基于虚拟仪器的多功能心电信号发生系统

基于虚拟仪器的多功能心电信号发生系统
作者：郑春雄周晓佳
来源：《硅谷》2011年第13期
摘要：为满足对自动分析式心电图、心电监护仪等心电类仪器的心电自动诊断功能进行质量监控，以及心电自动诊断研究中对特殊心电数据的需求，研究一种新型的虚拟心电信号发生系统。

该系统运用软件技术通过直观的绘图和插件组合编辑方式获得所需的各种心电信号，再通过DAQ硬件卡和归一化双端输出电路实现将心电信号以相当于人体的真实水平输出。

关键词：心电信号发生系统；虚拟仪器；心电波形
中图分类号：R540 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0710035－01
0 引言
心电图技术经历了百余年的发展，已经成为诊断和研究心脏疾病不可缺少的手段。

如今，心电类设备的功能已是十分强大，自动分析式心电图机、24小时动态心电图分析仪以及心电监护仪等，通常都带有对心律不齐等异常心电信号的自动诊断功能。

但是用户对于此类设备的心电自动诊断功能的优劣却没有一个标准的评定方法，也无法在使用中进行质量监控。

同时，心电自动诊断作为一个热门课题，极待研究和发展，而原始数据及专家知识的获得却常常阻碍了这一研究的顺利进行.特别是当采用神经网络方法进行研究时，常常需要大量同类病理信号的不同数据、典型的病理信号数据以及处于正常与异常心电信号边界的数据用于训练和测试，这些信号往往不易获得。

因此，有必要依据有关心电知识来人为地构造所需心电数据。

为此本文研究一种能产生满足心电自动诊断研究、各种心电类仪器的研发检测、心电检测算法的验证等需求的多功能心电信号发生系统。

1 系统结构
本系统主要分为两大模块，模块一为心电数据编辑器，是采用一种运用软件技术进行绘图和插件组合编辑的方式来构建所需心电图，并将其存储到数据库中。

模块二心电信号输出模块，是实现将前面构造的心电数据从数据库中取出并显示，再以相当于人体真实水平的心电信号输出。

系统的总体构成框图如图1所示。

2 系统实现
本系统的心电信号输出模块采用LabVIEW进行开发。

鉴于模块一心电数据编辑器的主要功能是对心电波形进行编辑、合成、提取等操作，其中主要涉及绘图、图形图像的编辑处理及相关图形图像处理算法的实现，因此，模块一心电数据编辑器采用VC6.0进行开发。

2.1 模块一的实现
心电数据编辑器的模块结构示意图如图2所示。

各功能子模块的具体实现如下。

2.1.1 单位标准波形的编辑生成
心电数据编辑器主要是用于生成用户所需的心电数据。

用户可以预先定义各种常用单位的心电波形及相应的特征参数，如临床常见的一些病理P-QRS-T复合波、P波、QRS波群、T 波、U波等，同时可将这些定义好的单位标准波形（以下简称单位波形）加入到数据库，以备在构建心电信号时使用。

2.1.2 波形元素的绘制
本模块为用户提供了比较基本的图形元素绘制功能，如手画线、直线、弧线和曲线等，同时还有橡皮擦除、标尺测量等功能。

这里要解决一个问题，当用户绘制新元素时，如何实现新绘制图形在屏幕上的显示与新绘制图形区域的记录。

假如将这两个过程合并进行，如先记录绘制数据，后通过屏幕刷新依据记录绘制出全部数据，这样势必会引起屏幕的闪烁，使用户感到不适，因此可将上述两个过程分开进行。

屏幕显示可通过取得当前的设备环境（CDC），绘制相应图形元素。

而在进行新绘制图形区域数据的记录时，则需首先在内存中建立兼容的设备环境，打开路径层，然后通过程序绘制相应元素，结束后关闭路径层，这样便可得到与所绘制元素相同形状的路径。

最后，可将路径层中的路径转为图形区，同时将其合并到当前图层中，如此便记录下了相应的数据。

2.1.3 图形的扫描
本模块主要功能是将用户编辑完成后的图形转换为时序数据。

实现方法是通过获取位图的灰度值数据来取得的。

首先将待扫描的区域制成一张临时的位图，然后扫描该位图，通过判断位图上的灰度值来取得所需的数据。

但在实际扫描过程中经常失败，后经调试分析发现是因为扫描的位图文件太大而引起的。

为此，通过将待扫描区域分割成若干小区域，再分别将这些小区域制成临时位图，然后再逐一进行扫描，最后将各个小区域扫描得到的数据合并起来，以此来解决在内存中建立过大临时位图文件失败的问题。

2.1.4 心电波形的组合编辑
本模块可分为两种状态模式，一种是数据编辑状态，一种是单位波形插入状态。

数据编辑状态即为上述的波形元素绘制模块。

在单位波形插入状态下，用户首先选择所需的单位波形插入到编辑区，每个单位波形的最左边有一个圆形区域，将这个区域作为单位波形激活和移动的
参考点，当某一单位波形被激活时，则可通过拖动有关参数的句柄或边线改变波形的形状，这样用户即可获得所需波形的大致形状，然后便可将由单位波形组
合成的波形转化为图形数据进行手动编辑，按需求修改其局部特征，最后便可对图形进行扫描，得到所需的时序数据。

2.2 模块二的实现
本模块主要是从数据库中取出已编辑好的心电数据文件，然后通过DAQ硬件及相应的输出电路实现输出并在屏幕上实时显示。

模块A用于心电数据文件的定位选择及其波形的显示预览。

在LabVIEW中有多种用于显示波形的显示控件，这里采用Waveform Graph控件，因为该控件有坐标捕捉功能，且其波形显示是以数据块方式接收一组数据并把这个数组数据一次性送入Graph控件中全部显示出来，也就是其波形是一幅一幅地更新。

因此选用该控件将心电数据转化为心电曲线显示在屏幕上。

模块B的功能是实现将数字心电信号转换成模拟信号输出。

这里选用NI公司的DAQ硬件卡PCI-6024E来进行输出。

由于心电信号为毫伏级信号，所以在将其送到DAQ卡输出前必须对幅度作归一化处理，根据PCI-6024E的性能参数，可将心电数据采样值先归一化到+1～-1，然后在PCI-6024E卡中将对应的信号拓宽到-5V～+5V之间，如此，在输出电路中作等比例缩小后便可做到原来的信号幅度。

模块C是归一化双端输出电路。

根据模块B输出的信号特点，以及对输出信号的要求，设计的电路如图3所示。

由DAQ卡输出的离散信号Vd先通过一个截止频率为100Hz的一阶RC低通滤波电路，在起到了平滑效果的同时，又保留了信号中几乎全部的频率成分。

最终输出的信号幅度为V2－V3=V1/1000，为一个衰减了1000倍的双端信号。

对于II导联输出，则V3端接RA，V2端接LL。

3 系统验证
为验证心电信号输出模块能否将心电数据文件以相当于人体真实的水平输出，将系统的输出信号送到PHILIPS公司的MP50多参数监护仪上。

从输出效果看，两者的波形基本相同，大部分波形形态特征都没有出现较大的失真。

说明系统的输出模块达到了预期的设计要求。

参考文献：
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作者简介：
郑春雄（1983-），男，广州市计量检测技术研究院，主要从事医学仪器的检定校准及质量检测工作。