人體血壓呼吸信號軟件發生器的設計與實現

周達左

摘要：當今社會中計算機技術、數字信號處理技術、電子技術等行業不斷地發展促進了醫學技術的發展。人體生理信號發生器也在不斷地發展。它是一種人體生理信號發生設備，其功能是對多參數監護儀是否可以正常工作進行檢測。通過設置參數能夠模擬出心電、呼吸、血壓等信號的波形與數據情況。利用MATLAB 軟件主要完成了人體心電信號、呼吸信號、血壓信號波形的軟件仿真設計，且仿真效果較好。

關鍵詞：心電信號;呼吸信號;血壓信號;仿真;MATLAB

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）06-0096-03

Abstract：The continuous development of computer technology， digital signal processing technology， electronic technology and other industries has promoted the development of medical technology， the continuous development of human physiological signal generator are constantly developing. It is human physiological signal equipment， its function is to detect if the multi-parameter monitor will work correctly. By setting parameters，it can simulate the waveform and data of ECG， respiration， blood pressure and other signal. It finishes the software simulation design of waveform of the human ECG， respiratory signals， and blood pressure signal with MATLAB.

Key words： ECG signal; Respiratory signal; Blood pressure signal; Simulation; MATLAB

1? 引言

近年來，隨著物聯網尤其是最近的體域網（Body Area Network）技術的快速發展，對居家養老的老年人及病人的生理數據的遠程實時監控已成為一個受到廣泛關注的領域[1]。多種無線監控產品已在市場上出現。這類系統實時采集人體生理數據，將壓縮后的數據通過無線網絡傳送到處理中心;處理中心圖形化的顯示采集到的生理信號，并監測生理異常產生報警信號[2]。隨著社會的快速發展，這種系統將越來越普遍地走進人們的生活之中。

2? 模型設計理論基礎

2.1人體心電信號、血壓信號和呼吸信號產生生理機理

在正常人體中，在心臟收縮之前，它首先會發生電勢變化。心電圖的變化始于心臟的起搏器-竇房結。根據一定的路徑和時間過程，它依次擴散到心房和心室，引起整個心臟興奮。因此，在每個心動周期中，心臟各個部位的電變化及其時間順序，方向和通路等都有一定的規律。心臟就像是懸浮在體導體中的發生器。它的綜合電位變化可以通過導電組織和體液體積導體傳遞到全身，并且規律的電變化出現在體表。可以通過將體表電極放置在人體表面的特定部分上來記錄的心臟電變化曲線稱為心電圖。心電圖是心臟興奮，傳導和恢復過程中生物電變化的反映，與心臟的機械收縮沒有直接關系。關系。心電圖對于心臟起搏點的分析，傳導功能的判斷以及心律不齊，房室肥大和心肌損傷的診斷具有重要價值。正常人的心電圖包括P，QRS和T的三個波形，以及相關的時程（包括間隔和分段）。 P波代表心房去極化，QRS波代表心室去極化，T波代表心室去極化[3]。

血壓是指血管中血液在單位面積上相對于血管壁的側向壓力，即壓力。由于血管分為動脈，毛細血管和靜脈，因此還有動脈血壓，毛細血管血壓和靜脈血壓。一般來說，血壓是指動脈血壓（血壓，BP）。驅動力推動血管中的血流。

心室收縮，血液從心室流入動脈。此時，動脈血壓最高，稱為收縮壓（SBP）。心室擴張，動脈和血管彈性收縮，血液繼續緩慢流動，但血壓下降。此時的壓力稱為舒張壓（DBP）。

呼吸是指人體與外部環境之間的氣體交換過程。直接引起的肺部收縮和擴張。人的呼吸過程包括三個相互聯系的環節：外部呼吸，包括肺通氣和肺通氣;血液中的氣體運輸;內部呼吸，是指組織細胞與血液之間的氣體交換。正常成年人在休息時呼吸一次為6.4秒是最好的，每次吸入和呼出的氣體量約為500毫升，這稱為潮氣量。當一個人用力吸氣直到不能再吸氣時;然后用力呼氣直到不能呼氣為止，此時呼出的空氣量稱為肺活量。正常成年男子的生命容量約為3500-4000毫升，而女性的生命容量約為2500-3500毫升。

2.2常用的人工生物醫學信號產生方法

常用的生物醫學信號產生方法主要有三種：

1）采用基于硬件平臺（如PIC32 Ethernet Starter Kit）的嵌入式系統，這種系統是獨立的，具有內置電源及液晶顯示屏和其他相關對外接口，方便攜帶。

2）也是采用硬件電路實現，不同的是，將其通過串行接口與電腦相連，將仿真波形顯示在電腦中，并且記錄仿真所產生的數據。

3）采用純軟件制作仿真系統（如使用C語言或MATLAB語言等）。

它們的模型主要采用兩種方法產生：第一種，根據真實是的生物醫學信號波形采用分段函數方法確定各部分圖形的數學函數。第二種，分析數據庫中大量的正常生物醫學信號數據，利用數學統計從而歸納總結出真實的生物醫學信號數學模型。

3? 模型設計理論基礎

在文獻[4]中，作者展示了在三個耦合的常微分方程動態模型的基礎上如何產生現實的合成心電圖（ECG）。本文展示了相同的模型可以用來產生現實的血壓（BP）信號和呼吸信號耦合關系與現實呼吸，血壓和心電圖時間序列。

時變的心電圖（ECG）反映了表面離子電流使心臟收縮和隨后纖維的放松。每出現一個單周期正常心電圖（竇）代表連續的心房去極化或復極和心室去極化或復極心臟的跳動。這些可近似地和標有P，Q，R，S，T心電波形的波峰和波谷聯系在一起（如圖1（a））。R-R區間是連續R峰之間的時間，這個時間間隔倒數就是瞬時心率（HR）。當前模型展示了R-R區間，R峰幅度和QT區間現實的變化[5]。

在R峰后心電圖有一個短暫的延遲，稱為左心室射血時間（LVET），即在血容量噴出左室，進入動脈系統之前。通過把一個記錄設備放在或靠近動脈（如導管或光學體積描技術設備），一個脈動波形可以代表測量的血流量。圖1（b）展示了這樣的一個顯著特征波形。標記的四個主要的點分別是：收縮壓，在的波形的開始（Q）;舒張壓，在波形的尖峰（R）;反射波的波尖（S）;波形偏移（T）。脈沖傳輸時間（PTT）被視為心電圖R峰和BP波形的開始（Q點）時間差：tRECG- tQBP。

4? 軟件設計

本文提出了一種方法，擴大現有的心電圖模型來生成一個多參數綜合生物醫學信號發生器，能夠產生逼真的心電圖，血壓和呼吸與他們相關的接口。該模型的目標是通過已知的特征提供標準的生物醫學信號，可以在不同的采樣頻率不同的噪聲水平下生成如頻域特性的心率變異性（HRV）等統計均值和標準差。這可能使臨床醫生確定哪種生物醫學信號處理技術對于一個給定的應用程序是最佳的。

此次設計主要實現的是應用matlab程序編寫的人體血壓呼吸信號軟件發生器，其界面主要包含人的心率與呼吸頻率輸入框，心電波形、血壓波形、呼吸波形輸出框和三個波形輸出的圖片的保存功能。該軟件主要包含三個方面：1）（經典）四階龍格-庫塔法的功能函數代碼編寫;2）窗口圖形界面的設計;3）圖形界面的相應主程序的代碼編寫。

4.1四階龍格-庫塔法

第二步：判斷i是否大于n，如果大于n則結束，否則，跳至下一步。

第三步：將每個長度為h的小區間用三個點分成兩等份，求斜率K1、K2、K3、K4。

注意：所求得的值存儲于數組y中。

4.2窗口圖形界面的設計及結果分析

窗口圖形界面的設計使用MATLAB 7.1自帶的GUI中的相關控件。此界面共使用text控件3個（兩個用作輸入框的描述，一個用作），edit控件2個（一個用于錄入心率，另一個用于錄入呼吸頻率），pushbutton控件2個（一個用于仿真開啟按鈕，另一個用于保存三個波形圖片的按鈕），axes控件3個（分別用于顯示心電波形、血壓波形、呼吸波形）。

5? 結論

本文介紹了一種模型能夠模擬人的心電圖，血壓和呼吸信號許多重要的特征。此外，許多在人類的心電圖和血壓搏動觀察形態變化波形作為模型的幾何結構的結果。模型參數可以選擇產生不同形態的P，Q，R，S，T波形。功率譜的R-R間隔可以被先驗選定和使用產生呼吸信號并且驅動器心電圖和血壓信號發生器。這使得操作者可以指定心率動力學的均值和標準差的心率和光譜特性的低頻/高頻比值等特性。主要生理功能已被納入運動軌跡在整個三維狀態空間。準周期性的心臟周期是吸引向極限環的極限周期。該模型可以產生現實的心電圖（結合了Q-T間隔和已經在現實的心電波形中發現的隨著RR間隔作線性變化而變化的R峰高度（RSA）），血壓信號（與脈沖傳輸時間（PTT）或左室射血時間（LVET）相關）和呼吸信號（與心電圖和血壓耦合變化）。

參考文獻：

[1] 王嘉慶，李鴻強，于曉剛，等.物聯網人體心電監護系統軟件研究[J].計算機工程，2011，37（16）：273-275，278.

[2] 任星怡.生物醫學信號模擬器的研究與設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

[3] 郭繼鴻.心電圖學[M].北京：人民衛生出版社，2005.

[4] McSharry P E，Clifford G D，Tarassenko L，et al.A dynamical model for generating synthetic electrocardiogram signals[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2003，50（3）：289-294.

[5] 王治祥，王勇.系統仿真的快速實時四階龍格-庫塔法[J].武漢工業大學學報，1990， 12 （3）：89-95.

[6] 毋玉芝.四階龍格—庫塔算法的C語言實現[J].焦作大學學報，2001，15 （1）：55-56，69.

【通聯編輯：唐一東】