摘要：介紹了一種采用Labview和Matlab相結(jié)合設(shè)計心電信號分析儀的方法：利用Labview靈活的圖形化編程工具設(shè)計前面板，利用Labview平臺上Matlab調(diào)用節(jié)點調(diào)用小波變換等算法。應(yīng)用該方法所設(shè)計的系統(tǒng)具備讀取并顯示心電信號文件、小波變換的濾波功能和測試ECG信號參數(shù)等功能，效果良好；系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，可擴展性強。

關(guān)鍵詞：Labview；Matlab；心電信號；小波變換

0 引言

心電檢測能為心臟疾病的正確分析診斷、治療和監(jiān)護提供客觀依據(jù)，具有十分重要的社會價值和經(jīng)濟價值。Labview是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，是圖形化編程語言，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。同時，Labview實現(xiàn)了對FPGA等硬件的支持，實際上也是一個硬件設(shè)計工具。Matlab是當(dāng)今很流行的科學(xué)計算軟件，集成了大量科學(xué)計算程序，幾乎對所有的工程計算領(lǐng)域都提供了準(zhǔn)確、高效的工具箱，它已經(jīng)成為應(yīng)用學(xué)科中的計算機輔助分析、設(shè)計、仿真等不可缺少的基礎(chǔ)軟件。本論文結(jié)合LabView和Matlab的優(yōu)勢，開發(fā)了—個心電信號分析系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)主要分為五個部分，如圖1所示。

1 ECG信號的讀取

本系統(tǒng)ECG信號來自兩種信源，第一，存儲于計算機的數(shù)據(jù)文件；第二，系統(tǒng)實時采集的ECG信號。本文以讀取存儲的數(shù)據(jù)文件為例加以說明。目前國際上公認(rèn)的可作為標(biāo)準(zhǔn)的心電數(shù)據(jù)庫有三個，分別是美國麻省理工學(xué)院提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫、美國心臟學(xué)會AHA數(shù)據(jù)庫及歐洲ST-T數(shù)據(jù)庫。由于MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中病例豐富、典型、注釋詳細(xì)，很快就得到了世界的承認(rèn)。MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是錄制在磁帶上的模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，在存貯時為了減少文件長度節(jié)省存貯空間，使用了自定義格式，因此，無法通過通用的方式去讀取數(shù)據(jù)。在MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中，心率失常數(shù)據(jù)存儲格式主要是Format 212。格式212針對兩個信號(為了方便起見，設(shè)定為信號0和信號1)的采樣數(shù)據(jù)進行交替存儲，每三個字節(jié)存儲兩個數(shù)據(jù)，這兩個數(shù)據(jù)分別來自信號0和信號1，信號0的采樣數(shù)據(jù)取自第一字節(jié)對(共16位)的最低12位，信號1的采樣數(shù)據(jù)由第一字節(jié)對的剩余4位(作為組成信號1采樣數(shù)據(jù)的12位的高4位)和下一字節(jié)的8位(作為組成信號1采樣的12位的低8位)共同組成。兩個信號的所有數(shù)據(jù)都按照這種方法連續(xù)存儲。根據(jù)信號的存儲格式用Labview編寫的讀取MIT／BIH數(shù)據(jù)庫data文件的后面板程序如圖2所示。

2 ECG信號的濾波

在采集心電信號時，由于受儀器、人體等方面的影響，所采集的ECG信號常常存在以下幾種干擾：呼吸和運動所產(chǎn)生的基線漂移、工頻干擾、肌電干擾、電極接觸噪聲、運動偽跡和電子設(shè)備產(chǎn)生的高頻儀器噪聲。

目前比較熱門的濾波處理是用小波變換。具體做法是：首先選取適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)和分解尺度n后，對ECG信號進行多尺度分解。然后，將小波變換后的各尺度離散系數(shù)進行閥值處理。最后。利用處理后的小波系數(shù)對信號進行重構(gòu)，獲得平穩(wěn)，的心電圖信號，以此達到消除ECG中噪聲的目的。濾波的關(guān)鍵在于：①選擇合適的小波函數(shù)；②選擇小波門限法。為此，本系統(tǒng)設(shè)置了小波函數(shù)選項和小波門限法選項。其中，小波門限法提供了三種：軟閥值法、硬閥值法和自適應(yīng)閥值法。

本設(shè)計在Labview平臺上調(diào)用MATLAB節(jié)點，用MATLAB小波函數(shù)對加噪信號進行濾波。Matlab提供小波分析等復(fù)雜算法供Labview調(diào)用。利用Matlab中提供的小波函數(shù)工具來進行去噪處理，以獲得最好的濾波效果。在去噪閾值類型選項中，若不進行選擇系統(tǒng)即按默認(rèn)閾值處理。默認(rèn)閥值是采用MATLAB自帶的ddencmp函數(shù)，程序如圖3所示。

3 QRS波群檢測及參數(shù)提取

目前ECG自動分析的內(nèi)容主要包括心電信號的預(yù)處理，特征提取，QRS波檢測和分類，數(shù)據(jù)壓縮等。其中QRS波的檢測是首要問題，也是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵；特征提取和分析判斷是臨床應(yīng)用的核心。心電信號波形的復(fù)雜性和各種類型噪聲的存在以及生理上的變異性，使QRS波的精確檢測非常困難。

QRS波群的軟件檢測是近30年來研究的焦點。目前，QRS波的檢測方法主要有：差分閾值法、模式判斷法、小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和句法分析法。本設(shè)計主要采用小波分析法。小波分析方法利用QRS波頻率總是高于P波和T波的特點來識別QRS波。QRS波群的中心頻帶在17Hz左右，帶寬約為10Hz。

心電信號的峰值、谷值和峰峰值等可以用Labview中Amplitude and Level Measurements.vi非常方便地測量出來。

本系統(tǒng)中R波峰檢測采用Labview系統(tǒng)自帶的峰值檢測控件Peak Detector，vi。通過檢測到的兩個連續(xù)R波峰的位置可計算心電信號的周期、頻率等，隨后利用公式計算出心率，就可準(zhǔn)確判斷心率的變化。

R峰檢測的關(guān)鍵是門限的設(shè)置，可以調(diào)整寬度至精確。但是，僅靠門限和寬度的設(shè)置還不能非常準(zhǔn)確地檢測出R峰，為此，可以通過二階導(dǎo)數(shù)峰檢測中輸出的信息進一步精準(zhǔn)化，也可以根據(jù)R峰的性質(zhì)結(jié)合其他模塊更好的檢測出R峰的位置。

4 心電分析儀前面板

心電分析儀前面板見圖4。整個前面板分成原始ECG信號顯示區(qū)、經(jīng)小波濾波后ECG信號顯示窗口、濾波參數(shù)選擇和ECG信號參數(shù)顯示及提示區(qū)。其中，濾波參數(shù)選擇包括小波函數(shù)選擇、去噪閾值類型選擇和小波分解級選擇。

另外，ECG信號參數(shù)顯示區(qū)主要用來提示ECG信號的波峰、波谷和心率以及異常信號等。本系統(tǒng)采用異常信號的判斷方法是：設(shè)定心率的最大值和最小值，也就是上限和下限，當(dāng)采集的心電信號的心率高于最大值或者低于最小值時，啟動報警程序。前面板上將顯示異常的信號類型，點亮指示燈，提示管理人員進行適當(dāng)?shù)奶幚怼１鞠到y(tǒng)

中用布爾指示燈顯示報警狀態(tài)，設(shè)定心率上限為90次／9，下限為70次份；當(dāng)采集的心率高于90次份時，心率過快的指示燈點亮為紅色，當(dāng)心率低于70次／分時，心率過緩的指示燈點亮為藍色，當(dāng)心率在70－90次／分時，心率正常的指示燈點亮為綠色。該系統(tǒng)診斷報警子程序如圖5所示。

5 結(jié)束語

基于Labview的心電信號分析儀，包含心電信號采集、文件讀取、信號預(yù)處理、QRS波檢測等幾個部分。所有的軟件都基于Labview工作環(huán)境編寫，并在Labview平臺上調(diào)用MATLAB節(jié)點，通過充分調(diào)用Matlab環(huán)境中的經(jīng)典算法程序，省去了在LabView工作環(huán)境中編寫小波變換等復(fù)雜算法程序的過程，方便了參數(shù)調(diào)試和修改。而且，通過增加一塊ECG信號采集卡，能夠?qū)CG信號進行采集，實時處理、實時顯示。