基于差分法的心率计算及DSP实现

    0　引言

    心率是人体中一个非常重要的生命信息。心率计算的其中一个方法是:先提取QRS波,再计算相邻两个R波峰之间的距离(RR间期,单位为秒),最后利用心率计算公式“HR=60/RR间期”得出心率的值。QRS波的提取在心率计算中占据了非常重要的地位。目前,提取QRS波的理论算法已有很多种^[1],且理论研究也比较成熟,这些方法各有优点,但对算法硬件实现的研究较少,在这些方法中,差分法^[2]计算简单,但没有相应的硬件实现研究。DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。对差分法稍作修改,将其应用于心率计算,并将该算法在TI系列的TMS320VC5416上实现。

    1　心率计算的原理

    先用差分法提取QRS波,再用心率计算公式计算心率的值。

    1. 1　差分法提取QRS波

    一个正常的心电图,由P波、QRS波、T波等组成。每个具体的波都对应着特定的心脏活动和电生理阶段。由频谱分析可知,心电信号的频率为0. 05~100Hz,QRS波群的中心频率在17Hz左右(该频率也被称为QRS波群的特征频率),带宽约10Hz。而T波、P波的频带都是在此频带的低端以外^[3]。以上是QRS波群区别于其他波形的两个明显特点。差分法构成了许多QRS复波检测算法的基础。由于它基本上是高通滤波器,因而微分增强了具有较高频率特征的QRS复波,同时削弱了具有较低频率成分的P波和T波。

    用于QRS波提取的差分法用下式计算:

    y₀[n]=|x[n]-x[n-2]                  |(1)

    y_1[n]=|x[n]-2x[n-2]+x[n-4]|                (2)

    将式(1)和(2)分别乘以比例系数后相加,得

    y₂[n]=1.3y₀[n]+1.1y₁[n]              (3)

    与其他波形相比,R波的幅值最大。判别y₂[n]是否达到或超过给定的阈值,即y₂[n]≥0.6,一旦y₂[n]中有一数据点满足此条件,后3个数据点就同这个阈值相比较,如果这3个数据中有2个或者更多点等于或超过此阈值,那么这一段就可能是QRS复波的部分,保留该部分,其它部分置0,数据点个数的选取根据采样频率及QRS波的持续时间来估计。

    公式(1)为三点中心差分算法,该算法的零点在z=1和z=-1处,其频谱图如图1所示。图中圆圈部分为QRS波所对应的频率段(12~22Hz)的频谱图。公式(2)为二次求导滤波器,该滤波器是由两级三点中心差分求导级联而导出,该滤波器的零点在z=1和处z=-1,其频谱图如图2所示。图中圆圈部分为QRS波所对应的频率段(12~22Hz)的频谱图。由频谱图可知,这两个滤波器都能增强QRS波,削弱P波、T波,但QRS波部分的频谱幅度小于1,存在斜率,因此QRS波部分的幅值被削弱,有失真现象。在公式(1)和公式(2)中取绝对值使输出值为正,这样,公式(3)中输出值不会因前两次滤波时波形的失真而使相加结果趋于0,进一步导致QRS波的漏检。