作者：張麗，夏建生，王世波，李秀花 來源：現代電子技術

目前，以采集心電信號、分析和診斷為主的心電監護系統已經得到了廣泛的應用，對于心臟系統疾病的預防、診斷發揮了很大的作用。但是此類心電監護儀只能是在病人靜態或者病人要在特殊的情況下才能使用，對心臟病人的要求太高特別是心臟病疑似病人和早期的心臟病患者，影響他們正常的工作生活；而另一類便攜式心電監護儀，其24小時可以監護，但是其存儲需要大量的空間，對于心電信號的回放也需要大量的時間，鑒于以上兩個問題，本文設計基于模糊控制的便攜式心電監護儀。他在克服以上兩個問題的同時也突破以往在線診斷疾病的單值處理，能夠更加準確地判斷心電信號正、異常實現及時發出報警。

1 系統總統設計

1.1 系統設計目標

根據心電信號特征、生物信號處理系統和現代心電監護技術發展要求，本系統選用高速SOC系列單片機C8051F020作為心電監護儀的主芯片實現以下功能：

（1） 測量具有無創、安全、準確、可重復性強等；

（2） 操作方便，測量簡單，不影響待監護病人的正常的生活；

（3） 能實時分析心電信號并判斷信號正、異常，初步診斷出監護病人的心電異常疾病；

（4） 16 MB的FLASH存儲器能夠24小時存儲使用者的異常信號；

（5） 系統出錯的報警功能；

（6） 能夠將存儲的異常心電信號通過USB接口轉移到PC機上做進一步的心電信號診斷。

1.2 系統硬件構成

本系統的硬件框圖如圖1所示。

首先從電極電路采集被測對象的微弱的心電信號，然后對此信號進行放大、濾波處理后一支直接進入主控芯片，另一支進入導聯脫落檢測電路，然后再與主控芯片C8051F020連接。信號進入主控芯片C8051F020之后，對其進行相應的處理，實現報警、存儲、判斷、傳送等功能。

1.3 系統總體流程圖

系統總體流程圖如圖2所示。

2 模糊控制部分

心電自動分析的主要目標是進行心律失常診斷。臨床上對心律失常的自動診斷就是結合節律分析和波形形態分析，對測得的心電波形識別分類，并根據預先確定的診斷標準或判據做出相應的臨床診斷。而本設計是根據所提取的特征值結合醫學知識和醫學專家系統完成判斷的。

首先根據下列判據對待檢測病人進行初步的診斷：

心動過速 R-R間期《0.5 s（120次／min）；

心動過緩 R-R間期》1.5 s（40次／min）；

停搏和室顫 在一段較長時間內沒有QRS波，一般這個時間》1.6 s；

漏搏 一個R-R間期大約是以前平均R-R間期的2倍后并且沒有出現一次早搏的就是作為漏搏檢出，如果R-R間期大于平均的2倍但小于1.5 s，則作為房竇停止檢出；

室性早搏 室性早搏成對（連續出現兩次室性早搏）：室性二聯律（正常和室早交替出現連續兩次以上）；室性三聯律（正常、正常和室早交替出現連續兩次以上），都歸為室性早搏。檢測標準復雜，需要進一步用邏輯模糊分析判斷；

R落在T上（R on T） 這是在心室復極化時期（T波）出現的PVC，由于T波無法檢測，所以只有靠節律分析；

插入性期前收縮 是沒有代償停歇的早搏，早搏的R-R間隔大致等于早搏前的平均R-R間隔；

房性早搏（APB） 一早搏接一個代償的停歇。 以上對心臟疾病的判據都是二值判斷，此種方法檢測簡單易于實現但是對疾病的判斷不精確。實際上醫療診斷中存在大量的模糊語言及現象，判斷病人患病情況要根據多個參數的多值進行判斷的。這些判據是由此方面醫學專家的先驗知識獲取的，利用這些判據形成多條模糊規則，把醫學專家臨床診斷疾病的方法用機器實現。下面就以模糊邏輯檢測室性早博為例，對監護病人的病情進行初步的診斷，進而區別正、異常心電信號，做到只記錄異常心電信號。

在單片機上實現模糊控制一般采用3種方式：強度轉移方式、直接查表方式和公式計算方式。考慮到直接查表方式是通過離線計算，得到一張模糊控制表將控制表存放在計算機內存中的，在控制應用過程中，速度雖然很快但是若變量較多（本系統用到5個）會導致模糊控制維數高使存儲、查表不方便。同佯公式計算也小適合本系統多參數的計算。而強度轉移方式是按模糊控制的極大一極小法進行推理。每個輸入參數映射為多個隸屬度，每組輸入會激活多條規則，可能對應不同的結果。用取小的原則計算各組合對應規則的輸出強度，然后按最大隸屬度原則得出對應于各結論的可信度。這樣，對于每一個輸入都可得出與各結論相對應的輸出強度。稱為輸出隸屬度。取輸出強度最大的那個隸屬度作為輸出。實驗結果表明，這種方法對本系統最為合適。下面就以早搏為例說明，提取R波寬度（RW）、RR間期（RR）、R波面積（RA）T波面積（TA）、T波峰值（TH）這5個特征值來用模糊方式診斷被監護者發生室性早搏的情況。部分模糊規則表如表1所示。

2.1 隸屬函數的存放

由于單片機的內存容量有限，如果要對系統輸入輸出論域的所有隸屬函數的連續曲線進行存儲，是不可能的，所以本系統對于三角形隸屬函數采用三點法，存儲三角形的3個頂點；對于兩邊的半梯形存儲腰和頂的3點。隸屬函數存放在ROM中，圖3以R波的寬度為例說明。

2.2 輸入模糊化

提取的特征參數是精確值，將他們與隸屬函數進行比較組合，求出相應的模糊輸入量隸屬度范圍為0～1，單片機上可表示為00H～FFH。對本系統而言，每個精確輸入值最多只對應兩個模糊輸入量大于零，其余的模糊輸入量則為零。例如：假設RW=1.1，從表3可知他落在中（M）和大（L）兩個區間上，因此對于中（M）和大（L）的隸屬度為：

μM（1.1）=（1.3-1.1）／（1.3-1.0）×FFH=5AH

μL（1.1）=（1.1-1.0）／（1.3-1.0）×FFH=55H

在RAM中開辟一塊區域，存放各模糊輸入量。

2.3 模糊規則的存放

模糊規則表示為：IF A and B and C and D and ETHEN Y（or Z）

其中“IF”后緊接著的詞稱前件，“THEN”后面的詞稱后件。首先將輸入的模糊值S，M，L，XL分別與數字0，1，2，3相對應，

即：RW，RR，RA，TA，TH：S=0，M=1，L=2，XL=3。

每條規則用3字節表示。第1字節高4位表示第1前件的模糊值，低4位表示第2前件的模糊值；第2字節高4位表示第3前件，低4位表示第4前件；第3字節高4位表示第5前件，低4位表示后件。其中，F表示不考慮該前件，A表示“是PVC”，B表示“可能是PVC”。以一條規則（存放在ROM中）為例，如所示來說明。

2.4 模糊推理

對于每一組輸入的數據，先進行模糊處理然后遍歷每一條模糊規則，取第一條規則第一前件（3H）作為地址偏移量，加上模糊輸入RW在RAM中存放的首地址（40H），則可從RAM內RR存放區域中查找出XL的隸屬度A1；取第一條規則第二前件（3H）作為地址偏移量，加上模糊輸入RW在RAM中存放的首地址（44H），則可從RAM內RW存放區域中查找出XL的隸屬度B1；依此類推得隸屬度C1，D1，E1。根據強度轉移法，取A1，B1，C1，D1，E1中最小值作為該規則后件所取的語言變量“是PVC”的隸屬度Y1。當所有規則都遍歷后得到：“是PVC”的隸屬度Y1，Y2～Ym，“可能是PVC”的隸屬度Z1，Z2～Zn取Y1，Y2～Ym的最大值作為“是PVC”的隸屬度Y，取Z1，Z2～Zn的最大值作為“可能是PVC”的隸屬度Z。如果Y《7FH且Z《1FH，則輸出“正常”；如果Y》Z，輸出“是PVC”；如果Z》Y，輸出“可能是PVC”。

3 結 語

本文設計的心電監護儀，集心電信號的采集、分析于一體，而且系統體積小、安全、可靠，能夠在不影響被監護者正常生活的情況下進行使用，可以初步診斷病情，進而節省存儲空間，節約進一步診斷病情的時間，經實驗取得了很好的效果。如果能夠結合更多的此方面醫學專家的知識，可以實現更完善的診斷功能。

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