在单片机上和模糊逻辑检测室性早博_单片机论文
关键词：心电监护 模糊逻辑 数字单片机
现代多参数监护仪普遍采用模块化模块，每个模块都是能完成单功能的独立微处理机系统，多个模块通过串行口接收主控制器命令，送出测量结果。心电监护模块是其中的关键部件，其在单片机控制下拾取心电信号，放大、预处理，并传送给主控模块。
室性早博（pvc）是一种最常见的心律失常，它的实时，正确检测是心电图自动分析的一项重要技术。在心电监护的基础上，加入心博和节律分类功能，便可进行心律失常监护。室性早博检测一般在高端的心律失常分析模块中进行。目前单片机的功能不断增强，过去主要用作控制器的单片机，在完成原来的任务后，尚剩余不少cpu时间和控制功能，完全有可能实现一些过去只能在pc机上运行的复杂算法，而且用汇编语言编程提高运行速度。
模糊系统是模糊集合论和模糊逻辑的具体应用，它模拟人脑思维决策的能力，特别适用于数字模型难以精确表示的不确定系统。医学决策系统中的许多信息都是不确定的，例如心电信号中的大量特片，适合用模糊推理的方法进行处理。笔者的实验室采用模糊逻辑识别室性早博，效果较好。
笔者在基于8051的心电模块中移植上述算法，实现室性早博检测。在模糊单片机上进行模糊控制或推理非常方便。在数字单片机上实现，关键是怎样存储表达隶属度函数和模糊规则，以及怎样实现推理。
1 隶属度函数、模糊规则和模糊推理方法
使用rr间期、r波宽度和面积、t波的面积和峰值这五个形态参数描述一个qrs波。室性早博的典型形态特片表现为rr间期较小，r波宽度大、面积大,t波宽度大、峰值大。经过统计和实验确定的隶属度函数如图1所示。
图1中横轴表示论域，纵轴表示隶属度。每个输入语言变量定义小（s）、中（m）、大（l）、特大（xl）四个语言变量值。隶属度函数为三角形或半梯形。
模糊规则共有32条，部分规则如表1所示。其中17条判决“是pvc”，15条判决“可能是pvc”，--表示不考虑该参数的影响。
表1 模糊规则
| rr间期 | r波面积 | r波的宽度 | t波面积 | t波峰值 | 结论 |
| xl | xl | -- | -- | -- | 是pvc |
| xl | -- | xl | -- | -- | 是pvc |
| m | l | xl | xl | l | 是pvc |
| m | l | l | xl | l | 是pvc |
| … | |||||
| l | -- | -- | xl | -- | 可能是pvc |
| -- | xl | xl | xl | l | 可能是pvc |
| m | -- | -- | xl | l | 可能是pvc |
| l | s | m | -- | m | 可能是pvc |
在数字单片机上实现模糊控制一般采用三种方式：强度转移方式、直接查表方式和公式计算方式。直接查表方式通过事先的离线计算，得到一张模糊控制表，将控制表存放在计算机机内存中；控制过程中，根据输入变量查找表中对应的控制量。在一般的控制应用中，这种方法速度最快。但本系统中输入变量较多(5个)，模糊控制表维数高，存储、查表均不方便。强度转移方式是按模糊控制的极大-极小法进行推理。每个输入参数映射为多个隶属度，每组输入会激活多条规则，可能对应不同的结果。用取小的原则计算各组合对应规则的输出强度，然后按最大隶属度原则得出对应于各结论的可信度。这样，对于每一个输入，都可得出与各结论相对应的输出强度，称为输出隶属度，取输出强度最大的那个隶属度作为输出。实验结果表明，这种方法对本系统最为合适。
2 强度转移法在单片机8051上的实现
2.1 隶属度函数的存放
由于数字单片机只能存储和处理数字，且单片机的内存容量有限，如果要对系统输入输出论域的所有隶属函数的连续曲线进行存储，是根本不可能的。对于三角形隶属函数，采用三点法，存储三角形的三个顶点；对于两边的半梯形，也存储腰和顶的三点。隶属度函数存放在rom中，如表2所示（仅列出rr，其余类推）。
表2 隶属度函数存放示意图
| 地 址 | 隶属度函数 | 模糊值 | 模糊变量 | ||
| 1c00h | 0.0 | 0.8 | 1.0 | s | rr |
| 1c03h | 0.8 | 1.0 | 1.4 | m | |
| 1c06h | 1.0 | 1.4 | 2.5 | l | |
| 1c09h | 1.4 | 2.5 | 3.0 | xl | |
2.2 输入模糊化
提取的特片参数是精确值，将它们与隶属函数进行比较组合，求出相应的模糊输入量。隶属度范围为0～1，在8位机上可表示为00h～ffh。对本系统而言，每个精确输入值最多只对应两个模糊输入量大于零，其余的模糊输入量则为零。例如：假设rr=1.1，从表2可知它落在中（m）和大（l）两个区间上，因此对于中（m）和大（l）的隶属度为：
μm(1.1)=(1.4-11.1)/(1.4-1.0)×ffh=bfh
μl(1.1)=(1.1-1.0)/(1.4-1.0)×ffh=3fh
在ram中开辟一块区域，存放各模糊输入量，如表3所示。
表3 模糊输入量存放示意图
| 地 址 | 隶属度 | 模糊值 | 模糊变量 |
| d0h | 00h | s | rr |
| d1h | bfh | m | |
| d2h | 3fh | l | |
| d3h | 00h | xl |
2.3 模糊规则的存放
模糊规则表示为：if a and b and c and d and e then y(or z)
其中“if”后紧接着的词称前件，中“then”后面的词称后件。首先将输入的模糊值s、m、l、xl分别与数字0、1、2、3相对应，即：
rr、ra、rw、ta、th：s=0，m=1，l=2，xl=3
每条规则用三字节表示。第一字节高四位表示第一前件的模糊值，低四位表示第二前件的模糊值；第二字节高四位表示第三前件，低四位第四前件；第三字节高四位表示第五前件，低四位表示后件。其中，f表示不考虑该前件，a表示“是pvc”，b表示“可能是pvc”。以第一条规则（存放在rom中）为例，如表4。
表4 模糊规则存放示意图
| 地 址 | 数 据 | 意 义 |
| 1d00h | 33h | 第一条规则第一前件，第二前件 |
| 1d01h | ffh | 第一条规则第三、第四前件不考虑 |
| 1d02h | fah | 第一条规则第五前件不考虑，后件为“是” |
2.4 模糊推理和输出
对于一组模糊输入，遍边每一条模糊规则。取第一条规则第一前件（3h）作为地址偏移量，加上模糊输入rr在ram中存放的首地址（40h），则可从ram内rr存放区域中查找出xl的隶属度a1；取第一条规则第二前件（3h）作为地址偏移量，加上模糊输入ra在ram中存放的首地址（44h），则可从ram内存放区域中查找出xl的隶属度b1：依此类推着隶属度c1、d1、e1。根据强度转移法，取a1、b1、c1、d1、e1中最小值作为该规则后件所取的语言变量“是pvc”的隶属度y1。当所有规则都遍历后得到：“是pvc”的属度y1 y2～ym，“可能是pvc”的隶属度z1 z2～zn。取y1 y2～y的最大值作为“是pvc”的隶属度y，取z1 z2～zn的最大值作为“可能是pvc”的隶属度z。如果y<7fh且z<7fh，则输出“正常”；如果y>z，输出“是pvc”；如果z>y，输出“可能是pvc”。
本文讨论了在数字单片机中进行模糊推理的方法，实现在心电监护模块中用模逻辑检测室性早博，使心电监护模块功能得到扩展。室性早博检测结果和心电波形数据一起传给上位机，进行心律失常的进一步分析。