韓守謙　蔣偉林　馮凌杰

摘要：在LabVIEW圖形化的編程環(huán)境下，利用MIT-BIH生理信號數(shù)據(jù)庫和LabVIEW的各種控件，實現(xiàn)對心電信號的采集讀取、濾波、保存和回放。通過改進普通閾值法，利用“雙閾值+校正閾值”的方法實現(xiàn)自動實時計算心率，對異常心電給予報警提示。同時，本系統(tǒng)設置了眾多交互按鈕，使得此心電監(jiān)護系統(tǒng)功能多樣、人機界面簡潔友好、操作方便。

關(guān)鍵詞：心電信號；虛擬儀器；虛擬心電監(jiān)護儀；LabVIEW

前言

當今心臟病已成為威脅人類健康最嚴重的疾病之一，因此需要一種能夠連續(xù)記錄或者智能記錄并分析心臟活動的心電監(jiān)護系統(tǒng)，對患者進行實時監(jiān)護。至今心電監(jiān)護技術(shù)經(jīng)過40年的臨床實踐和技術(shù)發(fā)展，其監(jiān)護內(nèi)容和儀器技術(shù)有了相當?shù)陌l(fā)展。目前國內(nèi)外心電監(jiān)護的發(fā)展呈現(xiàn)出模塊化設計、長時數(shù)據(jù)保存、低功耗小型化、網(wǎng)絡信息化趨勢。理論和技術(shù)的不斷發(fā)展也為心電監(jiān)護的進一步研究創(chuàng)造了條件。

LabVIEW是一種基于圖形編程語言－G語言的可視化開發(fā)平臺，多被應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。鑒于實際心電監(jiān)護儀難以普及和虛擬儀器的強大優(yōu)勢，我們采用LabVIEW的開發(fā)環(huán)境、設計了虛擬心電監(jiān)護儀系統(tǒng)，實現(xiàn)了對心電信號進行采集讀取、濾波、保存和回放，自動計算心率并對異常心電給予報警。此心電監(jiān)護儀可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)保存，而且操作界面簡潔友好，便于掌握。

心電監(jiān)護系統(tǒng)

此心電監(jiān)護系統(tǒng)采用模塊化設計，包括讀取模塊、濾波模塊、保存和回放模塊、心率計算和異常報警模塊，各模塊間的關(guān)系如圖1所示。我們采用的數(shù)據(jù)取自心電數(shù)據(jù)庫、不需濾波，因此略去濾波模塊；其中“雙閾值+校正閾值”的設計方法包含在心率計算與異常報警模塊中，引入校正閾值的目的是為了“放大”心電的某些波段，針對性的檢測某些心臟疾病。

系統(tǒng)子模塊的實現(xiàn)

讀取模塊

獲取心電信號有三種主要方式：數(shù)據(jù)采集卡現(xiàn)場采集：軟件仿真心電信號；從數(shù)據(jù)庫中讀取。鑒于開發(fā)成本和真實性，我們采用最后一種方法。

我們采用著名的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫，其心電數(shù)據(jù)由.atr.dat.hea三種文件描述。我們采用LabVIEW腳本接口控件MATLAB Script Node，利用讀取心電數(shù)據(jù)的MatLab程序rddata.m，讀取心電信號，輸出心電波形。

濾波模塊

心電信號總是存在各種干擾，如工頻干擾、基線飄移、肌電干擾等，噪聲嚴重時可完全淹沒ECG(心電)信

號，因此必須消除噪聲，對心電信號進行濾波處理。

由于本設計采用的心電數(shù)據(jù)基本不需濾波處理，故這里的濾波是為校正閾值而設計的特殊處理模塊。我們選用的是平滑濾波器，它能很好地濾除心電信號中混雜的高頻噪聲信號。

保存和回放模塊

本模塊是以“寫入測量文件”和“讀取測量文件”控件為核心，輔以“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”控件，可以實現(xiàn)心電異常時自動保存以及有選擇地回放，可以在8道(可增刪)心電通道間任意切換，也可以選擇保存的文件類型。

這里，“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”控件的運用體現(xiàn)了LabVIEw數(shù)據(jù)流編程的思想。即每個控件都是對數(shù)據(jù)流進行操作，但作用的數(shù)據(jù)類型不同，其間通信必須先轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型。

心率計算和心電異常報警模塊

此模塊是虛擬心電監(jiān)護儀的核心，也是用戶最關(guān)心的功能模塊。目前ECG自動檢測技術(shù)的研究主要集中在QRS波，P波和T波檢測，ST段檢測等方面，QRS波檢測是ECG檢測中的首要問題。

QRs波群檢測方法有閾值法、面積法、幅值法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、模式匹配法等。面積法和幅值法易受到噪聲干擾。后幾種方法較為復雜，運算量大且計算速度較慢，不適用于實時處理系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)采用的是改進的閾值法，可以概括為“雙閾值+校正閾值”。心電異常報警就是根據(jù)雙閾值和校正閾值的檢測數(shù)據(jù)，利用布爾運算判斷分析，結(jié)果送前面板顯示。

此方法的設計原理和思想與普通閾值法相似，即以檢測QRs波波峰的個數(shù)作為計算心率的依據(jù)，不同的是，此法采用雙閾值，利用“波峰峰值檢測”控件，設置兩個不同的波峰檢測閾值，一個閾值較大，用于檢測R波：一個閾值較小，用于檢測過強的T波和R波(本系統(tǒng)的檢測閾值可以在前面板中設置)，得到兩個檢測心率，然后利用比較、布爾運算，分析心電信號的異常情況并適時報警。針對心電的某些特征信號、這里設計了校正閾值算法，用于特定心電異常的檢測(如高頻噪聲干擾，可以選用平滑濾波器，設置合適閾值，校正檢測心率)。

此算法優(yōu)點是計算量小，實時性好，便于在線分析；開放性強，可以擴展檢測閾值數(shù)量，提高分析的可信度；可以根據(jù)需要設置校正閾值。此法缺點是手動設定閾值，可以添加自學習模塊加以改進，利用自學習算法可實現(xiàn)。

“雙閾值”法可以解決普通閾值法中存在的幅度大的T波誤檢或低壓的QRS波被漏檢情況，而“校正閾值”能夠解決噪聲干擾造成的心率誤檢等(取決于校正算法)?？傊c普通閾值法相比，該算法極大地提高了系統(tǒng)的抗噪能力，并減低了誤判率。當然，可以根據(jù)需要，增加閾值檢測數(shù)目、以及采用其它校正算法，使其不僅僅局限于校正噪聲干擾造成的心率誤檢。

該心電監(jiān)護系統(tǒng)的前面板和程序框圖分別見圖2和圖3。

結(jié)語

本文闡述了基于LabVIEW的虛擬心電監(jiān)護系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)用戶界面友好、使用方便，充分發(fā)揮了LabVIEW的優(yōu)勢；本心電監(jiān)護儀實現(xiàn)了心電信號讀取、濾波、保存和回放，并且可以自動保存異常數(shù)據(jù)，實時報警和簡易的心電分析。