基于Qt設計心電信號管理系統(tǒng)

李琳琳山東協(xié)和學院機電工程學院

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基于Qt設計心電信號管理系統(tǒng)

李琳琳
山東協(xié)和學院機電工程學院

針對目前心電信號研究缺少臨床試驗數(shù)據(jù)的情況，本文提出了使用國際公認的可作為標準的心電數(shù)據(jù)庫作為心電算法的輸入，并為心電監(jiān)護類系統(tǒng)和便攜式心電監(jiān)護儀等提供測試信號源。本文采用跨平臺的C++應用程序開發(fā)框架Qt來實現(xiàn)系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅應用于PC機，還可應用于便攜式心電監(jiān)護儀，識讀的心電信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，模擬實際臨床采集到的信號，提供給心電監(jiān)護系統(tǒng)進行仿真實驗。

Qt雙緩沖技術 D/A轉(zhuǎn)換 MIT-BIH 多線程 跨平臺

近年來心臟疾病已成為威脅人類生命安全的頭號疾病。由于其無先兆、發(fā)展迅速、危險性高，對患者的危害極大，因此心臟病的預防和診斷已成為目前國內(nèi)外醫(yī)學界的重要課題。近年來隨著室速/室顫的識別、LOWNS分類、HRV、QT、QTd、TWA等 理論檢測算法的完善，為心電監(jiān)護系統(tǒng)的研制打下了基礎。由于研制心電檢測儀需要心電樣本信號，而臨床的實驗數(shù)據(jù)很難采集，所以在理論研究階段， 一般采用國際公認的標準心電數(shù)據(jù)庫作為樣本信號。目前標準的心電數(shù)據(jù)庫主要有美國麻省理工學院提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫，美國心臟學會的AHA數(shù)據(jù)庫以及歐洲心電數(shù)據(jù)庫。本文采用Qt設計語言，實現(xiàn)心電信號管理系統(tǒng)，讀取MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的心電信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，可直接輸出到心電監(jiān)護設備中，用于心電檢測算法的驗證。同時可在上PC機實現(xiàn)心電信號的實時回放、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)庫數(shù)據(jù)可免費獲得，應用最為廣泛。該數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是臨床中采集的模擬信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。臨床信號選取的樣本很豐富， 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個記錄組成，每個記錄時間是30 分鐘，每個記錄由三個文件組成：頭文件（擴展名 為.hea），數(shù)據(jù)文件（擴展名為.dat），注釋文件（擴展 名為.atr），頭文件標示出與它相關聯(lián)的數(shù)據(jù)文件的名字及其屬性，以ASCII碼方式存儲；數(shù)據(jù)文件以二進制格式存儲心電信號原始數(shù)據(jù)；注釋文件記錄了心電診斷專家對信號分析的結(jié)果。其中包括心跳節(jié)律、信號質(zhì)量等，格式一般有MIT和AHA兩種。

2　基于Qt的關鍵技術實現(xiàn)

本文以C++為軟件編程語言，采用Qt為基礎類庫，實現(xiàn)軟件的設計。Qt是一種跨平臺C++圖形用 戶界面程序開發(fā)框架，也可用于開發(fā)非GUI程序， 比如控制臺工具和服務器。Qt具有良好的跨平臺特性，支持所有的UNIX系統(tǒng)，和windows平臺，在嵌入式移動設備中應用也比較廣泛。Qt是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，具有良好的封裝機制，具有豐富的 API，如Qt提供的圖形視圖框架、模型視圖框架、動畫框架等。本文設計的心電管理系統(tǒng)具有很好的擴展性，不僅可以應用與PC機中用于心電算法仿真的信號管理、查詢和輸入等，還可以移植到l inux系 統(tǒng)應用與便攜式心電監(jiān)護儀，為心電監(jiān)護設備提供信號源。

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）的簡稱，是一種將業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)顯示分離的方法。針對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來代替，delegate被用 來提供對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等類來實現(xiàn)，提供一種類似于Qt model-view的編程。多個views可以監(jiān)視同一個Scene，而場景包含多個具有多種幾何外形的i tems。QGraphicsScene表示QGraphicsView中的場景，為管理大量的2D圖形item提供了一個管理界面，作為items的容器，它配合使用QGraphicsView 使用來觀察i tems。具有如下的功能：為管理大量的 items提供一個快速的接口；傳播事件到每個item；管理i tem的狀態(tài)。通過調(diào)用add Item函數(shù)來將 Items加入到場景中?？梢允褂帽姸嗟牟檎液瘮?shù)來獲取特定的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，它可視化場景中的內(nèi)容?？梢赃B接多個視圖到同一個場景，對這個相同的場景數(shù)據(jù)提供幾個視口。視口部件是一個滾動區(qū)域，它提供了滾動條以對大場景進行瀏覽。如果使用OpenGL，可以調(diào)用QGraphics View：：setViewpor t（）來把一個QGLWidget設為視口。 視圖從鍵盤，鼠標接收輸入事件，在發(fā)送這些事件到場景之前，會對這些事件進行適當?shù)姆g（把事件坐標轉(zhuǎn)換成對應的場景坐標）。QGraphics Item 是場景中圖形items的基類。QGraphicsView提供了一些標準的、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雙緩沖技術繪制心電波形

雙緩沖技術是GUI編程中常用的技術。所謂的雙緩沖就是把需要繪制的控件保存到一個圖像中， 然后在把圖像拷貝到需要繪制的控件上。從Qt4版本開始，所有的窗口部件默認都使用雙緩沖進行繪圖。使用雙緩沖，QWidget能夠自動處理閃爍［6，7］。首先要想把閃爍減弱，需要setBackgroundMode（NoBackground）；設置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)在心電波形實時回放模塊中應用了Qt的雙緩沖技術，實現(xiàn)了無閃爍的波形回放，可以實時查看波形的動畫情況。

2.3多線程技術

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

一、構(gòu)造了一些基本的與平臺無關的線程類；

二、提交用戶自定義事件的Thread-safe方式；

三、多種線程間同步機制，如信號量，互斥鎖。Qt中最重要的線程類是QThread，要開始一個新的線程，需要重新實現(xiàn)QThread：：run（），如果兩個線程同時希望訪問同一個數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行保護是很必要的。QMutex類提供了一個互斥鎖，一個線程鎖定互斥量，并且在它鎖定之后，其它線程就不能訪問鎖定的數(shù)據(jù)，必須等到解鎖后再訪問。 本系統(tǒng)在作為信號源將心電波形輸出到心電監(jiān)護設備，或者輸出到心電算法仿真系統(tǒng)中時，需要實時監(jiān)測心電波形，由此需要兩個線程分別來實現(xiàn)波形輸出和波形監(jiān)測功能，并通過線程間通信實現(xiàn)輸出的波形和監(jiān)測顯示的波形同步。

3　心電管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

心電數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要為心電監(jiān)護設備提供信號輸入，將心電信號輸出到心電監(jiān)護設備中用于算法仿真實驗，并同時對心電信號進行動畫回放顯示，系統(tǒng)可以截取保存一段數(shù)據(jù)用于針對性研究，可以對數(shù)據(jù)進行檢索查看。系統(tǒng)主要包括軟件平臺設計和PC機與硬件的連接輸出。根據(jù)各模塊問相互獨立、視圖數(shù)據(jù)相互分離的設計思想，將軟件劃分為以下幾個部分：數(shù)據(jù)服務層、連接傳輸層和人機交互層。

數(shù)據(jù)服務層為整個系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)操作的基礎支持，從心電數(shù)據(jù)文件中識讀心電數(shù)據(jù)，并調(diào)整格式，為其他模塊提供基礎數(shù)據(jù)，包括心電數(shù)據(jù)與硬件IO及人機視圖之間的交互等；連接傳輸層為外接的心電監(jiān)護設備提供信號源輸出，通過D/A轉(zhuǎn)換將心電數(shù)據(jù)庫中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為臨床應用的模擬信號，應用與心電算法的仿真研究；人機交互層實現(xiàn)靜態(tài)的心電波形檢索，對波形進行整體瀏覽，實現(xiàn)特殊波形的截取和保存，同時實現(xiàn)動態(tài)波形的回放，實時監(jiān)測輸出到心電監(jiān)護設備中的波形狀態(tài)。系統(tǒng)人機界面包括文件、實時回放、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、關閉、另存為、打印等子菜單，通過文件菜單可以選擇心電數(shù)據(jù)文件，解析心電數(shù)據(jù)時遵循h(huán)ea文件、dat文件、at r文件的順序，因此對打開的文件做擴展名的篩選，選擇對話框中只顯示hea文件，避免只選擇了dat或者atr文件造成數(shù)據(jù)解析錯誤。實時回放菜單具有：D/A回放、重新回放和回放暫停等子菜單。在心電信號輸出到心電監(jiān)護設備時，可以通過實時回放來監(jiān)測信號，與心電監(jiān)護設備中的算法仿真結(jié)果進行比對校核。波形檢索菜單實現(xiàn)波形屏幕檢索、數(shù)據(jù)保存和幅度改變。當打開一個心電信號后，即可通過檢索菜單通過調(diào)用心電數(shù)據(jù)在屏幕中靜態(tài)繪制心電波形，可通過滑動條拖動顯示不同時間的數(shù)據(jù)。鼠標左鍵可取得數(shù)據(jù)的起點，右鍵取得數(shù)據(jù)的結(jié)束點，通過起始和結(jié)束時間點截取心電數(shù)據(jù)中的片段數(shù)據(jù)用于重點研究。I/O輸出菜單實現(xiàn)向D/A轉(zhuǎn)換板卡輸出心電數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后再輸出到心電監(jiān)護設備中，下設開始傳送、暫停傳送和終止傳送等子菜單。

4　結(jié)論

本文基于Qt類庫，實現(xiàn)跨平臺的MIT-BIH心電數(shù) 據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了標準數(shù)據(jù)庫文件的讀取、檢索、數(shù)據(jù)斷面的截取保存。同時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，心電數(shù)據(jù)作為信號源輸出到心電監(jiān)護設備，用于計算機仿真和心電算法的驗證，彌補了臨床實驗數(shù)據(jù)不足的缺陷，在醫(yī)學研究中將有廣闊的應用前景。

［1］TheMIT-BIHAr rhythmiaDatabase.PhysioNet［Online］. Available：http：//www.physi onet.or g/Physiobank/ database/mi tdb/

［2］TheMIT-BIHST ChangeDat abase.PhysioNet［Online］. Available：http：//www.physi onet.or g/Physiobank/ database/stdb/

［3］TheMIT-BIHMa lignant Ventricu lar Arrhy thmiaDataba se.PhysioNet［Onl ine］.Avai lable：http：//phys ione tcps. unizares/physiobank/database/vfdb/

［4］宋喜國，鄧親愷.MIT-BIH心率失常數(shù)據(jù)庫的識讀及應用［J］.中國醫(yī)學物理學雜志，2004，21（4）： 230-232.

［5］陰璽.心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計與數(shù)據(jù)壓縮算法研究［D］.重慶大學，2007，5-6.

［6］蔡志明，李立夏.精通Qt4編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［7］賈仕俊，秦開宇，陳華偉，李志強.基于QT的數(shù)據(jù)圖形化設計與分析［J］.軟件導刊2011（7）.

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