基于LabVIEW心电信号的采集与分析系统

研究论著　基于ＬａｂＶＩＥＷ心电信号的采集与分析系统　王步青　王卫东　（解放军总医院北京市　１００８５３）　摘要提出了一种基于ＬａｂＶＩＥＷ的心电信号的实时采集与分析系统。该系统可以实现实时地进行心电信号的采集显　示、瞬时心率和平均心率的计算等功能。此方案实现简单，并可根据用户的需要方便地进行功能的修改和扩充关键词ＬａｂＶＩＥＷ；心电信号；Ｒ波；声卡；瞬时心率；平均心率；虚拟仪器　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—８８６８１２００６１１０—００２６—０３　中图分类号：ＴＨ７７２￣．２；ＴＰ３９１．９　Ａｎ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＥＣＧ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ＷＡＮＧ　Ｂｕ—ｑｉｎｇ．ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ　（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　００８５３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａ　ｒｅａｈｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＥＣＧ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒＴｈｉｓ　ｒｅａｈｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｏｆ　ＥＣＧ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩｎｓｔａｎｔａｎｅＯｕＳ　Ｈｅａｒｔ　Ｒａｔｅ（ＩＨＲ）ａｎｄ　ｔｈｅ　Ａｖｅｒａｇｅ　Ｈｅａｒｔ　Ｒａｔｅ（ＡＨＲ）．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｅａｓｉｌｙ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｕｓｅｒ　ｃａｎ　ｍｏｄｉｆｙ　ａｎｄ　ａｄｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｈｉｓ　ｎｅｅｄｓ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｄｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＬａｂＶＩＥＷ；ＥＣＧ；Ｒ—ｗａｖｅ；ｓｏｕｎｄ　ｃａｒｄ；Ｉｎｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｈｅａｒｔ　Ｒａｔｅ　（ＩＨＲ）；Ａｖｅｒａｇｅ　Ｈｅａｔｒ　Ｒａｔｅ（ＡＨＲ）；ｖｉｔｒｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　１　引言　器系统采用声卡作为数据采集卡，用ＬａｂＶＩＥＷ完成虚拟仪　器系统的各个功能．运用基于差分法的Ｒ波提取方法来计算　心率．实现简单方便。　２　ＥＣＧ信号中的心率计算原理　心血管系统电信号简称心电信号（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｓｉｇｎａ１．　ＥＣＧ），它反映了心脏激动的电学活动，是生命特征信息的反　映。ＥＣＧ作为一种信号的时间标志，它的各种参数信息，如Ｒ波　幅度、ＲＲ间期等都具有重要的临床意义。　计算机技术的发展为人们从事心电学研究和进行临床诊　实时准确的心率检测在病人监控、临床治疗等方面都有　着广泛的应用。心率测量包括瞬时心率（Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｈｅａｒｔ　Ｒａｔｅ，ＩＨＲ）测量和平均心率（Ａｖｅｒａｇｅ　Ｈｅａｒｔ　Ｒａｔｅ，ＡＨＲ）测量。　瞬时心率不仅能够反映心率的快慢，同时能反映心率是否匀　齐。平均心率虽只能反映心率的快慢，但记录方便。因此这２个　参数在测量时都是必要的。　断提供了现代化的手段。应用计算机分析心电信号，已经越　来越广泛地应用于诸如心脏的功能检查（￣ＩＨｏｈｅｒ系统）、心血　管疾病的诊断与预防以及心电监护等多方面。将传统心电仪　器的信号分析和处理、结果表达和输出等功能由计算机完成，　可大大提高诊断效率．因此计算机化心电信号自动测量已经　成为未来的发展趋势。　心率是人体最重要的生理参数之一．可以从心电信号的Ｒ　波中提取出来。因此Ｒ波的检测成为提取心率的首要问题。　经过几十年的发展，Ｒ波的检测已经有许多成熟的方法．例如　滤波器法、小波变换法、神经网络法等，它们都具有各自的优　缺点．可根据不同的实际需要进行选择。　虚拟仪器是一种新兴的构造仪器技术．它利用计算机　强大的计算能力和丰富的软硬件资源来组织仪器系统，实　现具有传统仪器功能的计算机化仪器。本文提出了一种基　于虚拟仪器技术的简单采集分析系统，包括：（１）利用声卡　本系统首先将心电信号转换为同周期的方波信号，通过求　解方波信号的周期获得心电信号的周期。　ｆ１１瞬时心率的计算：先测量二相邻Ｒ波间的时间（即心率　周期），再将它转换为每分钟的心跳数。设心率周期为Ｔ秒，则　瞬时心率的计算公式为ＩＨＲ＝６Ｏ厂Ｉ＇。　ｆ２）平均心率的计算：设时间Ｌ内心跳了Ｎ个周期，则平均　心率的计算公式为：ＡＨＲ＝６０（Ｎ／Ｌ）。　３实现方案和结果　３．１　５０Ｈｚ陷波器　实际的心电信号中都混有５０Ｈｚ的工频干扰，给Ｒ波的检测　带来困难。所以，在检波前．要进行信号滤波预处理，以尽量减　从心电信号发生器采集心电数据；（２）心电信号的实时显　示；（３）瞬时心率的实时计算；（４）平均心率的计算及异常报　警（ＡＨＲｄ＇于６０或大于１２０时红色报警灯亮）；（５）采集的心　电数据分别以ｗａｙ、ｄａｔ和ｔ］（ｔ格式进行文件存储的功能。本仪　作者简介：王步青，硕士研究生，主要从事医学信号处理方面的研究；王　少噪声的ｆ扰，提高信噪比和检波率　早先消除工频干扰的方法是用截止频率低于工频的线性　低通滤波器。这种方法的主要缺点是破坏了ＥＣＧ中有用的高　频信号成分。随着人们对心电频谱认识的深入，为了在消除工　频干扰的同时能尽可能地保留ＥＣＧ中有医疗诊断价值的高频　卫东，博士，主要从事生物医学工程研究、开发和教学　作。　信息．就出现了用陷波器代替低通滤波器来消除工频干扰的　，）　医疗卫生装备－２００６年第２７卷第１０期　Ｖ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ＭｅｄｉｃａＩ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ·２Ｏ０６　Ｖ０１．２７　ＮＯ　１０　维普资讯 http://www.cqvip.com

研究论著一　曩曩曩丽　处理方法。　采样率：ｆｎ，陷波：Ｏ）ｏ，３ｄＢ截至频率：，Ｉ’．÷。　这里介绍２个陷波器。　（１）５０Ｈｚ基频数字陷波器　：　采样频率２００Ｈｚ；［￣５０Ｈｚ。用Ｍａｔｌａｂ作它的幅相频　特性曲线如图１（ｂ）所示。由幅相频特性曲线可见，此滤波器具　－２　此陷波器的一般传输函数为　Ｈ（ｚ）＝０．５ｘ　－Ｉ　有５０Ｈ　及其各次谐波分量的陷波功能，在通带内增益较为平　１－ｔａｎ（ＢⅥｒ／２）　１一Ｂ（１＋　）ｚ　ｚ　ｐ＝ｃ０ｓ（ｏｎ　＿¨　’　直并具有近似线性的相频特性，可根据需要使用其进行滤波　处理。　３．２　Ｒ波识别　其中，【ｏ屉归一化数字陷波频率，ＢＷ是归一化数字３ｄＢ带宽。　选取一定的参数可以看到此陷波器的特性曲线。例如：取　心电信号中的Ｒ波具有：（１）斜率变化大；（２）幅值大的特　采样频率２００　Ｈｚ；陷波频率５０Ｈｚ；３ｄＢ带宽１Ｈｚ，则在Ｍａｔｌａｂ中　做出它的幅、相频特性曲线如图１（ａ）所示。　由幅相频特性曲线可见，除了在陷波点处有极大的衰减　外．整个通带增益直平，过渡带非常窄。而相频曲线中通带内　频率的群时延为０，因此这个陷波器的特性很理想。　ｆ２）工频及其各次谐波的数字陷波器：　有时ＥＣＧ信号中不仅混有５０Ｈｚ的基频信号，而且常常会　混有其各次谐波分量成分，下面的陷波器就可以很好的解决　这个问题。　此陷波器的一般传输函数为：　二阶５０Ｈｚ陷波滤波器的幅、相频特征曲线　０　２０ｏ一　胃堋。　釜－６ｏｏ　￣　。。０…２　０。。４Ｏ一盎　８０—１０—０　１赫…１４０　—１６—０　１　…２００　频率（Ｈｚ）　２　一　…　ｒ　ｒ　一…一　一　…一一一　一　基　、　一、　２　Ｌ　Ｌ　Ｌ　…　Ｌ，　Ｌ　ｉ一　０　２０　４０　６０　８０　１００　１２０　频率（Ｈｚ）　图１（ａｌ　５０Ｈｚ陷波器的幅相频曲线　滤除５０Ｈｚ基波和整数倍谐波滤波器的幅相频特性曲线　２０　００　－２０　４０．．　馨一６０　８０　１　Ｏ　４０　６０　８０　１００　１２０　１４０　１６０　１８０　２００　频率（Ｈｚ）　１　２　Ｏ　２０　４０　６０　８０　１０ｏ　１２０　１４０　１６０　１８０　２００　频率（Ｈｚ）　图１（ｂｌ　各次谐波陷波器的幅相频曲线　征。Ｒ波识别大都是利用其不同于其它波和噪声的特征来实现　的　基于差分的滤波器法、小波变换法、滤波器组法、神经网络　法等都是常用的检测方法［２１。　基于差分的滤波算法实际是通过设计数字滤波器，来提　高ＱＲＳ波的份量，使ＱＲＳ波群到来时输出一个能代表Ｒ波在时　间轴上大致位置的脉冲信号。当信号频谱和噪声频谱不混叠　时此方法具有算法简单、速度快、检测率较高的特点，因而非　常适合实时处理。　Ｒ波幅度阈值法实现简单，但在出现大Ｔ波时容易出　错。应用Ｒ波变化急陡特征的二阶差分算法虽可以较好地　克服大Ｔ波的影响，但是易受高频肌电和伪迹的影响。基于　阶、二阶导数综合运算的检测法，突出了ＱＲＳ波群上升速　率变化最快的地方，并且可以反映出ＱＲＳ波群的宽度信息，　它对高频随机噪声不太敏感，并可以减少由于Ｔ波具有更　多高频分量而引起的假阳性。因此，鉴于以上考虑，为了最　大程度地抑制各种干扰和波形可能带来对判决产生的影　响，提高检测率，本文提出了综合上述３个方法的检测思　路，如图２所示。　阈值　一　与　与心电　陷波带通后的信号　ｑ－、二阶差分的线性组合卜＿．｛周期方　信号２卜一．　运’　周期方　周期的　信号同　算　波信号　图２实现Ｒ波大致定位的算法框图　下面将对算法的实现原理做具体说明。　３＿２．１　幅度阈值分支　基于Ｒ波的高尖峰值的波形特征来初步定位Ｒ波。　３．２．２二阶差分分支　（１）采用形如Ｙ（Ｎ）＝ｘ（Ｎ）一２Ｘ（Ｎ一１）＋ｘ（Ｎ一２）的二阶差分方程　对信号进行高通滤波。差分处理前后的波形如图３所示。　图３心电信号与其二阶差分信号　由上图可见，二阶差分的最小值点大致对应于原始信号　医疗卫生装备·２００６年第２７卷第１０期，）－７　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ＭｅｄｉｅａＩ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｍａｌ·２００６　Ｖｏｌｌ２７　Ｎ０．１０‘－／　维普资讯 http://www.cqvip.com

研究论著　的Ｒ波的顶点，通过计算可知它们在时间上只存在　个单位采样点的延迟，对于有较高采样频率的　系统，这个较小的时间延迟对于Ｒ波的定位带来的　影响是可以忽略的　（２）阈值的计算　将前１０ｓ的二阶差分后的数据分为５段对各　段求极小值（心率范围是６０～２００Ｒ／ｍｉｎ，ＱＲＳ波群　周期为Ｏ．３￣１ｓ，故２ｓ内至少存在一个ＱＲＳ波）取５　个值的平均值后乘以经验系数Ｏ．８，即确定了二阶　差分的阈值　（３）周期方波的形成　图５系统前面板　将二阶差分信号与上述阈值比较，就得到了　初步定位Ｒ波的同周期方波信号。　３．２．３一二阶差分的线性组合分支　（１）一二阶差分的线性组合方法是基于如下　的差分方程：　Ｙ（Ｎ）＝ＡＢＳ［Ｘ（Ｎ）一Ｘ（Ｎ一１）］ｘｃ￣＋ＡＢＳ『Ｘ（Ｎ）一　２Ｘ（Ｎ一１）＋Ｘ（Ｎ－２）］ｘ１３，其中：　＝１．１，１３＝１．５　为了测试此算法抗肌频的干扰能力，将心电　信号中加入均值为０，方差为１的高斯噪声模拟肌　电十扰，然后做如上的差分处理，处理前后波形如　图４所示。　然后通过与二阶差分相似的阈值方法将信号　也转化成另外一个可以确定Ｒ波大致定位的周期　图６系统程序框图　方波信号。　基于软件的虚拟仪器与可实现相同功能的传统硬件仪器　相比，它的突出优点就是极高的性价比，它顺应了当前测试分　析仪器的发展趋势，体现了“仪器功能用户自定义”和“软件就　是仪器”的设计思想，为低成本下构建用户自定义仪器提供了　种思路，随着计算机技术、通信技术、信息技术的发展在未　此外，为增强系统的实用性和通用性，系统还存在尚需　来会具有更大的发展空间。　图４带肌电干扰的心电信号的差分处理前后波形　改进的几个地方。本系统采用Ａｇｉｌｅｎｔ　３３２２０Ａ信号发生器产　生的心电信号来模拟人体心电信号，为了提高虚拟仪器的　实际应用价值，今后可以通过搭建实际心电信号的采集硬　件电路实现从人体表面采集信号来提高虚拟仪器的实际应　用价值　在Ｒ波的检测算法中，使用的是固定阈值，为了提高程序　的可移植性，可进一步研究可变阈值的实现方法。　参考文献　１刘益成，孙祥娥．数字信号处理．第３版．北京：电子工业出版社，　２００４．１８５～１８７　３．２．４最后通过３个带有Ｒ波位置信息方波的求逻辑与运算　通过求逻辑与运算可以最大限度地排除各种干扰后。将　心电信号转化成与Ｒ波同周期的方波信号。　３．３系统虚拟前面板及程序框图圈　在程序中，直接采用Ａｇｉｌｅｎｔ　３３２２０Ａ信号发生器产生的心　电信号通过声卡进入计算机作为输入信号。因此在程序中没　有加入滤波环节。最终实现的虚拟仪器系统前面板及其程序　框图分别如图５和图６所示。　４结束语　本文给出了利用声卡和ＬａｂＶＩＥＷ构建的心电信号实时采　集、显示和分析的虚拟仪器系统。主要依靠一台电脑由用户自　己编制功能程序就能实现一个集信号采集、分析、显示、存储　于一体的虚拟仪器。这种基于虚拟仪器的仪器系统构建思　想，对于工程测试测量以及科研实验都有一定的参考和应用　价值。　２温凌峰，孟兆辉．ＱＲＳ波群检测方法的新进展ｆＭ】．国外医学生物医　学ｌＴ程分册，２００１，２４（５）：１９３～１９５　３雷振山．ＬＡＢＶＩＥＷ７　ＥＸＰＲＥＳＳ实用教程．北京：中国铁道出版社．　２００４．１５～４７　（２００６—０５—０８　收稿２００６—０９—１０修回）　Ｑ医疗卫生装备·２００６年第２７卷第１０期　‘一ｕ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ·２００６　Ｖｏ１．２７　ＮＯ　１０