基于容性耦合电极的可穿戴心电信号检测及其去噪算法研究
发布时间：2019-11-16 23:57
【摘要】：针对传统心电检测系统存在佩戴电极不方便和电极导电膏易脱水等问题,在研究分析电容耦合工作原理的基础上,设计了一种可穿戴容性耦合电极。针对这种可穿戴容性耦合电极,提出了一种改进小波阈值去噪算法,该算法结合心电信号与噪声小波系数分布特性,采用改进阈值函数对分解后小波系数量化处理并重构心电信号。利用MIT-BIH数据库验证,该算法能有效消除心电信号中的噪声干扰,相比平滑滤波、数学形态滤波和经验模式分解信噪比提高了10.72%,均方误差减小了27.29%。心电检测实验表明可穿戴容性耦合心电信号检测系统能够准确检测出人体心电信号主要特征。
【图文】：
牡缧藕偶觳饧捌淙ピ胨惴ㄑ芯?但其算法计算复杂，实时处理能力差;平滑滤波算法简单，处理速度快，但对QＲS波有较大削峰，信号衰减大。因此，本文设计了一种可穿戴容性耦合电极，并针对容性耦合电极采集心电信号易受噪声干扰的特点，提出了一种改进小波阈值去噪方法，并对心电信号去噪结果对比分析，验证表明本文提出的算法去噪效果良好，检测系统能准确检测出心电信号主要特征。1可穿戴心电信号检测系统1．1心电信号检测系统结构心电检测系统可分为信号采集、信号放大和信号处理3个模块［8－9］，系统结构框图如图1所示。图1可穿戴容性耦合心电信号检测系统信号采集模块包括固定在棉质衣物上的两个容性耦合电极，用于耦合人体皮肤表面微弱的心电信号。信号放大模块包括前置放大电路、滤波电路和后置放大电路。前置放大电路采用差动放大器对微弱的心电信号初步放大并且抑制共模干扰。滤波电路采用截止频率分别为0．3Hz的高通滤波器、100Hz的低通滤波器和50Hz的陷波滤波器，分别用于抑制低频噪声、高频噪声以及差动放大器后的工频干扰。后置放大电路采用仪表放大器对滤波之后的心电信号放大以满足模数转换的需求。信号处理模块包括模数转换器、微处理器和上位机。微处理器采用ADuCM361芯片，模数转换器采用ADAS1000芯片，对心电信号进行模数转换，然后通过蓝牙DX－BT05型模块无线传输心电数据到上位机，上位机通过LabVIEW编写心电数据接收程序、改进小波阈值去噪程序和人机交互界面程序，完成对心电数据的去噪处理和波形显示。1．2容性耦合原理及电极设计容性耦合电极是利用电容耦合的原理，将人体皮肤和电极的极板看作耦合电容器的两个导电平板，电极、衣物和人体皮肤就共同组成了一个等效的耦合电容Cs，其模型如
第1期李鸿强，崔佃银等:基于容性耦合电极的可穿戴心电信号检测及其去噪算法研究3．2可穿戴容性耦合心电检测实验通过弹性带将2个PCB板容性耦合电极固定在人体胸部心脏的两侧，容性耦合电极分别隔着厚度0．25mm、0．51mm和0．89mm的棉质衣物下检测心电信号，心电信号检测实验平台如图9所示。可穿戴容性耦合电极检测的心电信号如图10所示。图9心电信号检测实验平台图10不同厚度棉质衣物检测的心电信号从图10可看出随着衣物厚度的增大，检测到的心电信号幅值衰减严重，信号质量越来越差，P波、QＲS波和T波逐渐被噪声所淹没，不能清晰的看出心电信号主要特征，这一实验结果与理论分析的结果是相符的。考虑到可穿戴检测系统的实际使用需求，需要得到清晰的心电信号，通过本文算法对图10中的心电信号进行去噪处理，，去噪处理后的结果如图11所示。从图11(a)可清晰的看出QＲS波和T波，以及微弱的P波，其信号峰峰值约为0．53V。图11(b)可清晰的看出QＲS波和T波，但P波不可见，其信号峰峰值约为0．37V。图11(c)可清晰看出QＲS波，P波和T波都不可见，其信号峰峰值约为0．14V。为了对比分析分别对图10和图11的心电信号进行傅里叶变换求取频谱，如图12所示，从图中可以看出本文算法去噪后的信号明显消除了原始心电信号中的50Hz工频干扰以及其他高频噪声干扰，从而得到干净的心电信号。实验结果表明本文设计的可穿戴容性耦合心电检测系统可以准确的检测出人体心电信号的主要特征。图11本文算法去噪处理后的心电信号4结论本文对一种可穿戴容性耦合心电信号检测系统进行了研究。分析电容耦合的原理，设计了一种可穿戴容性耦合电极，并针对容性耦合电极采集信号易干扰的特点，提出了一种改进小波阈值的心电去噪算法，经本文算法去噪后?
本文编号：2562066
【图文】：
牡缧藕偶觳饧捌淙ピ胨惴ㄑ芯?但其算法计算复杂，实时处理能力差;平滑滤波算法简单，处理速度快，但对QＲS波有较大削峰，信号衰减大。因此，本文设计了一种可穿戴容性耦合电极，并针对容性耦合电极采集心电信号易受噪声干扰的特点，提出了一种改进小波阈值去噪方法，并对心电信号去噪结果对比分析，验证表明本文提出的算法去噪效果良好，检测系统能准确检测出心电信号主要特征。1可穿戴心电信号检测系统1．1心电信号检测系统结构心电检测系统可分为信号采集、信号放大和信号处理3个模块［8－9］，系统结构框图如图1所示。图1可穿戴容性耦合心电信号检测系统信号采集模块包括固定在棉质衣物上的两个容性耦合电极，用于耦合人体皮肤表面微弱的心电信号。信号放大模块包括前置放大电路、滤波电路和后置放大电路。前置放大电路采用差动放大器对微弱的心电信号初步放大并且抑制共模干扰。滤波电路采用截止频率分别为0．3Hz的高通滤波器、100Hz的低通滤波器和50Hz的陷波滤波器，分别用于抑制低频噪声、高频噪声以及差动放大器后的工频干扰。后置放大电路采用仪表放大器对滤波之后的心电信号放大以满足模数转换的需求。信号处理模块包括模数转换器、微处理器和上位机。微处理器采用ADuCM361芯片，模数转换器采用ADAS1000芯片，对心电信号进行模数转换，然后通过蓝牙DX－BT05型模块无线传输心电数据到上位机，上位机通过LabVIEW编写心电数据接收程序、改进小波阈值去噪程序和人机交互界面程序，完成对心电数据的去噪处理和波形显示。1．2容性耦合原理及电极设计容性耦合电极是利用电容耦合的原理，将人体皮肤和电极的极板看作耦合电容器的两个导电平板，电极、衣物和人体皮肤就共同组成了一个等效的耦合电容Cs，其模型如
第1期李鸿强，崔佃银等:基于容性耦合电极的可穿戴心电信号检测及其去噪算法研究3．2可穿戴容性耦合心电检测实验通过弹性带将2个PCB板容性耦合电极固定在人体胸部心脏的两侧，容性耦合电极分别隔着厚度0．25mm、0．51mm和0．89mm的棉质衣物下检测心电信号，心电信号检测实验平台如图9所示。可穿戴容性耦合电极检测的心电信号如图10所示。图9心电信号检测实验平台图10不同厚度棉质衣物检测的心电信号从图10可看出随着衣物厚度的增大，检测到的心电信号幅值衰减严重，信号质量越来越差，P波、QＲS波和T波逐渐被噪声所淹没，不能清晰的看出心电信号主要特征，这一实验结果与理论分析的结果是相符的。考虑到可穿戴检测系统的实际使用需求，需要得到清晰的心电信号，通过本文算法对图10中的心电信号进行去噪处理，，去噪处理后的结果如图11所示。从图11(a)可清晰的看出QＲS波和T波，以及微弱的P波，其信号峰峰值约为0．53V。图11(b)可清晰的看出QＲS波和T波，但P波不可见，其信号峰峰值约为0．37V。图11(c)可清晰看出QＲS波，P波和T波都不可见，其信号峰峰值约为0．14V。为了对比分析分别对图10和图11的心电信号进行傅里叶变换求取频谱，如图12所示，从图中可以看出本文算法去噪后的信号明显消除了原始心电信号中的50Hz工频干扰以及其他高频噪声干扰，从而得到干净的心电信号。实验结果表明本文设计的可穿戴容性耦合心电检测系统可以准确的检测出人体心电信号的主要特征。图11本文算法去噪处理后的心电信号4结论本文对一种可穿戴容性耦合心电信号检测系统进行了研究。分析电容耦合的原理，设计了一种可穿戴容性耦合电极，并针对容性耦合电极采集信号易干扰的特点，提出了一种改进小波阈值的心电去噪算法，经本文算法去噪后?
本文编号：2562066
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/2562066.html
