基于labview的心電信號分析

摘 要：當今社會，心血管疾病是發(fā)病率和死亡率最高、對人類生命威脅最大的疾病。對生物醫(yī)學(xué)信號進行處理是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。心電信號（ECG）記錄了胸部電極上的電位（或兩個電極之間的電位差），反映了心肌中的時變電活動，而這些電活動與動作電位的產(chǎn)生和傳播相關(guān)。使用labview和相關(guān)工具，如高級信號處理箱（ASPT）和數(shù)字濾波器的設(shè)計工具箱（DFDT）等，能完成兩個階段的信號處理應(yīng)用，包括消除基線漂移、消除噪聲，QRS綜合波檢測、胎兒心率監(jiān)測等，這也是本論文的主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；心電信號

中圖分類號：TP274.2

虛擬儀器分成信息的采集傳輸和信息的分析處理兩部分。本文不涉及信息采集，心電信息來源于MIT的ECG數(shù)據(jù)庫，只利用軟件平臺LabVIEW讀取ECG庫中的心電信號并對其進行分析處理，研究如何通過LabVIEW高效實現(xiàn)心電信號的分析，將心電儀器的功能在計算機上完成，為虛擬儀器的實現(xiàn)打下軟件基礎(chǔ)。

1 虛擬儀器的概述

虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機的儀器。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標/連接器。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。圖標/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應(yīng)。

2 Labview簡介

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源代碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶能夠快捷地構(gòu)筑自己在實際應(yīng)用中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。LabVIEW的核心是VI。VI有一個人機對話的用戶界面，即前面板（FromPanel）和類似于源代碼功能的程序圖（Diagram）。前面板接收來自程序圖的指令。在VI的前面板中，輸入控件（Controls）模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的程序圖，而顯示控件（Indicators）模擬了儀器的輸出裝置并顯示由程序圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當把一個輸入控件或顯示放置到前面板上時，LabVIEW在程序圖中相應(yīng)地放置了一個端El（Terminals），這個從屬于輸入控件或顯示控件的端口不能隨意刪除，只有刪除它對應(yīng)的輸入控件或顯示控件時它才隨之一起被刪除。

3 心電信號分析的設(shè)計

3.1 心電信號預(yù)處理

20世紀60年代中期形成的一系列數(shù)字信號處理的理論和算法，如數(shù)字濾波器、快速傅立葉變換（FFT）等是信號數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信號處理取得了重大進展。對采集到的信號進行處理，除了傳統(tǒng)的時域分析之外，各種各樣的變換發(fā)揮了重要作用。心電信號預(yù)處理主要包括消除基線漂移、消除噪聲等等。在這些噪聲中基準漂移是最為重要的，可以強烈地影響心電信號分析。除了這種噪聲，其它噪聲由于可能是寬頻帶的且復(fù)雜的隨機過程，也會使心電信號失真。基準漂移和其它寬帶噪聲通過硬件設(shè)備很難抑制。而軟件設(shè)計則成為更為強大而可行的心電信號處理方法。我們可以使用以下方法來消除基準漂移和其它寬帶噪聲。

3.1.1 消除基線漂移

由于ECG信號和絕大多數(shù)的生物醫(yī)學(xué)信號一樣，都是信噪比很低的微弱信號，往往混有很強的背景噪聲，主要的噪聲為工頻干擾、肌電干擾、基線漂移等等，在各類噪聲中對信號影響最大的是基線漂移。因此，在ECG預(yù)處理過程中，最先要處理的就是消除基線漂移?；€漂移是一種緩慢地低頻信號。為消除基線漂移的干擾，常用的方法是利用高通濾波器和小波變換。可以用高通濾波器消除基線漂移，因為利用小波變換的實時性不好。高通濾波器的作用是去除信號中交大的值，得到只含有基線漂移的趨勢項信號，它與原始信號疊加，消除了原始信號中基線漂移的部分。

3.1.2 消除基線漂移方法：消除噪聲

在消除了基準漂移后，得到的心電信號比原來的信號更加清晰和穩(wěn)定。但是，其它類型的噪聲仍然會影響心電信號的特征提取。這些噪聲是寬頻帶的復(fù)雜隨機過程，所以不能使用傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器。為了消除寬帶噪聲，需要使用Wavelet Denoise Express VI。這種Express VI首先應(yīng)用小波變換將心電信號分解到各個子帶，然后利用閾值或收縮功能調(diào)整小波系數(shù)，最后重建出消除噪聲后的信號。下圖顯示了對心電信號使用非抽樣小波變換（UWT）的實例。UWT相比于離散小波變換（DWT），在平滑度和精度之間有著更好的折中。

3.2 特征提取

在心電信號中檢測R峰值和QRS綜合波，可以提供關(guān)于心率、傳導(dǎo)速度、心臟內(nèi)各種組織狀態(tài)和各種異常情況的信息。它為心臟疾病的診斷提供依據(jù)，所以在心電信號處理領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。但是，噪聲和隨時間變化的形態(tài)使得檢測非常困難。為了診斷，需要從預(yù)處理后的心電數(shù)據(jù)中提取各種特征，包括QRS波間隔、QRS波幅度、PR間隔、ST間隔、胎兒心率等。

3.2.1 QRS綜合波檢測

QRS綜合波代表全部心室肌除極過程的綜合波群。典型的QRS綜合波包括3個緊密相連的波群。第1個向下的波，稱Q波或q波；第1個向上的波，稱R波或r波；R波之后向下的波，稱S波或s波。QRS波反映的是心室除極的全過程，可供了解心室肌和傳導(dǎo)系統(tǒng)的情況。

R波：R波有一定的規(guī)律性，在胸前導(dǎo)聯(lián)上呈一個遞增的形態(tài)，由V1、V2到V5、V6方向振幅逐漸增高，遞增不良可見于正常人，也可見于前壁心肌梗死、左室肥厚、心肌病及肺心病。臨床上比較常見到的是心室肥大，表現(xiàn)為R波異常增高，具體要怎么判斷很專業(yè)也很復(fù)雜哈，如果親感興趣建議查閱相關(guān)的專業(yè)書籍看看。另外，R波在一些傳導(dǎo)阻滯上也有其相應(yīng)的改變哈，比如右束支傳導(dǎo)阻滯時的“兔耳”型或“M”型，室性早搏時的寬大畸形的QRS波群，室速時的寬R波等等，這些都是心律失常的心電圖表現(xiàn)。S波：S波也有其規(guī)律性，與R波相反哈。比較而言，S波沒有Q、R波的意義那么重要哈，反而是其后的ST段及T波在心肌梗死的進展過程中有重要意義哈。ST段的異常壓低和抬高都是心肌缺血、梗死的一個表現(xiàn)哈，具體判斷是缺血還是梗死，還要結(jié)合T波、Q波及臨床表現(xiàn)來判斷。導(dǎo)聯(lián)：心電圖的各個波代表的意義在各導(dǎo)聯(lián)上是相同的哈，不同的是代表的部位。之所以分12個導(dǎo)聯(lián)，是為了從不同的方位和角度去了解心臟不同部位的心電活動，從而了解其功能，這一點在判斷心梗部位上尤為重要。心臟有4個腔組成，2個心房2個心室，所以就有不同的壁，通過不同導(dǎo)聯(lián)上的心電圖改變可以初步判斷心梗的部位是在心臟的哪個壁上，以及是哪根血管堵塞所致的梗塞。

3.2.2 胎兒心電信號檢測

胎兒心電圖（FECG）可以從孕婦腹部的心電信號（AECG）中得到，并提取出胎兒心率（FHR），它顯示了胎兒的心臟狀態(tài)。我們將使用如下兩種方法提取胎兒心率：獨立分量分析（ICA）和自適應(yīng)濾波。

（1）ICA簡介

ICA是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新的信號處理技術(shù)，它是從多維統(tǒng)計數(shù)據(jù)中找出隱含因子或分量的方法。從線性變換和線性空間角度，源信號為相互獨立的非高斯信號，可以看作線性空間的基信號，而觀測信號則為源信號的線性組合，ICA就是在源信號和線性變換均不可知的情況下，從觀測的混合信號中估計出數(shù)據(jù)空間的基本結(jié)構(gòu)或者說源信號。

（2）ICA原理

ICA方法用于從多通道觀測中重建出獨立的隱含信號。假設(shè)觀測量X是源信號S的疊加，可以寫成：X=AS其中，A表示混合矩陣。信號S的統(tǒng)計獨立性假設(shè)，允許從觀測量X中估計出兩個未知量S和A。這里，孕婦的心電信號和胎兒的心電信號可以作為獨立分量，也就是S的一部分，而8條通道的心電信號測量記錄組成X。通過ICA方法，能夠獲得S的估計，這就意味著可以獲得孕婦和胎兒的心電信號。

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作者簡介：魏萍（1972-），女，陜西咸陽人，講師，教師。

作者單位：陜西燎原航空工業(yè)技工學(xué)校，陜西漢中 723313