基于Labview和Matlab的心電信號分析系統設計

摘要：介紹了一種采用Labview和Matlab相結合設計心電信號分析儀的方法：利用Labview靈活的圖形化編程工具設計前面板，利用Labview平臺上Matlab調用節點調用小波變換等算法。應用該方法所設計的系統具備讀取并顯示心電信號文件、小波變換的濾波功能和測試ECG信號參數等功能，效果良好；系統實現簡單，可擴展性強。

關鍵詞：Labview；Matlab；心電信號；小波變換

0 引言

心電檢測能為心臟疾病的正確分析診斷、治療和監護提供客觀依據，具有十分重要的社會價值和經濟價值。Labview是一種業界領先的工業標準圖形化編程工具，是圖形化編程語言，主要用于開發測試、測量與控制系統。同時，Labview實現了對FPGA等硬件的支持，實際上也是一個硬件設計工具。Matlab是當今很流行的科學計算軟件，集成了大量科學計算程序，幾乎對所有的工程計算領域都提供了準確、高效的工具箱，它已經成為應用學科中的計算機輔助分析、設計、仿真等不可缺少的基礎軟件。本論文結合LabView和Matlab的優勢，開發了—個心電信號分析系統。

整個系統主要分為五個部分，如圖1所示。

1 ECG信號的讀取

本系統ECG信號來自兩種信源，第一，存儲于計算機的數據文件；第二，系統實時采集的ECG信號。本文以讀取存儲的數據文件為例加以說明。目前國際上公認的可作為標準的心電數據庫有三個，分別是美國麻省理工學院提供的MIT-BIH數據庫、美國心臟學會AHA數據庫及歐洲ST-T數據庫。由于MIT-BIH數據庫中病例豐富、典型、注釋詳細，很快就得到了世界的承認。MIT-BIH數據庫中的數據是錄制在磁帶上的模擬信號經模數轉換后的數字信號，在存貯時為了減少文件長度節省存貯空間，使用了自定義格式，因此，無法通過通用的方式去讀取數據。在MIT-BIH數據庫中，心率失常數據存儲格式主要是Format 212。格式212針對兩個信號(為了方便起見，設定為信號0和信號1)的采樣數據進行交替存儲，每三個字節存儲兩個數據，這兩個數據分別來自信號0和信號1，信號0的采樣數據取自第一字節對(共16位)的最低12位，信號1的采樣數據由第一字節對的剩余4位(作為組成信號1采樣數據的12位的高4位)和下一字節的8位(作為組成信號1采樣的12位的低8位)共同組成。兩個信號的所有數據都按照這種方法連續存儲。根據信號的存儲格式用Labview編寫的讀取MIT／BIH數據庫data文件的后面板程序如圖2所示。

2 ECG信號的濾波

在采集心電信號時，由于受儀器、人體等方面的影響，所采集的ECG信號常常存在以下幾種干擾：呼吸和運動所產生的基線漂移、工頻干擾、肌電干擾、電極接觸噪聲、運動偽跡和電子設備產生的高頻儀器噪聲。

目前比較熱門的濾波處理是用小波變換。具體做法是：首先選取適當的小波函數和分解尺度n后，對ECG信號進行多尺度分解。然后，將小波變換后的各尺度離散系數進行閥值處理。最后。利用處理后的小波系數對信號進行重構，獲得平穩，的心電圖信號，以此達到消除ECG中噪聲的目的。濾波的關鍵在于：①選擇合適的小波函數；②選擇小波門限法。為此，本系統設置了小波函數選項和小波門限法選項。其中，小波門限法提供了三種：軟閥值法、硬閥值法和自適應閥值法。

本設計在Labview平臺上調用MATLAB節點，用MATLAB小波函數對加噪信號進行濾波。Matlab提供小波分析等復雜算法供Labview調用。利用Matlab中提供的小波函數工具來進行去噪處理，以獲得最好的濾波效果。在去噪閾值類型選項中，若不進行選擇系統即按默認閾值處理。默認閥值是采用MATLAB自帶的ddencmp函數，程序如圖3所示。

3 QRS波群檢測及參數提取

目前ECG自動分析的內容主要包括心電信號的預處理，特征提取，QRS波檢測和分類，數據壓縮等。其中QRS波的檢測是首要問題，也是整個系統的關鍵；特征提取和分析判斷是臨床應用的核心。心電信號波形的復雜性和各種類型噪聲的存在以及生理上的變異性，使QRS波的精確檢測非常困難。

QRS波群的軟件檢測是近30年來研究的焦點。目前，QRS波的檢測方法主要有：差分閾值法、模式判斷法、小波分析法、神經網絡法和句法分析法。本設計主要采用小波分析法。小波分析方法利用QRS波頻率總是高于P波和T波的特點來識別QRS波。QRS波群的中心頻帶在17Hz左右，帶寬約為10Hz。

心電信號的峰值、谷值和峰峰值等可以用Labview中Amplitude and Level Measurements.vi非常方便地測量出來。

本系統中R波峰檢測采用Labview系統自帶的峰值檢測控件Peak Detector，vi。通過檢測到的兩個連續R波峰的位置可計算心電信號的周期、頻率等，隨后利用公式計算出心率，就可準確判斷心率的變化。

R峰檢測的關鍵是門限的設置，可以調整寬度至精確。但是，僅靠門限和寬度的設置還不能非常準確地檢測出R峰，為此，可以通過二階導數峰檢測中輸出的信息進一步精準化，也可以根據R峰的性質結合其他模塊更好的檢測出R峰的位置。

4 心電分析儀前面板

心電分析儀前面板見圖4。整個前面板分成原始ECG信號顯示區、經小波濾波后ECG信號顯示窗口、濾波參數選擇和ECG信號參數顯示及提示區。其中，濾波參數選擇包括小波函數選擇、去噪閾值類型選擇和小波分解級選擇。

另外，ECG信號參數顯示區主要用來提示ECG信號的波峰、波谷和心率以及異常信號等。本系統采用異常信號的判斷方法是：設定心率的最大值和最小值，也就是上限和下限，當采集的心電信號的心率高于最大值或者低于最小值時，啟動報警程序。前面板上將顯示異常的信號類型，點亮指示燈，提示管理人員進行適當的處理。本系統

中用布爾指示燈顯示報警狀態，設定心率上限為90次／9，下限為70次份；當采集的心率高于90次份時，心率過快的指示燈點亮為紅色，當心率低于70次／分時，心率過緩的指示燈點亮為藍色，當心率在70－90次／分時，心率正常的指示燈點亮為綠色。該系統診斷報警子程序如圖5所示。

5 結束語

基于Labview的心電信號分析儀，包含心電信號采集、文件讀取、信號預處理、QRS波檢測等幾個部分。所有的軟件都基于Labview工作環境編寫，并在Labview平臺上調用MATLAB節點，通過充分調用Matlab環境中的經典算法程序，省去了在LabView工作環境中編寫小波變換等復雜算法程序的過程，方便了參數調試和修改。而且，通過增加一塊ECG信號采集卡，能夠對ECG信號進行采集，實時處理、實時顯示。