CN100534384C - 基于数字信号处理的心磁信号采集处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于DSP的心磁信号采集处理方法及装置，属于心磁信号(MCG)实时硬件处理领域。该系统包括A/D转换单元和DSP信号处理单元，将超导量子干涉仪探测到的心磁信号进行A/D转换，并传输到DSP处理单元，由DSP处理单元对数据进行R波检测算法，得到准确定位心磁信号的R波位置。本发明利用DSP芯片高速数字信号处理能力和处理算法可灵活修改的特点，可以实现MCG硬件实时处理。

Description

基于数字信号处理的心磁信号采集处理方法及其装置

技术领域

本发明属于心磁信号(MCG)处理领域，尤其是一种基于数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)的心磁信号采集处理方法。

背景技术

近年来，随着MCG检测技术的发展，相关的数据处理方法和设备的研究设计已经成为该领域重要的研究方向。我国MCG的研究已进入人体MCG样本采集实验阶段，同时也开展了动物MCG的采集等工作。

目前MCG的处理流程一般是首先将超导量子干涉仪(SQUID)探测到的信号通过数据采集卡进行A/D转换后传输到计算机中存储，后期调用软件应用程序进行数据处理。MCG非常微弱，人类心脏也只是10^-11特斯拉量级，所以后期的数据处理特别是噪声衰减就非常重要。目前的这种采集和处理方法的缺点是数据采集卡没有处理功能，数据处理依靠软件离线进行，不具有实时性，速度相对较慢；而且在可预期的便携式MCG监控检测设备中，还要求MCG采集和处理系统必须数字化处理、可存储或传输。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可实时采集和处理心磁信号的系统。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种基于数字信号处理的心磁信号采集处理方法，其步骤包括：

(1)通过超导量子干涉仪探测得到心磁信号；

(2)将心磁信号进行A/D转换；

(3)数字信号处理芯片对心磁信号均值预处理后，根据心磁信号的特点确定运算窗的长度，利用曲线长度原理进行R波检测运算，其中R波检测算法的曲线长度原理公式为 $U_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|y_i-y_{i-1}|,$ U_i＝U_i-1-|y_i-w-2-y_i-w|+|y_i+w-2-y_i+w|，前一个公式给出迭代初始值，U₀为初始迭代值，后一个公式给出迭代公式，U_i和U_i-1分别表示前一个已经计算出的迭代值和要计算的下一个迭代值，y表示心磁信号幅度；

(4)获得准确的定位心磁信号的R波位置。

上述R波检测算法中的运算窗的长度为20-50个数据点。

本发明的优点：

利用DSP芯片高速数字信号处理能力和处理算法可灵活修改的特点，可以作为一个MCG硬件处理算法的验证平台，实现硬件可实时处理，实现MCG的实时数字化处理。系统最高运行时钟可达160MHz，USB接口的实现也使用DSP作为MCU硬件，结构简单。

附图说明

下面结合附图，对本发明作详细描述。

图1为基于DSP的心磁信号采集处理系统示意图；

图2为DSP芯片的处理流程图；

图3为R波检测算法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，系统硬件结构的主要功能模块包括：电源供应模块，AD转换模块，USB接口，电压监控模块和DSP芯片。

实际系统中，核心控制和处理的DSP芯片采用TI公司出品的TMS320VC5416，通过该芯片控制ADC，响应USB接口的各种请求，实现数据的算法处理和发送处理结果到主机，是整个系统的核心部分。

图1中监控复位电路主要完成系统电压检测及上电和手动复位时DSP芯片复位(reset)脉冲的产生。

系统供电采用一路+5V直流电压。

实际系统中的A/D转换模块，采用TI公司的TLV2541，该芯片是外置基准源的单通道12位逐次逼近型ADC，精度能满足当前设计要求。与DSP芯片——TMS320VC5416的McBSP0口连接，控制其ADC，实现不间断采样。

实际系统中，USB接口芯片采用飞利浦公司的PDIUSBD12，该芯片采用USB1.1协议，能够完成USB底层的数据链路级的交换，但是需要MCU应答主机的各种请求，已实现设备的枚举和USB数据传输。

硬件系统与计算机通过USB信号线连接，在windows操作系统的计算机上安装好驱动程序后，即可识别出该设备。主机端应用程序的功能主要是显示处理结果并以文本文件的格式存储。

所述系统可以上电自动引导，不需要其他的外部辅助设备加载DSP程序。

图3是R波检测算法的流程图，原始的MCG信号先经过均值预处理，然后根据MCG信号的特点确定运算窗的长度，利用曲线长度原理再现R波的位置。此R波检测算法适用性强，由于在该算法中加入了预处理算法，因此对于信噪比差的MCG信号也能准确再现R波的位置。是否对原始信号进行预处理，对R波位置的检测效果有明显的影响，尤其在弱信号的情况下更加明显。经过大量的算法研究与验证，发现采用均值算法对MCG信号进行预处理的效果很好，不仅能够准确再现信噪比高的MCG信号的R波位置，对于信噪比低的MCG信号，也能很好地再现R波位置。

图2是DSP芯片内程序的流程图，系统处理流程是：通电后TMS320VC5416(以下简称C5416)加载存储在外部flash的DSP程序到片内RAM，控制ADC芯片TLV2541进行模数转换，频率为1KHz，模拟信号输入范围是0——2.5V。DSP芯片和ADC芯片直接的通信采用DMA方式，保证了采样的连续性。同时设置DSP芯片的DMA中断，转换结果读入C5416片内设置的双缓冲。缓冲满后会触发C5416的DMA传输中断，在中断处理子程序中进行数据的处理，目前固化的算法是R波检测算法，通过该算法可以准确的定位MCG的R波位置，是进一步进行特征提取的必要处理过程。当接收到主机的发回处理结果请求后，C5416将数据通过USB接口发回应用程序显示并存储。要注意的是，主机端发送数据请求的频率由采样率，DSP芯片中的缓冲区容量决定。这样就可以保证每次在中断中完成数据处理后都会有一次USB数据传输请求发到系统中。

所述系统主机端的程序包括：window操作系统下的设备驱动程序和应用程序，应用程序是在美国NI公司的LabVIEW平台上开发，开发周期短也便于后续的程序功能完善和扩展。应用程序的主要功能是实时显示硬件系统处理结果并保存数据。

综上所述，本发明公开了一种基于DSP的心磁信号采集处理方法及其装置。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (2)

1、一种基于数字信号处理的心磁信号采集处理方法，其步骤包括：

(1)通过超导量子干涉仪探测得到心磁信号；

(2)将心磁信号进行A/D转换；

(3)数字信号处理芯片对心磁信号均值预处理后，根据心磁信号的特点确定运算窗的长度，利用曲线长度原理进行R波检测运算，其中R波检测算法的曲线长度原理公式为 $U_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|y_i-y_{i-1}|,$ U_i＝U_i-1-|y_i-w-2-y_i-w|+|y_i+w-2-y_i+w|，前一个公式给出迭代初始值，U₀为初始迭代值，后一个公式给出迭代公式，U_i和U_i-1分别表示前一个已经计算出的迭代值和要计算的下一个迭代值，y表示心磁信号幅度；

(4)获得准确的定位心磁信号的R波位置。

2、如权利要求1所述的基于数字信号处理的心磁信号采集处理方法，其特征在于：R波检测算法中的运算窗的长度为20-50个数据点。

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