虛擬心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)和LabVIEW的各種控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的采集讀取、濾波、保存和回放。通過(guò)改進(jìn)普通閾值法，利用“雙閾值+校正閾值”的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算心率，對(duì)異常心電給予報(bào)警提示。同時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)置了眾多交互按鈕，使得此心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)功能多樣、人機(jī)界面簡(jiǎn)潔友好、操作方便。

關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；虛擬儀器；虛擬心電監(jiān)護(hù)儀；LabVIEW

前言

當(dāng)今心臟病已成為威脅人類(lèi)健康最嚴(yán)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(dòng)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。至今心電監(jiān)護(hù)技術(shù)經(jīng)過(guò)40年的臨床實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展，其監(jiān)護(hù)內(nèi)容和儀器技術(shù)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外心電監(jiān)護(hù)的發(fā)展呈現(xiàn)出模塊化設(shè)計(jì)、長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)保存、低功耗小型化、網(wǎng)絡(luò)信息化趨勢(shì)。理論和技術(shù)的不斷發(fā)展也為心電監(jiān)護(hù)的進(jìn)一步研究創(chuàng)造了條件。

LabVIEW是一種基于圖形編程語(yǔ)言－G語(yǔ)言的可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，多被應(yīng)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(shí)際心電監(jiān)護(hù)儀難以普及和虛擬儀器的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，我們采用LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境、設(shè)計(jì)了虛擬心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采集讀取、濾波、保存和回放，自動(dòng)計(jì)算心率并對(duì)異常心電給予報(bào)警。此心電監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)保存，而且操作界面簡(jiǎn)潔友好，便于掌握。

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

此心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括讀取模塊、濾波模塊、保存和回放模塊、心率計(jì)算和異常報(bào)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(kù)、不需濾波，因此略去濾波模塊；其中“雙閾值+校正閾值”的設(shè)計(jì)方法包含在心率計(jì)算與異常報(bào)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(duì)性的檢測(cè)某些心臟疾病。

系統(tǒng)子模塊的實(shí)現(xiàn)

讀取模塊

獲取心電信號(hào)有三種主要方式：數(shù)據(jù)采集卡現(xiàn)場(chǎng)采集：軟件仿真心電信號(hào)；從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取。鑒于開(kāi)發(fā)成本和真實(shí)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(kù)，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(hào)，輸出心電波形。

濾波模塊

心電信號(hào)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(yán)重時(shí)可完全淹沒(méi)ECG(心電)信

號(hào)，因此必須消除噪聲，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

由于本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)中混雜的高頻噪聲信號(hào)。

保存和回放模塊

本模塊是以“寫(xiě)入測(cè)量文件”和“讀取測(cè)量文件”控件為核心，輔以“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”控件，可以實(shí)現(xiàn)心電異常時(shí)自動(dòng)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(lèi)型。

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

心率計(jì)算和心電異常報(bào)警模塊

此模塊是虛擬心電監(jiān)護(hù)儀的核心，也是用戶(hù)最關(guān)心的功能模塊。目前ECG自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在QRS波，P波和T波檢測(cè)，ST段檢測(cè)等方面，QRS波檢測(cè)是ECG檢測(cè)中的首要問(wèn)題。

QRs波群檢測(cè)方法有閾值法、面積法、幅值法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜，運(yùn)算量大且計(jì)算速度較慢，不適用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)采用的是改進(jìn)的閾值法，可以概括為“雙閾值+校正閾值”。心電異常報(bào)警就是根據(jù)雙閾值和校正閾值的檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用布爾運(yùn)算判斷分析，結(jié)果送前面板顯示。

此方法的設(shè)計(jì)原理和思想與普通閾值法相似，即以檢測(cè)QRs波波峰的個(gè)數(shù)作為計(jì)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(cè)”控件，設(shè)置兩個(gè)不同的波峰檢測(cè)閾值，一個(gè)閾值較大，用于檢測(cè)R波：一個(gè)閾值較小，用于檢測(cè)過(guò)強(qiáng)的T波和R波(本系統(tǒng)的檢測(cè)閾值可以在前面板中設(shè)置)，得到兩個(gè)檢測(cè)心率，然后利用比較、布爾運(yùn)算，分析心電信號(hào)的異常情況并適時(shí)報(bào)警。針對(duì)心電的某些特征信號(hào)、這里設(shè)計(jì)了校正閾值算法，用于特定心電異常的檢測(cè)(如高頻噪聲干擾，可以選用平滑濾波器，設(shè)置合適閾值，校正檢測(cè)心率)。

此算法優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，便于在線分析；開(kāi)放性強(qiáng)，可以擴(kuò)展檢測(cè)閾值數(shù)量，提高分析的可信度；可以根據(jù)需要設(shè)置校正閾值。此法缺點(diǎn)是手動(dòng)設(shè)定閾值，可以添加自學(xué)習(xí)模塊加以改進(jìn)，利用自學(xué)習(xí)算法可實(shí)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(dāng)然，可以根據(jù)需要，增加閾值檢測(cè)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(hù)系統(tǒng)的前面板和程序框圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

結(jié)語(yǔ)

本文闡述了基于LabVIEW的虛擬心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)用戶(hù)界面友好、使用方便，充分發(fā)揮了LabVIEW的優(yōu)勢(shì)；本心電監(jiān)護(hù)儀實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)讀取、濾波、保存和回放，并且可以自動(dòng)保存異常數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)報(bào)警和簡(jiǎn)易的心電分析。