CN107788975A - 一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统 - Google Patents

一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统，以期实现胎儿心电的家庭监护。所述的系统由孕妇腹部三导联心电采集仪、胎儿心电实时算法和安卓智能手机软件构成。孕妇腹部心电采集仪电路主要由低功耗蓝牙处理器赛普拉斯CY8C4247和3导联模拟前端ADS1293构成，24位的ADS1293采集孕妇腹部三导联心电信号，经SPI通信传输到CY8C4247处理器处理后再经蓝牙无线发送到安卓智能手机。安卓智能手机软件功能包括：获取BLE服务，通信连接，Service服务，广播，线程建立和绘图画布设计,心率计算，心电异常报警等。胎儿心电检测算法为优化参数的快速ICA算法。

Description

一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统
技术领域
本发明属于家庭健康监护领域，涉及一种胎儿心电监护系统。
背景技术
胎儿在围产期由于脐带压迫或其他原因可能造成暂时性缺氧，会引起窒息、智力迟钝、痴呆甚至死亡。据统计，我国弱智儿童中很大部分是由于胎儿生长过程中处于缺氧的窘迫状态而导致发育不良或早产造成的。因此，围产期对孕妇和胎儿进行监护十分重要。通过对胎儿心电信号的分析，可及早发现许多妊娠期或分娩期的胎儿病理情况，及早采取措施，从而预防新生儿疾病，实现优生优育。
目前国内外学者提出了许多胎儿心电提取方法，自适应滤波技术计算简单但对非平稳性较强的胎儿心电不能适应。匹配滤波技术算法简单，但是容易消去胎儿心电,导致胎儿心电识别率低。小波分解技术需要选择小波基等参数，计算量大，数据不同，参数不同，不易实时提取。奇异值分解法随着时间的增长分解矩阵越来越大，其对计算量和存储空间要求很大，实际应用存在一定困难。支持向量机法存在泛化能力弱、局部极值、结构设计等问题。盲信号分离法和独立成分分析法存在建模难和不易实现等问题。
虽然目前有各式各样的胎心监护仪，但它们多基于超声多普勒检测技术、测量不方便，并且设备昂贵。
发明内容
本发明提出一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统。胎儿心电采集由孕妇腹部三导联心电采集仪来实现，将采集到的数据经过蓝牙发送到智能手机APP进行处理。
一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统，其特征在于：此系统包括孕妇腹部三导联心电采集仪、胎儿心电检测实时算法及安卓智能手机软件；孕妇腹部心电采集仪包括蓝牙处理器、24位模拟前端、供电电路模块；24位模拟前端采集孕妇腹部三导联心电信号，经SPI通信交蓝牙处理器处理后将原始数据经蓝牙发送到安卓智能手机实时提取胎儿心电信号。
进一步，所述蓝牙处理器为CY8C4247。
进一步，所述三导联24位模拟前端为ADS1293。
进一步，供电电路模块由充电芯片MCP73831和3.3V稳压芯片TLV70033D组成。
孕妇腹部心电采集电路由蓝牙低功耗一体化芯片赛普拉斯CY8C4247和3导联模拟前端放大器ADS1293构成，24位模拟前端ADS1293采集孕妇腹部三导联心电信号，经SPI通信交CY8C4247处理后通过蓝牙无线发送到安卓智能手机APP处理。本发明的安卓手机APP软件包括获取BLE服务，通信连接，Service服务，广播，线程建立和绘图画布设计,心率计算，心电异常报警等功能模块，并将实时滤波算法和优化的快速ICA算法应用其中。
所述实时提取胎儿心电信号具体为首先用2阶IIR高通2Hz滤波算法去除基线漂移、30阶FIR低通50Hz滤波算法去除高频信号干扰。
其次是最优参数的快速ICA算法：对滤波后的腹部三导联心电信号X进行求平均化，每次计算2秒的数据；采用基于峭度的负熵公式：
w＝(X*((X'*w).^3))/numSamples-3*w,W(:,ic)＝w；
其中w为分量矩阵，X'为X的转置,W为分解矩阵，X为心电信号矩阵，numSamples为计算点数，ic取值为1到3的正整数；如果迭代次数大于200或者误差小于0.0001则计算停止，得到分解矩阵W，最后：
y＝W'*X,W'为W的转置，y即包含胎儿心电信号。
最后胎儿心电信号再通过一个30阶FIR低通50Hz滤波函数得到纯净的胎儿心电信号。
本发明测量方便，并且设备成本低，且信号良好。
附图说明
图1：胎儿心电监护系统结构图
图2：孕妇腹部心电采集电路结构图
图3：安卓智能手机软件流程图
图4：胎儿心电实时算法流程图
图5：智能手机实时显示的胎儿心电图
具体实施方式
本发明的实施例中，孕妇腹部心电采集器采用赛普拉斯的CY8C4247蓝牙一体化处理器，其为基于ARM的Cortex-M0内核可编程嵌入式系统控制器，为32位处理器，速度可达48MHz。通信接口有I2C,IrDA,LIN,Microwire,SmartCard,SPI,SSP,UART/USART。ROM为128K，RAM为16K。集成低功耗蓝牙BLE，具有驱动50Ω天线功能的2.4GHz RF接收器。将其P1.4、P1.5、P1.6、P1.7配置为SPI口与ADS1293通信，其接收ADS1293传送的三通道孕妇腹部心电数据，数据格式按照每个数据包146个字节，每通道15个心电数据。
本发明的实施例中，模拟前端采用TI公司的医用放大芯片ADS1293，是一款低功耗、三导联、24位分辨率的模拟前端。可以针对特定采样率和带宽对每个通道进行设定，具有交直流电极脱落检测功能，而且具有电池电量监控和自我诊断报警功能，内置ECG所需右腿驱动电路和Wilson、Goldberger终端。设置采样率200Hz,其采用SPI通信按照一定指令与CY8C4247通信，传递从孕妇腹部采集的三导心电信号。
本发明的实施例中，低功耗供电电路模块，由充电芯片MCP73831和3.3V稳压芯片TLV70033D组成，其用来给锂离子电池充电和经3.3V稳压后给系统电路供电，并且充电时系统停止工作。当USB导联线与采集端分离时，心电采集模块低功耗工作，不再发送数据到手机；当USB导联线与采集端接触时，心电采集模块开始工作。
本发明的实施例中，安卓智能手机软件模块为低功耗BLE开发。通过建立服务，开始准备(打开蓝牙)扫描BLE设备，通过地址建立GATT连接。连接成功后，由智能手机向CY8C4247发送开始指令OX01、0X00，CY8C4247收到指令后便向手机发送三通道各15个孕妇腹部心电数据，然后进行实时滤波(去除基线漂移和高频干扰)。当Service收到400个数据时，便交给胎儿心电提取线程进行快速ICA提取，提取完成后交给计算心率线程计算胎儿心率。同时每20个字节循环交给绘图线程绘制胎儿心电波形并显示心率。胎儿心电可以上传到云平台还可以实现本地存储。
本发明的实施例中，智能手机APP界面中有4个功能模块：胎儿心电、历史心电、远程诊断、孕妇信息。单击“胎儿心电”按钮后会在当前Activity得到相应的响应事件，心电绘图窗用于显示当前胎儿心电波形，心电分析结果窗用于显示当前心电信息，包括心率、心率是否正常。单击“历史心电”按钮，会跳转到另一个Activity显示listview以时间命名的历史胎儿心电条状目录，再点击任何一个目录则会显示此时刻的胎儿心电波形。单击“远程诊断”按钮则可以上传胎儿心电数据到服务器，并且得到反馈信息，胎儿心电是否正常以及何种异常。单击“孕妇信息”按钮可以查看孕妇姓名、年龄、身体状况等信息。
本发明的实施例中，算法模块为IIR和FIR实时滤波、参数最优化的快速ICA算法。步骤如下所示：
(1)2阶IIR高通2Hz滤波算法去除基线漂移，2阶IIR高通2Hz滤波器公式：
y[n]＝0.9565*x[n]-1.9131*x[n-1]+0.9565*x[n-2]+1.9112*y[n-1]-0.9149*y[n-2]。
(2)30阶FIR低通50Hz滤波算法去除高频信号干扰，30阶FIR低通50Hz滤波器公式：
y[n]＝(-18)*x[n]-122*x[n-1]-12*x[n-2]-25*x[n-3]-17*x[n-4]-8*x[n-5]+5*x[n-6]+20*x[n-7]+36*x[n-8]+53*x[n-9]+70*x[n-10]+86*x[n-11]+98*x[n-12]+107*x[n-13]+111*x[n-14]+111*x[n-15]+107*x[n-16]+98*x[n-17]+86*x[n-18]+70*x[n-19]+53*x[n-20]+36*x[n-21]+20*x[n-22]+5*x[n-23]-8*x[n-24]-17*x[n-25]-25*x[n-26]-12*x[n-27]-122*x[n-28]-18*x[n-29]。
(3)最优参数的快速ICA算法：对滤波后的腹部三通道心电数据X进行求平均化，每次计算2秒的数据。最大迭代为200次，误差为0.0001。采用基于峭度的负熵公式：
w＝(X*((X'*w).^3))/numSamples-3*w,W(:,ic)＝w；
其中w为分量矩阵，X'为X的转置,W为分解矩阵，X为心电信号矩阵，numSamples为计算点数，ic取值为1到3的正整数。如果迭代次数大于200或者误差小于0.0001则计算停止，得到分解矩阵W，最后：
y＝W'*X,W'为W的转置，y即包含胎儿心电信号。
(4)最后胎儿心电信号再通过一个30阶FIR低通50Hz滤波函数得到纯净的胎儿心电信号。

Claims (6)

1.一种基于安卓智能手机的胎儿心电监护系统，其特征在于：此系统包括孕妇腹部三导联心电采集仪及安卓智能手机；孕妇腹部心电采集仪包括蓝牙处理器、24位模拟前端、供电电路模块；24位模拟前端采集孕妇腹部三导联心电信号，经SPI通信交蓝牙处理器处理后将原始数据经蓝牙发送到安卓智能手机实时提取胎儿心电信号。
2.根据权利要求1所述的胎儿心电监护系统，其特征在于，所述蓝牙处理器为CY8C4247。
3.根据权利要求1所述的胎儿心电监护系统，其特征在于，所述三导联24位模拟前端为ADS1293。
4.根据权利要求1所述的胎儿心电监护系统，其特征在于，供电电路模块由充电芯片MCP73831和3.3V稳压芯片TLV70033D组成。
5.根据权利要求1所述的胎儿心电监护系统，其特征在于，所述安卓手机提供获取BLE服务，Service通信连接服务，广播、线程建立，绘图画布设计,心率计算，心电异常报警等。
6.根据权利要求1所述的胎儿心电监护系统，其特征在于，所述实时提取胎儿心电信号具体为首先用2阶IIR高通2Hz滤波算法去除基线漂移、30阶FIR低通50Hz滤波算法去除高频信号干扰；
其次是最优参数的快速ICA算法：对滤波后的腹部三导联心电信号X进行求平均化，每次计算2秒的数据；采用基于峭度的负熵公式：
w＝(X*((X'*w).^3))/numSamples-3*w,W(:,ic)＝w；
其中w为分量矩阵，X'为X的转置,W为分解矩阵，X为心电信号矩阵，numSamples为计算点数，ic取值为1到3的正整数；如果迭代次数大于200或者误差小于0.0001则计算停止，得到分解矩阵W，最后：
y＝W'*X,W'为W的转置，y即包含胎儿心电信号；
最后胎儿心电信号再通过一个30阶FIR低通50Hz滤波函数得到纯净的胎儿心电信号。
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