基于８０５１模糊逻辑的室性早博检测

 

　现代多参数监护仪普遍采用模块化结构，每个模块都是能完成单一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中的一项重要技术。在心电监护的基础上，加入心搏和节律分类功能，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，特别适用于数学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征信息，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征表现为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。

 

　　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信息，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）。

 

　　２．２ 输入模糊化

　　提取的特征参数是精确值，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）＝（１．４－１．１）／（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。

　　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，"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，低四位表示第四前件；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。

 

　　２．４ 模糊推理和输出

　　对于一组模糊输入，遍历每一条模糊规则。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ＲＡ存放区域中查找出ＸＬ的隶属度Ｂ１；依此类推得隶属度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?quot;是ＰＶＣ"的隶属度Ｙ１。当所有规则都遍历后得到："是ＰＶＣ"的隶属度Ｙ１ Ｙ２～Ｙｍ，"可能是 ＰＶＣ"的隶属度Ｚ１ Ｚ２～Ｚｎ。取Ｙ１ Ｙ２～Ｙｍ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糊逻辑检测室性早博，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。