虛擬心電監護系統軟件設計

　　前言

　　當今心臟病已成為威脅人類(lèi)健康最嚴重的疾病之一，因此需要一種能夠連續記錄或者智能記錄并分析心臟活動(dòng)的心電監護系統，對患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監護[1]。至今心電監護技術(shù)經(jīng)過(guò)40年的臨床實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展，其監護內容和儀器技術(shù)有了相當的發(fā)展。目前國內外心電監護的發(fā)展呈現出模塊化設計、長(cháng)時(shí)數據保存、低功耗小型化、網(wǎng)絡(luò )信息化趨勢。理論和技術(shù)的不斷發(fā)展也為心電監護的進(jìn)一步研究創(chuàng )造了條件。

　　LabVIEW是一種基于圖形編程語(yǔ)言—G語(yǔ)言的可視化開(kāi)發(fā)平臺，多被應用于儀器控制、數據采集、數據分析等領(lǐng)域[2] 。鑒于實(shí)際心電監護儀難以普及和虛擬儀器的強大優(yōu)勢[3]，我們采用LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境，設計了虛擬心電監護儀系統，實(shí)現了對心電信號進(jìn)行采集讀取、濾波、保存和回放，自動(dòng)計算心率并對異常心電給予報警。此心電監護儀可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間的數據保存，而且操作界面簡(jiǎn)潔友好，便于掌握。

　　心電監護系統

　　此心電監護系統采用模塊化設計，包括讀取模塊、濾波模塊、保存和回放模塊、心率計算和異常報警模塊，各模塊間的關(guān)系如圖1所示。我們采用的數據取自心電數據庫，不需濾波，因此略去濾波模塊;其中“雙閾值+校正閾值”的設計方法包含在心率計算與異常報警模塊中，引入校正閾值的目的是為了“放大”心電的某些波段，針對性的檢測某些心臟疾病。

　　系統子模塊的實(shí)現

　　讀取模塊

　　獲取心電信號有三種主要方式：數據采集卡現場(chǎng)采集;軟件仿真心電信號;從數據庫中讀取。鑒于開(kāi)發(fā)成本和真實(shí)性，我們采用最后一種方法。

　　我們采用著(zhù)名的MIT-BIH數據庫，其心電數據由.atr .dat .hea三種文件描述。我們采用LabVIEW腳本接口控件MATLAB Script Node， 利用讀取心電數據的MatLab程序rddata.m[4]，讀取心電信號，輸出心電波形。

　　濾波模塊

　　心電信號總是存在各種干擾，如工頻干擾、基線(xiàn)飄移、肌電干擾等，噪聲嚴重時(shí)可完全淹沒(méi)ECG(心電)信號，因此必須消除噪聲，對心電信號進(jìn)行濾波處理。

　　由于本設計采用的心電數據基本不需濾波處理，故這里的濾波是為校正閾值而設計的特殊處理模塊。我們選用的是平滑濾波器，它能很好地濾除心電信號中混雜的高頻噪聲信號。

　　保存和回放模塊

　　本模塊是以“寫(xiě)入測量文件”和“讀取測量文件”控件為核心，輔以“數據轉換”控件，可以實(shí)現心電異常時(shí)自動(dòng)保存以及有選擇地回放，可以在8道(可增刪)心電通道間任意切換，也可以選擇保存的文件類(lèi)型。

　　這里，“數據轉換”控件的運用體現了LabVIEW數據流編程的思想。即每個(gè)控件都是對數據流進(jìn)行操作，但作用的數據類(lèi)型不同，其間通信必須先轉換數據類(lèi)型。

　　心率計算和心電異常報警模塊

　　此模塊是虛擬心電監護儀的核心，也是用戶(hù)最關(guān)心的功能模塊。目前ECG自動(dòng)檢測技術(shù)的研究主要集中在QRS波，P波和T波檢測，ST段檢測等方面，QRS波檢測是ECG檢測中的首要問(wèn)題。

　　QRS波群檢測方法有閾值法、面積法、幅值法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、模式匹配法等。面積法和幅值法易受到噪聲干擾。后幾種方法較為復雜，運算量大且計算速度較慢，不適用于實(shí)時(shí)處理系統的要求。本系統采用的是改進(jìn)的閾值法，可以概括為“雙閾值+校正閾值”。心電異常報警就是根據雙閾值和校正閾值的檢測數據，利用布爾運算判斷分析，結果送前面板顯示。

　　此方法的設計原理和思想與普通閾值法相似，即以檢測QRS波波峰的個(gè)數作為計算心率的依據，不同的是，此法采用雙閾值，利用“波峰峰值檢測”控件，設置兩個(gè)不同的波峰檢測閾值，一個(gè)閾值較大，用于檢測R波;一個(gè)閾值較小，用于檢測過(guò)強的T波和R波(本系統的檢測閾值可以在前面板中設置)，得到兩個(gè)檢測心率，然后利用比較、布爾運算，分析心電信號的異常情況并適時(shí)報警。針對心電的某些特征信號，這里設計了校正閾值算法，用于特定心電異常的檢測(如高頻噪聲干擾，可以選用平滑濾波器，設置合適閾值，校正檢測心率)。

　　此算法優(yōu)點(diǎn)是計算量小，實(shí)時(shí)性好，便于在線(xiàn)分析;開(kāi)放性強，可以擴展檢測閾值數量，提高分析的可信度;可以根據需要設置校正閾值。此法缺點(diǎn)是手動(dòng)設定閾值，可以添加自學(xué)習模塊加以改進(jìn)，利用自學(xué)習算法[4]可實(shí)現。

　　“雙閾值”法可以解決普通閾值法中存在的幅度大的T波誤檢或低壓的QRS波被漏檢情況，而“校正閾值”能夠解決噪聲干擾造成的心率誤檢等(取決于校正算法)?？傊?，與普通閾值法相比，該算法極大地提高了系統的抗噪能力，并減低了誤判率。當然，可以根據需要，增加閾值檢測數目、以及采用其它校正算法，使其不僅僅局限于校正噪聲干擾造成的心率誤檢。

　　該心電監護系統的前面板和程序框圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

　　結語(yǔ)

　　本文闡述了基于LabVIEW的虛擬心電監護系統的設計，該系統用戶(hù)界面友好、使用方便，充分發(fā)揮了LabVIEW的優(yōu)勢;本心電監護儀實(shí)現了心電信號讀取、濾波、保存和回放，并且可以自動(dòng)保存異常數據，實(shí)時(shí)報警和簡(jiǎn)易的心電分析。