李琳琳山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

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基于Qt設(shè)計(jì)心電信號(hào)管理系統(tǒng)

李琳琳
山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

針對(duì)目前心電信號(hào)研究缺少臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，本文提出了使用國(guó)際公認(rèn)的可作為標(biāo)準(zhǔn)的心電數(shù)據(jù)庫(kù)作為心電算法的輸入，并為心電監(jiān)護(hù)類系統(tǒng)和便攜式心電監(jiān)護(hù)儀等提供測(cè)試信號(hào)源。本文采用跨平臺(tái)的C++應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架Qt來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅應(yīng)用于PC機(jī)，還可應(yīng)用于便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，識(shí)讀的心電信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，模擬實(shí)際臨床采集到的信號(hào)，提供給心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

Qt雙緩沖技術(shù) D/A轉(zhuǎn)換 MIT-BIH 多線程 跨平臺(tái)

近年來(lái)心臟疾病已成為威脅人類生命安全的頭號(hào)疾病。由于其無(wú)先兆、發(fā)展迅速、危險(xiǎn)性高，對(duì)患者的危害極大，因此心臟病的預(yù)防和診斷已成為目前國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的重要課題。近年來(lái)隨著室速/室顫的識(shí)別、LOWNS分類、HRV、QT、QTd、TWA等 理論檢測(cè)算法的完善，為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制打下了基礎(chǔ)。由于研制心電檢測(cè)儀需要心電樣本信號(hào)，而臨床的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很難采集，所以在理論研究階段， 一般采用國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)作為樣本信號(hào)。目前標(biāo)準(zhǔn)的心電數(shù)據(jù)庫(kù)主要有美國(guó)麻省理工學(xué)院提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)，美國(guó)心臟學(xué)會(huì)的AHA數(shù)據(jù)庫(kù)以及歐洲心電數(shù)據(jù)庫(kù)。本文采用Qt設(shè)計(jì)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)管理系統(tǒng)，讀取MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)中的心電信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，可直接輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備中，用于心電檢測(cè)算法的驗(yàn)證。同時(shí)可在上PC機(jī)實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)回放、波形檢索瀏覽以及截取保 存重要數(shù)據(jù)片段。

1　心電數(shù)據(jù)格式

目前MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲得，應(yīng)用最為廣泛。該數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)是臨床中采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。臨床信號(hào)選取的樣本很豐富， 基本涵蓋了各種心臟病人的信息。以MIT-BIH Ar rhythmia Database為例介紹數(shù)據(jù)格式。由48個(gè)記錄組成，每個(gè)記錄時(shí)間是30 分鐘，每個(gè)記錄由三個(gè)文件組成：頭文件（擴(kuò)展名 為.hea），數(shù)據(jù)文件（擴(kuò)展名為.dat），注釋文件（擴(kuò)展 名為.atr），頭文件標(biāo)示出與它相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)文件的名字及其屬性，以ASCII碼方式存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)文件以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)心電信號(hào)原始數(shù)據(jù)；注釋文件記錄了心電診斷專家對(duì)信號(hào)分析的結(jié)果。其中包括心跳節(jié)律、信號(hào)質(zhì)量等，格式一般有MIT和AHA兩種。

2　基于Qt的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本文以C++為軟件編程語(yǔ)言，采用Qt為基礎(chǔ)類庫(kù)，實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)。Qt是一種跨平臺(tái)C++圖形用 戶界面程序開(kāi)發(fā)框架，也可用于開(kāi)發(fā)非GUI程序， 比如控制臺(tái)工具和服務(wù)器。Qt具有良好的跨平臺(tái)特性，支持所有的UNIX系統(tǒng)，和windows平臺(tái)，在嵌入式移動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用也比較廣泛。Qt是一種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，具有良好的封裝機(jī)制，具有豐富的 API，如Qt提供的圖形視圖框架、模型視圖框架、動(dòng)畫框架等。本文設(shè)計(jì)的心電管理系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，不僅可以應(yīng)用與PC機(jī)中用于心電算法仿真的信號(hào)管理、查詢和輸入等，還可以移植到l inux系 統(tǒng)應(yīng)用與便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，為心電監(jiān)護(hù)設(shè)備提供信號(hào)源。

2.1Qt的MVC框架

MVC全稱是Model View Cont rol ler，是模型 （model）－視圖（view）－控制器（controler）的簡(jiǎn)稱，是一種將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)顯示分離的方法。針對(duì)Qt 有類似MVC模型的modelview架構(gòu)，其中model是 MVC中的model，view是MVC中的view，而MVC中的 controler在Qt中抽象出delegate來(lái)代替，delegate被用 來(lái)提供對(duì)item渲染和編輯的控制。

在本文中繪制心電波形需要使用QGraphicsView、QGraphicsScene和QGraphics Item等類來(lái)實(shí)現(xiàn)，提供一種類似于Qt model-view的編程。多個(gè)views可以監(jiān)視同一個(gè)Scene，而場(chǎng)景包含多個(gè)具有多種幾何外形的i tems。QGraphicsScene表示QGraphicsView中的場(chǎng)景，為管理大量的2D圖形item提供了一個(gè)管理界面，作為items的容器，它配合使用QGraphicsView 使用來(lái)觀察i tems。具有如下的功能：為管理大量的 items提供一個(gè)快速的接口；傳播事件到每個(gè)item；管理i tem的狀態(tài)。通過(guò)調(diào)用add Item函數(shù)來(lái)將 Items加入到場(chǎng)景中?？梢允褂帽姸嗟牟檎液瘮?shù)來(lái)獲取特定的items。所有的item查找函數(shù)都以出棧序列返回。QGraphicsView提供了視圖部件，它可視化場(chǎng)景中的內(nèi)容?？梢赃B接多個(gè)視圖到同一個(gè)場(chǎng)景，對(duì)這個(gè)相同的場(chǎng)景數(shù)據(jù)提供幾個(gè)視口。視口部件是一個(gè)滾動(dòng)區(qū)域，它提供了滾動(dòng)條以對(duì)大場(chǎng)景進(jìn)行瀏覽。如果使用OpenGL，可以調(diào)用QGraphics View：：setViewpor t（）來(lái)把一個(gè)QGLWidget設(shè)為視口。 視圖從鍵盤，鼠標(biāo)接收輸入事件，在發(fā)送這些事件到場(chǎng)景之前，會(huì)對(duì)這些事件進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆g（把事件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景坐標(biāo)）。QGraphics Item 是場(chǎng)景中圖形items的基類。QGraphicsView提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的、用于典型形狀的i tems。像矩形（QGraphics Rect Item），橢圓（QGraphicsEl lipseItem），文本 （QGraphicsText Item）等，本文繪制的心電波形圖主 要是自定義的曲線。

2.2雙緩沖技術(shù)繪制心電波形

雙緩沖技術(shù)是GUI編程中常用的技術(shù)。所謂的雙緩沖就是把需要繪制的控件保存到一個(gè)圖像中， 然后在把圖像拷貝到需要繪制的控件上。從Qt4版本開(kāi)始，所有的窗口部件默認(rèn)都使用雙緩沖進(jìn)行繪圖。使用雙緩沖，QWidget能夠自動(dòng)處理閃爍［6，7］。首先要想把閃爍減弱，需要setBackgroundMode（NoBackground）；設(shè)置widget的背景模式為NoBackground. 其次重載widget的paint Event（）函數(shù)，如下：void MyWidget：：paintEvent（QPaintEvent *e） ｛QPainter painter（&pixmap）；

QPainter painterWidget（this）；

//......//Drawing

painterWidget.drawPixmap（QPoint（0，0）， pixmap）；｝

本系統(tǒng)在心電波形實(shí)時(shí)回放模塊中應(yīng)用了Qt的雙緩沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)閃爍的波形回放，可以實(shí)時(shí)查看波形的動(dòng)畫情況。

2.3多線程技術(shù)

作為基于C++的跨平臺(tái)GUI系統(tǒng)，Qt提供了豐富的多線程編程支持。主要從三個(gè)方面對(duì)多線程編程提供支持：

一、構(gòu)造了一些基本的與平臺(tái)無(wú)關(guān)的線程類；

二、提交用戶自定義事件的Thread-safe方式；

三、多種線程間同步機(jī)制，如信號(hào)量，互斥鎖。Qt中最重要的線程類是QThread，要開(kāi)始一個(gè)新的線程，需要重新實(shí)現(xiàn)QThread：：run（），如果兩個(gè)線程同時(shí)希望訪問(wèn)同一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)是很必要的。QMutex類提供了一個(gè)互斥鎖，一個(gè)線程鎖定互斥量，并且在它鎖定之后，其它線程就不能訪問(wèn)鎖定的數(shù)據(jù)，必須等到解鎖后再訪問(wèn)。 本系統(tǒng)在作為信號(hào)源將心電波形輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，或者輸出到心電算法仿真系統(tǒng)中時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電波形，由此需要兩個(gè)線程分別來(lái)實(shí)現(xiàn)波形輸出和波形監(jiān)測(cè)功能，并通過(guò)線程間通信實(shí)現(xiàn)輸出的波形和監(jiān)測(cè)顯示的波形同步。

3　心電管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

心電數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要為心電監(jiān)護(hù)設(shè)備提供信號(hào)輸入，將心電信號(hào)輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備中用于算法仿真實(shí)驗(yàn)，并同時(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行動(dòng)畫回放顯示，系統(tǒng)可以截取保存一段數(shù)據(jù)用于針對(duì)性研究，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索查看。系統(tǒng)主要包括軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)和PC機(jī)與硬件的連接輸出。根據(jù)各模塊問(wèn)相互獨(dú)立、視圖數(shù)據(jù)相互分離的設(shè)計(jì)思想，將軟件劃分為以下幾個(gè)部分：數(shù)據(jù)服務(wù)層、連接傳輸層和人機(jī)交互層。

數(shù)據(jù)服務(wù)層為整個(gè)系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)操作的基礎(chǔ)支持，從心電數(shù)據(jù)文件中識(shí)讀心電數(shù)據(jù)，并調(diào)整格式，為其他模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括心電數(shù)據(jù)與硬件IO及人機(jī)視圖之間的交互等；連接傳輸層為外接的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備提供信號(hào)源輸出，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將心電數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為臨床應(yīng)用的模擬信號(hào)，應(yīng)用與心電算法的仿真研究；人機(jī)交互層實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的心電波形檢索，對(duì)波形進(jìn)行整體瀏覽，實(shí)現(xiàn)特殊波形的截取和保存，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波形的回放，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備中的波形狀態(tài)。系統(tǒng)人機(jī)界面包括文件、實(shí)時(shí)回放、波形檢索、 I/O輸出、幫助等菜單。

文件菜單用于管理心電數(shù)據(jù)，具有打開(kāi)、關(guān)閉、另存為、打印等子菜單，通過(guò)文件菜單可以選擇心電數(shù)據(jù)文件，解析心電數(shù)據(jù)時(shí)遵循h(huán)ea文件、dat文件、at r文件的順序，因此對(duì)打開(kāi)的文件做擴(kuò)展名的篩選，選擇對(duì)話框中只顯示hea文件，避免只選擇了dat或者atr文件造成數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤。實(shí)時(shí)回放菜單具有：D/A回放、重新回放和回放暫停等子菜單。在心電信號(hào)輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備時(shí)，可以通過(guò)實(shí)時(shí)回放來(lái)監(jiān)測(cè)信號(hào)，與心電監(jiān)護(hù)設(shè)備中的算法仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)校核。波形檢索菜單實(shí)現(xiàn)波形屏幕檢索、數(shù)據(jù)保存和幅度改變。當(dāng)打開(kāi)一個(gè)心電信號(hào)后，即可通過(guò)檢索菜單通過(guò)調(diào)用心電數(shù)據(jù)在屏幕中靜態(tài)繪制心電波形，可通過(guò)滑動(dòng)條拖動(dòng)顯示不同時(shí)間的數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)左鍵可取得數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，右鍵取得數(shù)據(jù)的結(jié)束點(diǎn)，通過(guò)起始和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)截取心電數(shù)據(jù)中的片段數(shù)據(jù)用于重點(diǎn)研究。I/O輸出菜單實(shí)現(xiàn)向D/A轉(zhuǎn)換板卡輸出心電數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后再輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備中，下設(shè)開(kāi)始傳送、暫停傳送和終止傳送等子菜單。

4　結(jié)論

本文基于Qt類庫(kù)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的MIT-BIH心電數(shù) 據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的讀取、檢索、數(shù)據(jù)斷面的截取保存。同時(shí)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后，心電數(shù)據(jù)作為信號(hào)源輸出到心電監(jiān)護(hù)設(shè)備，用于計(jì)算機(jī)仿真和心電算法的驗(yàn)證，彌補(bǔ)了臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足的缺陷，在醫(yī)學(xué)研究中將有廣闊的應(yīng)用前景。

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