便携式T波交替检测系统

詹楚齐 尹凯阳

（武汉理工大学自动化学院）

便携式T波交替检测系统

詹楚齐 尹凯阳

（武汉理工大学自动化学院）

设计一种便携式心电监护系统，该系统通过穿戴式心电监护终端采集患者体表心电信号，经过A/D转换成数字信号后通过分离式的蓝牙技术将数据传输到PC机，采用基于SM和MMA算法的分析软件对T波交替现象进行检测和判定。

T波交替现象；家用便携式；蓝牙传输

0 引言

社会发展带来的心理压力和不良生活习惯使心血管疾病成为威胁人类健康和生命的主要杀手。据美国心脏协会不完全统计，美国每年有225万成人因心源性猝死（sudden cardiac death，SCD）而死亡[1]。SCD的自觉症状不明显，患者如果在短时间内得不到及时抢救，极易导致死亡。已有研究表明，T波交替是预测恶性室性心律失常及心源性猝死的独立和具有统计学意义的指标[2]。由于T波交替症状不明显且发生时间不确定，需要长时间的观察诊断，给病人和医院造成很多不必要的麻烦，因此便携式动态心电监护系统对于临床治疗和疾病预警都有重要意义。

为使患者能够在家实时监测 T波交替现象且不影响患者日常活动，本系统采用可穿戴设备采集患者的心电信号，通过蓝牙无线传输技术将体表采集的心电信号传输给上位机。考虑到经济因素，本系统利用家庭大量普及的PC机作为上位机，通过心电信号分析软件，实现心电信号的处理、标定和检测等功能，完成对T波交替的检测；并利用蓝牙无线传输技术将体表采集的心电信号传输给PC机，使患者在监测时，尽可能减小对日常生活的影响。

1 移动部分的设计

患者穿戴的数据采集装置采用3导联单通道系统检测心电信号，导联电极采集的心电信号经过放大和滤波后达到A/D转换器输入范围，经过A/D转换成数字信号后，通过串口UART发送至S3C2440A处理器嵌入式系统，存储于NandFlash中，最后通过蓝牙无线传输给上位机。

1.1 信号采集和处理电路

心电信号若仅采用单级放大，电路的输入频率范围会变窄，所以本系统使用前置放大电路和末级放大电路对信号进行放大。从体表获取的心电信号，经输入缓冲级处理后，以差分的方式进入前置放大电路。前置放大电路的高共模抑制比能有效抑制工频干扰，但同时会增加放大倍数，导致运放输出电压趋于饱和，系统无法正常工作，综合考虑后设置前置放大电路放大11.5倍。前置放大电路如图1所示。高通滤波电路滤除部分低频干扰信号外还为单电源运放提供偏置电压。低通滤波器置于高通滤波器后端，防止高频信号形成频谱混叠，难以恢复原心电信号的信息。滤波电路如图2所示。

1.2 低功耗的实现

便携式心电监护终端需要长时间穿戴在患者身上，所以其微处理器需要有功耗低、体积小、存储量大和数据处理能力强等特点，综合考虑后选择德州仪器公司的MSP430F449IPZ芯片作为前级电路的主控芯片。MSP430是一个以超低功耗为主要特点的单片机系列，提供了5种低功耗工作模式和1种活动模式。不同低功耗模式系统禁止的时钟源也不同。在本系统中，ACLK和SMCLK两个时钟源需要一直工作，ACLK用于Timer_A和Basic Timer1，SMCLK用于ADC12模块的内核时钟，所以不能选择需要关断ACLK或SMCLK时钟源的工作模式，最终选择低功耗模式0（LPM0）。

图1 前置放大电路

图2 滤波电路

1.3 心电数据储存部分

ARMSYS2440-Core核心板的存储资源为64 M SDRAM，1 GB的NandFlash。据计算，监护仪每24小时大概需保存459.54 M的数据，所以选择1 GB的大小。

ARMSYS2440硬件结构中，采用定制的Windows CE BSP包，将与设计无关的驱动删除以减少内存占用空间。采用 HIVE注册表（蜂窝注册表），将NandFlash分成存放系统文件部分和用户使用部分。存放系统的部分在每次重启系统后都重新恢复，速度比较快，而用户使用部分中的数据不会丢失，适合保存检测到的心电数据。

1.4 无线蓝牙模块

发送和接收装置一体化方案存在耗电量大、系统集成困难、患者活动空间受限等缺点，因此将存储于NandFlash的心电信号，通过分离式无线蓝牙技术传输给上位机。

本系统采用串口蓝牙模块HC-0305，可设置的通信波特率范围为4800 b/s～1.3 Mb/s。分离式传输将获取和发送分离，提高了传输速度和实时性。

为确保发送过程中不出现数据遗漏和错位，在每组数据的开头追加一组校验数据段 0xFFFF，原始采样数据最大为0x0FFF，因此不会与校验段相互混淆。除此之外，串口通信发送的数据还包括通道、数据和尾校验字符。A/D转换器的采样频率为1000 Hz，心电采集部分采集1路心电数据和3路加速度数据共4路12位数据，而串口每次只能发送1个8位数据，所以将数据分成2个8位数据发出，据此将系统波特率设置为115200 b/s。

通过GetCommState和SetCommState函数可以在Windows CE串口程序中获取串口当前参数和设置串口参数，因为Windows CE不支持重叠I/O操作，所以采用多线程来模拟重叠操作。

2 固定部分的设计

固定部分采用家庭中大量普及的PC机。为使家用PC机具备T波交替现象的检测能力，编写软件对心电信号进行处理和标定，通过软件分析实现T波交替现象的检测。为在显示过程中方便检索，利用SQLite数据库将标定结果及心率计算值存入数据表。

2.1 心电信号处理

整个心电信号处理部分流程图如图3所示。心电采集装置传输到PC机的心电信号是二进制.bin文件，所以要对其进行二进制转整型，将文件中的二进制数据合并成整型数据以便滤波处理。

针对体表采集心电信号的特点，本文选用第三方文件 DSP_Filter.cpp和 DSP_Filter.h，文件定义了DSP_Filter类，主要采用FIR滤波原理，可实现高通、低通、50 Hz带通滤波。

图3 心电数据存储与波形显示流程图

2.2 心电信号的标定

本系统选用PhysioNet提供的WFDB模块开发包，实现心电信号读取、分析、显示及标注等功能。该模块还提供了评估心电信号分析算法的工具，用户可以评估自己算法的效率，而不用自行编制评估程序。

调用WFDB模块的可执行文件ecgpuwave.exe对指定.dat文件中的心电信号分析，检测QRS波、T波、R波的起始、峰值和结束位置，将结果存入注释文件中；调用 rdann.exe进程将注释文件转换成包含标定时间、标定类型的助记符、标定域和辅助信息的.txt文本格式，完成心电信号的标定。

2.3 T波交替现象的检测

心电信号中的 T波交替是导致心律失常的致命因子之一，也是预测恶性室性心律失常及心源性猝死的独立和具有统计学意义的指标，因此心电信号分析软件需要有效检测出T波交替现象。本软件采用SM（Spectral Method）和 MMA（Modified Moving Average）2种常见算法检测T波交替现象。

SM算法取128个连续心搏依次排列，分为奇数号组和偶数号组，在T波上进行多点同步采样，计算出每一个采样点的电压值后进行平均计算，通过快速傅立叶变换将每个采样点的平均电压值转换成连续的频谱。

MMA算法先取一段连续心搏，对体表心电信号用特殊算法纠正基线漂移并滤除干扰信号，自动检测并排除异常的心搏记录。对心电波形做滑动平均修正并依次标号，分别取奇数号和偶数号依次进行渐量中值修正并算出中值。最后对ST-T波形区域进行动态的时域定量分析，即再次对奇数和偶数组纠正基线漂移。

2.4 T波交替现象的判定

标定完成后计算出心率，用于判定是否发生T波交替现象，心率＝60×采样频率÷相邻两个QRS 波之间的点数。

SM算法中每半个变化周期处所有的奇数心搏和

数心搏的平均振幅之差就是T波交替幅值。当心率大于90次/分钟或小于110次/分钟（正常心率下T波交替的危险程度和预测价值高于异常情况下的检测，所以这个条件主要是确保SM算法的可信度）、交替比率≥3 且T波交替幅值≥1.9 μV时，即判定T波交替呈阳性。

然而SM算法是功率谱分析，体现单位频带内信号功率随频率的变换情况，保留频谱的幅度信息，但是丢掉了相位信息，无法反映T波交替的幅度和相位变化趋势，而且功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱才是一个确定函数，所以SM算法只对时间窗内稳定的T波交替有效，而不适合对非稳态T波交替进行分析，存在一定的局限性。

MMA算法将ST-T波形区域中的T波终点至P波起点定为噪音测量区，将QRS波终点至T波终点定为T波交替测量区，在这两个区域内比较奇数组和偶数组的中值，奇数组最大差值的平均值即为噪音值，偶数组最大差值的平均值为T波交替幅值。时域方法的阳性参考值一般为上述SM算法频域方法的4倍，即判定T波交替呈阳性的判定依据为T波交替幅值≥7.6 μV、交替比率≥3且持续1分钟以上。然而关于MMA的阈值存在极大争议，经过试验发现，取5 μV的阈值时效果较好。

3 T波交替现象检测结果

检测程序运行完后，结果通过图和文字的形式同时展现，其中SM算法输出能量谱曲线，MMA算法输出奇数号组和偶数号组波形的中值曲线，相应检测指标附在曲线下方，如图4所示。NTGraph控件先调用ClearGraph函数清空之前的图像结果，再根据本次的结果调用SetRange、SetElementWidth等函数调整坐标轴的信息，用绘图函数PlotY绘制曲线图并在图形下方显示检测指标，最后同时将3个检测指标交替比率ratio、最大交替幅值amp和检测结果positive赋值给结构体Report。当positive的值为“1”时表示T波交替呈阳性，为“0”时表示T波交替呈阴性，为“-1”时表示检测结果无效。

图4 输出检测结果

4 结语

本文完成了便携式心电监护系统的设计和调试，该系统将心电监护终端和用于分析 T波交替现象的家庭PC机分离，通过分离方式的蓝牙技术在它们之间进行数据传输，使患者能够在家实时监测T波交替现象，预防心源性猝死，且对患者的日常生活影响较小。该系统还改进心电监护系统终端的设计，提高了低功耗和便携性能，方便患者长时间携带。

PC机上的检测软件采用SM算法和MMA算法对T波交替现象监测，但是2种算法都是基于假定心脏搏动是周期性的，每个周期内的基准点是同相位的，但实际的心脏搏动是伪周期性的，QT变异或心率波动都会造成正常T波的拉伸或压缩，周期性的假定不成立，从而导致基于周期性假定的T波提取和排列不准确，进而导致检测T波交替的算法失效。基于信号分析技术的发展，采用伪同步重采样方法有望从根本上克服上述问题，值得后续研究。

[1] Lewis T. Notes upon alternation of the heart[J]. Q J Med, 1911,os4(2):141-144.

[2] Albrecht P, Arnold J, Krishnamachari S, et al. Exercise recordings for the detection of T wave alternans[J]. Journal of Electrocardiology,1996,29 (S): 46-51.

[3] 沈建华,杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[4] 魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[5] 业苏宁,沈振宇,黄元铸,等．T波电交替的分析研究[J]. 数据采集与处理,2001,16(2):176-180.

[6] 马建仓,罗亚军,赵玉亭.蓝牙核心技术及应用[M].北京:科学出版社, 2003.

尹凯阳，男，1988年生，硕士，研究生，从事检测技术与智能仪器的研究工作。

The Portable Detection System of T Wave Alternans

Zhan Chuqi Yin Kaiyang
(College of Automation Engineering, Wuhan University of Technology)

The article discusses a portable detection system of T wave alternans. This system collects the electrocardiogram (ECG) signal on the patient’s body surface through the portable ECG monitoring terminal. The ECG signal is turned to the digital signal via A/D transformation. Then the digital signal is transferred to the personal computer by the Separate Type Bluetooth Transmission. The analysis software based on the SM (Spectral Method) and MMA (Modified Moving Average) will analyze and judge whether the ECG signal is from the T wave alternans.

T Wave Alternans; Portable and Domestic Use; Bluetooth Transmission

詹楚齐，男，1993年生，学士，本科生，从事检测技术与智能仪器的研究工作。E-mail: chuqizhan@gmail.com