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虚拟心电监护系统软件设计

—— Software Design and Implementation of Virtual ECG Monitoring System
作者:韩守谦 蒋伟林 冯凌杰 南理工大学自动化科学与工程学院时间:2010-05-17来源:电子产品世界收藏

  前言

本文引用地址:/article/109040.htm

  当今心脏病已成为威胁人类健康最严重的疾病之一,因此需要一种能够连续记录或者智能记录并分析心脏活动的系统,对患者进行实时监护[1]。至今技术经过40年的临床实践和技术发展,其监护内容和仪器技术有了相当的发展。目前国内外的发展呈现出?榛杓、长时数据保存、低功耗小型化、网络信息化趋势。理论和技术的不断发展也为心电监护的进一步研究创造了条件。

  是一种基于图形编程语言—G语言的可视化开发平台,多被应用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域[2] 。鉴于实际心电监护仪难以普及和虚拟仪器的强大优势[3],我们采用的开发环境,设计了虚拟心电监护仪系统,实现了对心电信号进行采集读取、滤波、保存和回放,自动计算心率并对异常心电给予报警。此心电监护仪可以实现长时间的数据保存,而且操作界面简洁友好,便于掌握。

  心电监护系统

  此心电监护系统采用?榛杓,包括读取?、滤波?、保存和回放?、心率计算和异常报警?,各?榧涞墓叵等缤1所示。我们采用的数据取自心电数据库,不需滤波,因此略去滤波?;其中“双阈值+校正阈值”的设计方法包含在心率计算与异常报警?橹,引入校正阈值的目的是为了“放大”心电的某些波段,针对性的检测某些心脏疾病。

  系统子?榈氖迪

  读取?

  获取心电信号有三种主要方式:数据采集卡现场采集;软件仿真心电信号;从数据库中读取。鉴于开发成本和真实性,我们采用最后一种方法。

  我们采用著名的MIT-BIH数据库,其心电数据由.atr .dat .hea三种文件描述。我们采用脚本接口控件MATLAB Script Node, 利用读取心电数据的MatLab程序rddata.m[4],读取心电信号,输出心电波形。

  滤波?

  心电信号总是存在各种干扰,如工频干扰、基线飘移、肌电干扰等,噪声严重时可完全淹没ECG(心电)信号,因此必须消除噪声,对心电信号进行滤波处理。

  由于本设计采用的心电数据基本不需滤波处理,故这里的滤波是为校正阈值而设计的特殊处理?。我们选用的是平滑滤波器,它能很好地滤除心电信号中混杂的高频噪声信号。

  保存和回放?

  本?槭且“写入测量文件”和“读取测量文件”控件为核心,辅以“数据转换”控件,可以实现心电异常时自动保存以及有选择地回放,可以在8道(可增删)心电通道间任意切换,也可以选择保存的文件类型。

  这里,“数据转换”控件的运用体现了LabVIEW数据流编程的思想。即每个控件都是对数据流进行操作,但作用的数据类型不同,其间通信必须先转换数据类型。

  心率计算和心电异常报警?

  此?槭切槟庑牡缂嗷ひ堑暮诵,也是用户最关心的功能?。目前ECG自动检测技术的研究主要集中在QRS波,P波和T波检测,ST段检测等方面,QRS波检测是ECG检测中的首要问题。

  QRS波群检测方法有阈值法、面积法、幅值法、神经网络法、模式匹配法等。面积法和幅值法易受到噪声干扰。后几种方法较为复杂,运算量大且计算速度较慢,不适用于实时处理系统的要求。本系统采用的是改进的阈值法,可以概括为“双阈值+校正阈值”。心电异常报警就是根据双阈值和校正阈值的检测数据,利用布尔运算判断分析,结果送前面板显示。

  此方法的设计原理和思想与普通阈值法相似,即以检测QRS波波峰的个数作为计算心率的依据,不同的是,此法采用双阈值,利用“波峰峰值检测”控件,设置两个不同的波峰检测阈值,一个阈值较大,用于检测R波;一个阈值较小,用于检测过强的T波和R波(本系统的检测阈值可以在前面板中设置),得到两个检测心率,然后利用比较、布尔运算,分析心电信号的异常情况并适时报警。针对心电的某些特征信号,这里设计了校正阈值算法,用于特定心电异常的检测(如高频噪声干扰,可以选用平滑滤波器,设置合适阈值,校正检测心率)。

  此算法优点是计算量小,实时性好,便于在线分析;开放性强,可以扩展检测阈值数量,提高分析的可信度;可以根据需要设置校正阈值。此法缺点是手动设定阈值,可以添加自学习?榧右愿慕,利用自学习算法[4]可实现。

  “双阈值”法可以解决普通阈值法中存在的幅度大的T波误检或低压的QRS波被漏检情况,而“校正阈值”能够解决噪声干扰造成的心率误检等(取决于校正算法)。总之,与普通阈值法相比,该算法极大地提高了系统的抗噪能力,并减低了误判率。当然,可以根据需要,增加阈值检测数目、以及采用其它校正算法,使其不仅仅局限于校正噪声干扰造成的心率误检。

  该心电监护系统的前面板和程序框图分别见图2和图3。

  结语

  本文阐述了基于LabVIEW的虚拟心电监护系统的设计,该系统用户界面友好、使用方便,充分发挥了LabVIEW的优势;本心电监护仪实现了心电信号读取、滤波、保存和回放,并且可以自动保存异常数据,实时报警和简易的心电分析。

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