硕士学位论文硕士学位论文 心电图机自动分析算法的研究与实现 RESEARCH AND IMPLEMENT OF AUTOMATIC ANALYSIS ALGORITHM BASED ON ECG MACHINE 罗旻晖罗旻晖 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2012 年年 12 月月 国内图书分类号：TP29-AI 学校代码：10213 国际图书分类号：621.1 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 心电图机自动分析算法的研究与实现 硕 士 研 究 生： 罗旻晖 导师： 王 昕 教授 申请学位： 工学硕士 学科： 机械电子工程 所在单位: 深圳研究生院 答辩日期： 2012 年 12 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TP29-AI U.D.C:621.1 Dissertation for the Master Degree of Engineering RESEARCH AND IMPLEMENT OF AUTOMATIC ANALYSIS ALGORITHM BASED ON ECG MACHINE Candidate: Luo Minhui Supervisor: Prof. Wang Xin Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Mechatronics Engineering Affiliation: Shenzhen Graduate School Date of Defence: Dec., 2012 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 目前市面上销售的来自国外的心电图机价格昂贵，某些国外软件授权费用更 是超过了一些国产心电图机的整机成本。虽然国内已有多家制造心电图机的厂商， 但是在信号的处理算法和检测算法方面仍与国外有很大差距，同时，大多数心电 图机功能比较单一，不利于医生综合利用病人的各种信息进行正确的诊断。本课 题主要研究了基于心电图机的数据预处理算法和时频分析包括心电向量检查功 能、心室晚电位检测功能、频谱心电图分析功能、高频心电图检测功能等的检测 算法，同时通过对比分析得出了标准 12 导联转换 Frank 导联的转换系数矩阵。目 的是为了解决目前市场上常见的心电图机预处理算法缺陷以及丰富了心电图机的 功能。本文主要的研究内容如下： 对数据的预处理算法进行了研究。包括提出了 SDFT 单频点幅值法的导联脱 落检测算法和基于边缘增强算法的起搏器信号检测算法等，并且完成了对心电图 主要滤波器基线漂移滤波器、工频滤波器、低通滤波器的设计。 完成了对心电向量分析算法的研究。包括实现了基于 QRS 检测和斜率法的实 时检测 P 波检测算法、提出了一种基于计算几何学中叉积法的向量环面积计算方 法、完成了平均模板低通滤波器的优化设计和通过对比分析得出了标准 12 导联转 换 Frank 导联的转换系数矩阵。 综合运用时域分析和频域分析两种手段完成了心电图三个独立的分析模块包 括基于叠加平均技术和三维频谱分析技术的心室晚电位检测功能、基于 FFT 变换 的频谱心电图分析功能、基于微分法的高频心电图检测功能的算法研究。 确定了使用 S3C2410A 作为主控芯片和 STF32F103 作为心电采集板的 MCU 以及 ADS1298 作为心电采集板的 AD 转换芯片，设计出了硬件电路。同时将 C/OS-II 作为系统软件。完成了系统的主要任务的设计。 关键词：心电图机；数据预处理算法；时频分析功能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Nowadays ECG machines on the market from abroad are expensive, some foreign software licensing fees is even more than the cost of the whole electrocardiograph machine. On the other hand although there are many domestic manufacturers, signal processing algorithm and the detection algorithm are still a big gap with foreign countries. At the same time, most of the ECG machines are relatively simple, they cant provide enough imformation to conduct the doctor to the optimal diagnosis. The main subject of the thesis is to study the ECG data pre-processing algorithm and time-frequency analysis features including VCG detection, ventricular late potentials detection, FCG analysis, high-frequency ECG detection, acquisition of conversion coefficient matrix from the standard 12 lead to the Frank lead applicated on the ECG machine. The main purpose is to address common ECG defects of preprocessing algorithm and enrich the electrocardiogram machine functions.The main research work is given as follows: The data pre-processing algorithm has been studied. A new method based on SDFT has been put forward for lead off detection. A new approach based on the input for ringing elimination and the A new way for PACEmaker detection algorithm has also benn issued. The main filters including baseline wander filter, power frequency notch filter, low pass filter has been designed. A new kind of approach for VCG analysis has been studied, which includes a real-time detection algorithm of P-wave, a new area algorithm based on Cross product in computational geometry, an optimized lowpass filter for ECG template. An optimal coefficient matrix has been obtained by comparison. Integrated use of time-domain analysis and frequency domain analysis has been applicated in three independent analysis module of ECG, including ventricular late potentials detection, FCG analysis, high-frequency ECG detection. S3C2410A is chosen as the main chip which cooperates with C/OS-II as the system software. Selection of the main chip peripherals and design of the main tasks has been completed. The hardware and software platform of the system of the ECG machine has been successfully built up. Keywords: electrocardiogram(ECG) machine, pre-processing algorithm, time-frequency analysis algorithm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题研究的来源 1 1.2 本课题研究的目的及意义 1 1.3 国内外相关技术发展现状 2 1.3.1 心电图机的发展 2 1.3.2 心电信号的滤波预处理技术 4 1.3.3 心电信号波形检测技术 5 1.4 本文的主要研究内容 6 第 2 章 系统总体设计 7 2.1 系统总体设计 7 2.2 硬件总体设计 8 2.2.1 主控板模块硬件设计 8 2.2.2 心电板采集模块硬件设计 9 2.2.3 电路评价指标 10 2.3 系统软件设计 11 2.3.1 系统任务设计 . 11 2.3.2 主要任务处理流程 12 2.4 自动分析算法设计 13 2.4.1 心电信号预处理算法设计 13 2.4.2 各功能模块算法设计 14 2.5 本章小结 15 第 3 章 心电信号预处理算法的研究 16 3.1 导联脱落检测算法研究 16 3.1.1 导联脱落检测原理 16 3.1.2 导联检测方案对比分析 17 3.1.3 滤波器设计 18 3.2 基线漂移高通滤波器设计 20 3.2.1 一阶 IIR 滤波器设计及其缺陷分析 . 20 3.2.2 基于平均级联的基线滤波器 21 3.3 工频陷波器设计 22 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.3.1 二阶 IIR 滤波器的实现 . 22 3.3.2 二阶 IIR 滤波器的振铃现象 . 23 3.3.3 基于输入处理的去振铃算法 23 3.3.4 基于输出处理的去振铃算法 24 3.4 起搏信号检测算法研究 25 3.5 QRS 波检测与起止点的定位算法 26 3.6 本章小结 27 第 4 章 心电向量分析算法的研究 28 4.1 基于实时 QRS 检测的向量环实时刷新算法 28 4.2 平均模板滤波器设计 29 4.2.1 缺陷分析 29 4.2.2 解决方案 30 4.3 心电向量各向量环面积算法研究 30 4.4 标准 12 导联推导 Frank 导联系数矩阵的研究 . 33 4.4.1 最小二乘法求解系数 33 4.4.2 验证方法 34 4.4.3 评价指标 35 4.4.4 结果分析 36 4.5 心电向量模块程序设计及其验证 38 4.7 本章小结 39 第 5 章 心电时频分析算法研究 40 5.1 心室晚电位检测算法的研究 40 5.1.1 基本原理 40 5.1.2 时域分析法 40 5.1.3 频域分析法 43 5.1.4 心室晚电位模块