基于模糊匹配的分布式SNE信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王林泓

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

基于模糊匹配的分布式SNE信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王林泓

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

針對(duì)竇房結(jié)電圖（SNE）采集電極的位置因人不同而需要手動(dòng)調(diào)整效率較低的問題，提出一種分布式電極獲取竇房結(jié)電圖的方法。首先利用分布式布局的電極采集多路數(shù)據(jù)，然后采用具有低通和高通性能的形態(tài)濾波器對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，最后采用模糊模板匹配方法確定每個(gè)測(cè)試者獲取竇房結(jié)電圖的最佳準(zhǔn)確電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用分布式布局的竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)，可以快速、有效地自動(dòng)獲取不同測(cè)試對(duì)象的竇房結(jié)電圖，從而為竇房結(jié)功能的診斷提供有效的原始數(shù)據(jù)。

竇房結(jié)電圖；分布式電極；采集系統(tǒng)；形態(tài)濾波；模糊模板匹配

0 引言

心臟竇房結(jié)是正常心臟活動(dòng)的起搏點(diǎn)，竇房結(jié)功能障礙是由心臟竇房結(jié)或其周圍組織的器質(zhì)性病變導(dǎo)致的機(jī)能障礙，它是心律失常的主要病因之一，是重要的心臟疾病。針對(duì)心臟功能檢測(cè)與分析的方法一直是研究的熱點(diǎn)[1]?，F(xiàn)有體表竇房結(jié)電圖的記錄方法主要采用超微心電圖儀，導(dǎo)聯(lián)方式采用C導(dǎo)聯(lián)又稱蔡氏導(dǎo)聯(lián)，即以Z軸為方向，記錄電極在體表胸骨左右緣，從第2肋間開始順序向下探測(cè)，參考電極置于背部平對(duì)的第三至第四胸椎水平，在后正中線右側(cè)約1.5 cm左右[2]。

上述采集竇房結(jié)電圖的方法由于被測(cè)者的身高和生理結(jié)構(gòu)不同，電極具體的安裝位置會(huì)有所差異。

南京蔡毓英在1987年對(duì)50例臨床診斷進(jìn)行了竇房結(jié)電圖的采集[3]，湖南趙玉元等在2001年研究了體表竇房結(jié)電圖對(duì)竇房結(jié)功能檢測(cè)的意義，對(duì)210例測(cè)試者進(jìn)行竇房結(jié)數(shù)據(jù)采集[4]。上述研究獲取竇房結(jié)電圖的電極位置在胸骨右緣第三肋骨間（R3）的比例最大占65%，其次是胸骨右緣第四肋骨間（R4），占28%，其他采集位置分布在胸骨左右緣第二到第五肋骨間，占7%。因此如果僅在某個(gè)固定的位置上采集竇房結(jié)電圖有時(shí)會(huì)無法獲取數(shù)據(jù)，另外如果根據(jù)測(cè)試對(duì)象實(shí)際手動(dòng)調(diào)整電極位置，將增加醫(yī)務(wù)人員的工作量，工作效率會(huì)降低。

本文以現(xiàn)有研究中獲取有效竇房結(jié)電圖電極的位置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款分布式布局的竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)，包括分布式布局的電極、信號(hào)調(diào)理與采集電路及信號(hào)處理電路。所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取有效的竇房結(jié)電圖數(shù)據(jù)，而不需要手動(dòng)調(diào)節(jié)電極的位置，從而為快速獲取竇房結(jié)電信號(hào)及進(jìn)一步評(píng)價(jià)竇房結(jié)功能提供了可靠依據(jù)。

1 分布式電極的設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[5]中給出第三肋間開始一直到第七肋間隙這一段胸骨的平均寬度，女性是（2.71±0.31）cm，男性是（3.07±0.43）cm。由此可見成年人的肋骨間距相差較小，因此，可以設(shè)計(jì)分布電極與各肋骨邊緣的位置相對(duì)應(yīng)。將分布式電極片安裝到可穿戴的背心上，所設(shè)計(jì)的分布電極位置示意圖如圖1所示。

圖1 分布式電極模型圖

圖1中0為參考電極置于背部平對(duì)的第三至第四胸椎水平，在后正中線右側(cè)約1.5 cm左右；1、2、3及4號(hào)電極在胸骨右緣的第二、第三、第四及第五肋間；5、6、7及8號(hào)電極在胸骨左緣的第二、第三、第四及第五肋間。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括電極保護(hù)電路、信號(hào)調(diào)理與采集電路、信號(hào)處理電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)框圖

竇房結(jié)電信號(hào)采集放大電路如圖3所示。

圖3 竇房結(jié)電信號(hào)采集放大電路

考慮到竇房結(jié)電信號(hào)是極其微弱的高內(nèi)阻信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)中，一方面采用高輸入阻抗的前置放大器[6]；另一方面為了避免測(cè)量系統(tǒng)在應(yīng)用過程中發(fā)生的靜電與除顫等高電壓損壞前端采集電路，在每個(gè)電極到前置放大器之前都采用陶瓷氣體放電管及二極管進(jìn)行雙重保護(hù)。信號(hào)調(diào)理與信號(hào)采集電路主要完成對(duì)信號(hào)的放大、硬件濾波及采集。通過在前置放大電路管腳間引入反相積分電路可初步濾除基線漂移，高通截止頻率可以根據(jù)f-3dB=1/(2πRC)確定。

3 信號(hào)處理

3.1 竇房結(jié)電圖信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)

竇房結(jié)電圖在記錄過程中，會(huì)受到環(huán)境電磁波、采集設(shè)備的電子噪聲、測(cè)試者的呼吸與移動(dòng)所引起的基線漂移、肌電信號(hào)等多種干擾。本設(shè)計(jì)在硬件電路中已經(jīng)初步濾除了基線漂移。因此在信號(hào)處理算法上需要重點(diǎn)濾除高頻噪聲及殘余的基線漂移干擾。

數(shù)學(xué)形態(tài)濾波的基本思想是在信號(hào)中不斷地移動(dòng)元素結(jié)構(gòu)，以提取有用的信息從而達(dá)到信息提取、細(xì)節(jié)保持和噪聲抑制的目的[7?8]。由于竇房結(jié)電圖信號(hào)是低頻信號(hào)，而扁平元素通常容易導(dǎo)致低頻段的信號(hào)失真，因此本文采用非平結(jié)構(gòu)元素，設(shè)計(jì)不同半徑和高度的半圓結(jié)構(gòu)元濾除基線漂移及高頻噪聲干擾[9]。半圓型結(jié)構(gòu)元半徑介于待濾波函數(shù)幅值的1/50～1/10之間，而且半徑越小，濾波精度越高。通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到用于抑制基線漂移的兩個(gè)半圓型結(jié)構(gòu)元半徑及高度分別為（85，47）和（52，17）。用于濾除高頻噪聲干擾的半圓型結(jié)構(gòu)元半徑和高度為（5，2）。半圓型結(jié)構(gòu)元素圖如圖4所示。

圖4 半圓結(jié)構(gòu)元素圖

3.2 基于模糊匹配的竇房結(jié)電圖采集電極選擇

由分布式布局的多電極同時(shí)采集不同部位潛在的竇房結(jié)電圖數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步確定被測(cè)試者獲取竇房結(jié)電圖的最佳位置。本文采用模糊模板匹配的方法進(jìn)行識(shí)別。

首先以文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中的竇房結(jié)電圖信號(hào)作為初始的標(biāo)準(zhǔn)模板，在采集到與之匹配的竇房結(jié)電圖后，對(duì)模板進(jìn)行更新，并建立竇房結(jié)電圖的模板庫。

模糊模板匹配方法確定竇房結(jié)電圖采集電極的方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）歸一化

將標(biāo)準(zhǔn)模板及各個(gè)電極采集的信號(hào)對(duì)A波最大值歸一化。

（2）特征提取

以A波峰值為中心，向前取430 ms，向后取200 ms的信號(hào)，作為分析的信號(hào)片段。提取如下特征：A波寬度（WA），A?V期間（PAV），A波起點(diǎn)向前40 ms的波形，并對(duì)A波起點(diǎn)值做歸一化計(jì)算（Wave40），以及A波起始點(diǎn)前20 ms的斜率（Slope）。

（3）模糊隸屬度計(jì)算

計(jì)算上述4個(gè)特征量[WA，PAV，Wave40，Slope]對(duì)模板相應(yīng)特征量的模糊隸屬度。采用正態(tài)型隸屬函數(shù)[12?14]：

式中：xi為第i個(gè)特征量值；ai為模板的第i項(xiàng)特征量值；bi的值反映了隸屬度對(duì)特征量值變化的敏感度，具體設(shè)置為：b1為模板中A波寬度的一半；b2為模板AV期間值的一半；b3為模板A波起點(diǎn)前40 ms對(duì)A波起點(diǎn)歸一化的波形的數(shù)值；b4為模板A波起點(diǎn)前20 ms的斜率。

（4）模糊貼近度的計(jì)算

采用模糊貼近度來衡量各信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配情況，采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Xj為待判定的SNE信號(hào)的特征；ωi為各項(xiàng)特征的模糊隸屬度在貼近度中的權(quán)重，4個(gè)特征的權(quán)重分別為0.05，0.1，0.05，0.8。

（5）判斷決策

首先找到最大的模糊貼進(jìn)度ρmax，然后判斷ρmax是否大于閾值ρth。ρth的值在調(diào)試過程中，通過對(duì)10個(gè)測(cè)試對(duì)象模糊貼近度的實(shí)際值進(jìn)行平均而得到。如果ρmax大于閾值則選擇其對(duì)應(yīng)的電極為該測(cè)試者的測(cè)試電極；如果ρmax小于閾值，則表明在各個(gè)通道中均沒有反應(yīng)竇房結(jié)電圖的電極，此時(shí)需要再調(diào)整電極的位置，直到ρmax大于閾值，即找到獲取竇房結(jié)電圖的位置。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 竇房結(jié)電圖濾波結(jié)果

利用分布式布局的采集系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)人體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。在每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的位置上涂擦導(dǎo)電膏，然后測(cè)試者穿上分布式布局電極的背心，靜坐5 min后開始采集數(shù)據(jù)。對(duì)于硬件濾波中殘余的基線漂移信號(hào)，采用圖4（a）、（b）中的結(jié)構(gòu)元分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行開?閉計(jì)算，然后取兩者的平均，得到基線漂移信號(hào)，再用原始信號(hào)減去該基線漂移信號(hào)，就可得到去除基線漂移的竇房結(jié)電信號(hào)。第二階段對(duì)濾除基線漂移的信號(hào)采用圖4（c）中半圓結(jié)構(gòu)元形態(tài)濾波器去除高頻干擾。

本文所提出的形態(tài)濾波器濾波結(jié)果如圖5所示。

圖5 SNE信號(hào)濾波前后對(duì)比

4.2 竇房結(jié)電圖自動(dòng)采集結(jié)果

分布式電極同時(shí)采集到測(cè)試對(duì)象的8組信號(hào)波形，如圖6所示。將每組信號(hào)的特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)模板的參數(shù)進(jìn)行模糊模板匹配，確定采集竇房結(jié)電圖的準(zhǔn)確電極。在20個(gè)測(cè)試對(duì)象中識(shí)別到正確竇房結(jié)電圖信號(hào)的電極在胸骨右緣第三肋間（R3）的有14例（70%），胸骨右緣第四肋間隙（R4）的有3例（15%），胸骨左緣第三肋間隙（L3）的有1例（5%），胸骨右緣第五肋間（R5）的有1例（5%），需要手動(dòng)調(diào)整的1例，采集位置在胸骨左緣第四肋間（L4）（5%），該測(cè)試者偏胖。

圖6 由分布式電極獲取的數(shù)據(jù)波形

4.3 竇房結(jié)電圖手動(dòng)與自動(dòng)獲取時(shí)間對(duì)比

對(duì)4.2節(jié)中的20名測(cè)試者分別采用手動(dòng)方式和分布式電極自動(dòng)獲取方式獲得竇房結(jié)電圖。對(duì)每個(gè)測(cè)試者從第一次安放好電極開始計(jì)時(shí)，直至檢測(cè)到正確的SNE信號(hào)停止計(jì)時(shí)。記錄每個(gè)測(cè)試者在不同方式下獲得準(zhǔn)確SNE信號(hào)的時(shí)間，兩種方式時(shí)間對(duì)比如表1所示。手動(dòng)測(cè)試每次從胸骨右緣第三肋間開始。

從表1可見，對(duì)竇房結(jié)電圖采集位置在胸骨右緣第三肋骨間R3的測(cè)試者，采集時(shí)間相同，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)體型的測(cè)試者在其他位置獲取SNE信號(hào)時(shí)，分布式電極采集方法具有明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于特殊體型的人，由于自動(dòng)獲取方式具有多個(gè)電極，在需要移動(dòng)電極位置獲取SNE信號(hào)時(shí)仍然具有明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

表1 手動(dòng)方式與自動(dòng)方式獲得SNE信號(hào)時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)語

本文提出了一種分布式布局的竇房結(jié)電圖獲取方法，通過模糊匹配方法對(duì)分布式電極采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行匹配，可以快速確定獲取竇房結(jié)電圖的最佳位置。該方法操作方便，實(shí)現(xiàn)了竇房結(jié)電圖的自動(dòng)采集，大幅度提高檢測(cè)效率。同時(shí)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過本文提出的復(fù)合式形態(tài)濾波，可以很好地保留竇房結(jié)電圖的特征，可為后續(xù)分析提供良好的數(shù)據(jù)源。

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Design of distributed SNE signal acquisition system based on fuzzy matching

WANG Lin?hong
（Institute of Applied Electronics，Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

The location for the sinus electrocardiogram（SNE）acquisition electrodes varies from person to person，so the collecting electrodes need adjust manually.A method to get SNE by distributed electrodes proposed in this paper.First，the multi?channel data is collected by utilizing the distributed electrodes，and then the morphological filters with low?pass and high?pass features are adopted for processing each set of data.At last，fuzzy template matching method is used to determine the accurate electrode for acquiring the SNE.The experimental results indicate that the proposed collecting system can automatically get SNE from different persons，and provide valuable raw data for quick diagnosis of the sinus node function.

sinus electrocardiogram；distributed electrode；acquisition system；morphological filtering；fuzzy template matching

TN911.7?34；TP216.1

A

1004?373X（2015）07?0092?04

王林泓（1974－），女，滿族，遼寧撫順人，副教授/博士。主要研究方向?yàn)樯镫娦盘?hào)的獲取與處理方法。

2014?10?19

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ112201）