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穿戴式猪用心电监测系统设计(3)

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心电节点通过松紧带固定于猪的颈部,心电节点电极片贴在猪身体的前半部分的左侧位于心脏位置处。在穿戴心电节点时,松紧带一定要根据猪的颈部周长调节到合适的位置,粘贴电极片位置的猪表皮一定要做简单的清洗,防止心电电极片的脱落,心电节点穿戴后现场拍摄实物如图9-a,猪在躺卧状态时电极粘贴处的图片如图9-b所示。

在给猪穿戴上心电节点后,为观察该穿戴方式是否对猪产生影响,架设了两组摄像机,分别观察穿戴心电节点的猪和未穿戴心电监测节点的猪,比较发现穿戴心电节点的猪并未产生应激行为。表明该穿戴方法适合于猪心电信号连续采集应用场景。

4.2　心电节点功耗测定

穿戴式猪用心电监测系统的连续工作时间主要取决于心电节点电池容量与心电节点在不同工作状态下的电流消耗。节点连续工作时间计算公式[13]为:

图9　心电节点穿戴方法Fig.9　Wearable method of ECG node

图10　心电节点功耗测试原理Fig.10　ECG node consumption test principle

对心电节点进行数据采集、射频启动、数据发送3种状态的功耗测定。由于不同状态下节点的电流消耗不同,并且DC-DC的输出电流也随状态切换变化而不易测定[13],因此,试验采用可调直流电源M8811模拟锂电池给节点供电,在DC-DC电压转换的输出口串联1 Ω、0.5%高精度的电阻,采用200 MHz的TDS2022C型高精度泰克示波器测量该电阻两端电压,间接测定电流消耗。节点的功耗测定原理如图10所示。

心电数据每隔1 s发送1次。按照图10的原理,在完成1个周期数据的采集与发送过程中,试验测定数据如表1所示。

表1　心电节点功耗测试结果Table 1　ECG node consumption test result工作状态Workingstate工作电压/mV　Workingvoltage消耗电流/mA　Consumptioncurrent持续时间/ms　Durationtime　数据采集Dataacquisition4．84．　射频启动RFstart11．311．31．2　数据发送Datatransmitting21．221．212．8

心电节点在一个工作周期内完成数据的采集和发送,根据表1计算平均电流消耗:

若采用容量为3 800 mA·h的电池,则由式(8)可得心电节点工作时间(T):

4.3　心电信号Mallat滤波算法实现

心电滤波算法Mallat通过Matlab R2010b实现。首先,猪心电滤波选用db4小波对心电信号进行Mallat分解滤波。用Matlab的wfilters函数可以得到db4小波的4个分解和重构滤波器。然后,采用db4小波对心电数据进行七尺度Mallat分解和单尺度重构。心电滤波前的图形如图11所示,心电滤波后的波形如图12所示,由图11和图12可以看出,滤波后心电波形的基线已接近水平,并且各QRS波群高低几乎一致。

图11　滤波前心电波形图Fig.11　Before filtering ECG

图12　Mallat滤波后心电波形图Fig.12　Mallat filtered ECG

4.4　心电节点测量数据正确性验证

力康快速心电检测仪Prince 180B是一种家用心电测试仪。比较滤波后的心电监测系统心电波形与力康快速心电检测仪Prince 180B检测到的心电波形,发现两者在测量躺卧、站立、运动状态下的猪心电变化波形基本吻合。该比较结果表明,本文设计的心电监测系统能够准确地测量出猪心电数据。

4.5　猪心率计算

R波是心电波群中幅度最大的波,可以通过计算2个R波之间的间隔时间来计算出猪心率[14]。测得4头小梅山猪在躺卧状态下的心率分别是141、145、138和135 min-1。测量数据符合健康猪的心率波动范围130～170 min-1[15]。

5　结论

传统心电监测系统无法应用于现代规模化生产中的猪心电监测。本文结合无线传感器网络技术及心电传感器技术,设计了一种可在规模化养猪场应用的猪心电数据实时监测系统。猪场实地测试结果表明,系统能够准确测量猪的心电数据,并能根据心电波形,计算出猪心率。

文章来源：《临床心电学杂志》网址: http://www.lcxdxzz.cn/qikandaodu/2021/0430/918.html