・mail:kiaking@163・corn 274 计算机工程 2011年8月20日 3心电监护系统软件关健问题 系统监护平台是整个心电监护系统的计算、存储和响应 中心 J,故系统软件设计是实现基于物联网心电监护系统的 核心部分,主要包括服务器和PDA之间的通信管理;上位机 对节点心电数据的接收、发送、存储、心电波形的显示以及 数,实现客户端的应用。 3.2 PDA系统软件设计 PDA系统软件是心电监护软件系统设计的核心部分之 实现心电数据的接收和波形显示等功能。系统结构主要 包括波形绘制、应用软件界面编程、与服务端通信的客户端 套接字确定。PDA应用软件的总体结构如图3所示。 一,提出特定算法。根据这些算法,上位机能够自行分析心电波 形并判别疾病种类。 3.1服务器软件设计 服务器软件系统的主要功能包括:(1)处理由Sink节点传 送来的心电数据;(2)管理与PDA之间的通信连接;(3)建立 病人心电数据库,对病人的历史心电数据进行保存等。服务 器应用软件的总体结构如图2所示。 一一一一一一一一丽 磊一一一一一一一一一一 l 心电存储 I数据 l I t —'1客户端套接字Il CTCPCustom CE J 波形显示控制 。 一一一一一 ; 三 :_= j 圈3 PDA应用软件的总体毒青糟 千 T在PDA工程中添加CTCPClientWaveCtrl类,这个类完 节m点ote I+ H:篁 l ▲ TCPC成波形绘制的封装,PDA中的成员变量(m_recvData)负责接 收服务器发送的心电数据,atof0函数将字符串转换为浮点型 数用于绘制心电波形。 客户服务器套接字r 端us套to瞬m CE 3.3心电信号检测算法的研究 根据QRS波的形态和位置可以初步判别某些疾病。基于 田2服务器应用软件的总体结构 3.1.1服务器对Sink节点传送数据的处理 Sink节点先把收集到各个节点发送来的心电数据传送给 服务器,服务器再调用接口函数读取这些心电数据并显示心 电波形。本文研究所用的无线传感器网络节点的USB控制部 小波变换、希尔伯特变换、包络变换以及阈值的综合检测等 系列检测算法,确定R波的形态和位置。实验表明,该检 测算法具有较好的鲁棒性,能够较好抑制甚至消除基线漂移、 高频干扰等外部因素,在检测QRS波时,能较好排除大P波 一和大T波等自身干扰因素。 分,采用FTDI的FT232BL芯片,由于该芯片提供一些可供 用户调用的动态链接库,因此要通过服务器软件对动态链接 库的调用,实现服务器对Sink节点数据的处理。本文选择 D2XX驱动来进行应用软件程序开发,D2XX驱动包括 FTD2XX.DLL、FT2XX.SYS、USB Stack,应用软件程序通过 动态链接库文件FTD2XX.DLL可访问驱动程序FTD2XX.SYS 的编程接口,进而可以对FT323BL芯片进行各种操作。对 FTD2XX.DLL提供以下接I:1函数:(1)FT_Open用于打开USB 接口设备;(2)FT_Read从USB接口芯片中读取数据; (3)FT_Write向USB接口芯片里写入数据;(4)FT—Close关闭 USB接口设备。 3.3.1 心电信号小波变换希尔伯特变换和包络 QRS复合波的绝大部分能量在3 Hz ̄40 Hz之间,ECG 噪声主要由基线漂移(0.15 Hz ̄0.3 Hz)、50 Hz或60 Hz工频 干扰、肌电干扰(2 Hz ̄5 Hz)、人工影响(7 Hz以下)和周围环 境干扰组成。P/T波的主要能量在1O Hz以下。因为小波变换 有多分辨率和多尺度的特点,所以,可利用不同能量分布及 其信号频谱消除在特殊小波尺度的与噪声相对应的无用的部 分 J。本文选取的母小波为墨西哥草帽小波。 信号可以分解为实部和虚部之和,故假设分析原始信号 z( 由 ( 和)'(f)组成,则得到原始信号为式(1)。 z(f)=z(f)+ (f) (1) 服务器在收到心电数据后,负责把心电数据绘制成波形, 并根据需要建立一个用于存储心电数据的数据库。为工程增 加一个完成波形绘制的封装的CTCPServerCtrl类,这个类包 括,背景颜色设置、网格颜色设置、画图颜色设置、数据范 围设置、x轴坐标设置、y轴坐标设置、画点、复位等。 3.1.2服务器和PDA之间的通信 服务器与PDA之间采用TCP协议实现数据共享和无差 根据小波变换的理论,当以平滑函数的导数作为母小波 进行小波变换时,R点经小波变换后被变为过零点,故要进 行希尔伯特变换,使R点重新成为最高点。然后经小波变换 后得到信号 f),再经过希尔伯特变换得到 ( ,为加强QRS 并减弱噪声和不需要的P波或T波,引进对 (f)进行包络变 换后的信号E(f),得到最终信号数据如式(2)所示。 错无重复的顺序数据传输。TCP的套接字一般被称为Socke E(f)--I (f)卜ly(f)l (2) 其中, (力和y(f)分别表示 ( 的实部和虚部,通过包络变换 流式套接字。在应用程序进行通信时,源和目标之间会建立 个虚拟连接,这个连接一旦建立,服务器和PDA之间就可 以调用套接字中的相关函数来完成通信。 一后,可解决经过2次变换后的信号与原信号时间相差数毫秒 的问题。 . 心电信号变换如图4一图7 所示。 为服务器端建立2个类:TCPServer_CE和TCPCus. tom_CE。TCPServerCE的职责主要是监听并管理客户端连接, _蠢 一当监听到客户端的连接请求时,就接受客户端的链接并建立 个TCPCustom CE对象与客户端进行通信。客户端创建 萋 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2000 时间/ms CTCPClient CE类,功能是封装Windows CE SOCKET API函 圈4原始信号 第37卷2。 第16期 王嘉庆,李鸿强,于晓刚,等:物联网人体心电监护系统软件研究 275 的顶点。当没有斜率的绝对值大于0.1时,说明P波或T波 萋_0 0 不存在;当在检测到的前面3个顶点中,有2点斜率为负时, 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 说明P波或T波倒置。 对I ̄/ras 4实验调试与结果分析 实验调试分为上位机心电数据收发、波形显示和心电检 测算法Matlab仿真结果分析。 4.1上位机实验调试 本实验调试环境主要包括2个Tmote Sky网络节点、一个 心电采集电路板、一个无线路由器、一台计算机、一台PDA 等设备,其中,心电采集电路板与一个Tmote Sky网络节点 相连作为数据采集和发送设备;另一个Tmote Sky通过USB 接口将心电数据传送给计算机;PDA通过无线网络接收计算 机发送的心电数据。实验调试环境如图8所示。 圈5小波变换后信号 蠢 差_0 0 15 。200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 时间/ms 圈6希尔伯特变换后信号 器s 衄望0 200 400 600 800 l 000 1 200 1 400 1 600 l 800 2 000 时间/ms 圈7包鳐变换后倌号 服务器基站 3.3.2检测R波的算法和策略 由于不同被检测者之间信号幅度差异很大,同一被检者 QRS波的幅度和间隔可能在短时间内发生剧烈变化,因此本 文提出以斜率为阈值的检测方法,并对R-R间隔阈值进行自 适应变化。 为更好地防止漏检、误检等情况发生,采用一系列检测 策略。初始QRS波波峰点,可按经验模式设定阈值检测QRS 波波峰点,但当阈值过大时,可能导致很长时间内检测不到 第一个QRS波波峰点,不符合心电规律。本文提出当初始长时 间检测不到R波时,采用降低阈值重新检测的策略。 由于以初始R—R波峰间隔作为以后检测的阈值,是采取 自适应变化的方法,因此若当初始R.R间隔因漏检或错检导 致偏差较大时,会对以后检测产生影响,故提出对初始R.R 间隔结合生理特性进行判定的策略。 伪迹判定和回检表示为R-R,表示已经检测出的QRS波 群间期加权平均值,即可变阈值;RR表示当前检测到的R 点与上一个R点的距离。生理医学上认为相邻前后RR间期 的范围为40% ̄166%,且在MIT/BIH心律不齐数据库中2个 R波间距大干400 mspj。 3-3.3 QRS起点和终点的检测算法 检测到R点位置R.peak后,在[R.peak-100 ms,R.peak ms】 期间内对各点斜率求绝对值,基于经验模式得,在这段时间 内连续4个点的斜率递增,在相隔一个点的2点中,当其斜 率绝对值的增加大于4倍时,可认为这4点中的起点为QRS 波的起点 J。对终点的检测则在[R.peak ms,R.peak+100 ms】 期间内采用相同方法检测。 3_3.4 P波和T波的检测算法 无线路由器 基站Tmote 心电采集模块 平板式电极 圈8实验订试环境 经过实验调试,计算机首先接收到Sink节点传送的心电 数据,再调用动态链接库读数据,然后调用绘图函数将读取 的心电数据绘制成心电波形。PDA通过无线网络实现与服务 器的通信,在接收到服务器发送来的数据后,调用绘图函数 进行波形绘制,使PDA实现无线监护仪的功能。 4.2心电检测算法的Matlab仿真结果分析 通过对MIT-BIH数据库105号数据的2 572个R波进行 检测,经过本文所提算法的仿真测试后,共检测出2 577个 R波,其中,假阳性(FP)为14个,假阴性(FN)为9个,检测 错误率为(FP+FN)/2 572=0.89%。 心室收缩是一种常见的心脏疾病,通过设定阈值对其自 动判定,若检测出R波与前一R波间隔小于500 ms,且与后 R波间隔大于800 ms,则判定为心室收缩。本次实验根据 所提算法对MIT-BIH数据库105号数据的前1 500个点进行 分析,检测到第565个点为心室收缩点,对比MIT-BIH数据 库给定的心室收缩标注,该结果准确无误。 一5结束语 本文结合实际,针对人体心电监护物联网系统软件设计 的关键问题,提出上位机软件设计方法和心电信号检测算 法,使计算机和PDA能够实时显示被测者的心电波,以便对 心电波形进行分析,并检测出QRS波的形态和位置。实验结 果表明,该心电监护系统具有高度的灵活性和可扩展性,依 托物联网技术,可通过Internet网络构建远程医疗信息网, 为消除时延,同时不抑制P波和T波,提出不再采用 式(2),而采用式(3)对信号进行包络变换的方法,并在包络变 换后,在波形上检测P波和T波。 E(t)=Ix(t)I+ly(t) 令R的位置为R.peak,在[R.peak-250 ms,R.peak一30 ms] 内检测P波,且在【R.peak+170 ms,R.peak+240 ms]l ̄检测 该网络不仅有利于贫困偏远地区的病人获得必要的医疗服 务,也能满足发达地区病人更高的保健要求。下一步工作将 把心电信号检测算法移植到上位机程序中,实现上位机能够 自行判别疾病类型。 (下转第278页) T波。将区间内斜率绝对值大于0.01,且相对于其后4点连 续递增,且是其后30个点中的最大值的点作为 P波或T波 

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