基于SIMULINK的心電信號源系統設計分析

心電信號主要頻率范圍為0.05100Hz，幅度約為04mV，信號十分微弱。由于心電信號中通?；祀s有其它生物信號，加之體外以500Hz工頻為主的電磁場(chǎng)干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜，為醫學(xué)研究、救治和教學(xué)帶來(lái)一定困難。本文通過(guò)對心電信號的特征分析，提出了基于MATLAB/SIMULINK的心電信號仿真方法，采用快速原型技術(shù)通過(guò)輸入/輸出卡，將虛擬仿真信號轉化生成實(shí)際的物理電信號，并與實(shí)際硬件電路連接起來(lái)，構成心電信號的半實(shí)物仿真模型。

基本原理

心電信號

一個(gè)典型的心電信號如圖1示，它由P波、Q波、R波、S波和T波組成，在診斷過(guò)程中可以根據這些特征波的間隔幅值以及P-R間隔、S-T間隔和Q-T間隔判斷病人病情。

Fourier級數

若一個(gè)函數滿(mǎn)足狄里赫利條件，則可以將它展開(kāi)為傅立葉級數的形式。傅立葉級數的三角函數形式定義如下：

狄里赫利條件充分條件：

（1）函數在任意有限區間連續，或只有有限個(gè)第一類(lèi)間斷點(diǎn)（當t從左或右趨向于這個(gè)間斷點(diǎn)時(shí)，函數存在有限的左極限和右極限）；

（2）在一周期內，函數存在有限個(gè)極大值或極小值。

心電信號仿真及結果分析

心電信號仿真

本設計方案是將心電信號看作一個(gè)由各個(gè)三角波信號和正弦信號的組合，先經(jīng)過(guò)計算得到各個(gè)特征波序列，再將各波合成為最終的仿真信號。具體實(shí)現方法如下：

（1）心電信號的QRS波、Q波和S波用三角波實(shí)現。

（2）心電信號的P波、T波和U波用正弦波實(shí)現。

三角波數學(xué)模型建立

三角波數學(xué)模型建立如下：

為方便計算，將此函數展開(kāi)為傅立葉級數的形式：

式中，

正弦波數學(xué)模型建立

正弦波建立模型如下：

為方便計算，將此函數展開(kāi)為傅立葉級數的形式：

仿真結果分析

通過(guò)上述仿真方案，仿真心電信號各特征波參數如表1示，心電信號仿真波形如圖2示。

實(shí)時(shí)心電信號源設計

設計方案采用SIMULINK實(shí)現心電信號發(fā)生器的設計。SIMULINK可以方便地進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)建模，且仿真過(guò)程是交互的，可以隨時(shí)修改參數，能夠立即看到仿真結果，生成可以實(shí)際應用的實(shí)時(shí)信號。

心電信號發(fā)生器實(shí)現

設計方案中將心電信號看作是由各個(gè)特征波組合在一起的波形，這些特征波包括P波、Q波、QRS波、S波、T波和U波。仿真設計過(guò)程中，Q波、QRS波和S波用三角波實(shí)現，P波、T波和U波用正弦波實(shí)現。

心電信號發(fā)生器的設計采用七個(gè)模塊實(shí)現，其中六個(gè)模塊的功能是實(shí)現特征波，一個(gè)模塊用來(lái)合成各個(gè)特征波，實(shí)現心電信號的仿真。設計結果如圖3。

如圖3示，每個(gè)心電信號特征波產(chǎn)生模塊均有一個(gè)各自的特征波參數輸入，這些參數包括幅度、寬度和移位。另外，6個(gè)心電信號特征波形產(chǎn)生模塊有2個(gè)公共輸入，分別是產(chǎn)生心電信號的長(cháng)度x和心跳周期beat。顯而易見(jiàn)，該心電信號發(fā)生器的SIMULINK模型可以通過(guò)改變心電信號參數，方便地得到所需的心電信號。

實(shí)時(shí)心電信號的產(chǎn)生

設計方案中，采用SIMULINK設計的心電信號發(fā)生器產(chǎn)生數字仿真心電信號，通過(guò)研華公司（Advantech）的模擬輸出數據采集卡PLC-812PG的D/A轉換器引出，生成實(shí)時(shí)心電信號，具體原理框圖如圖4。

MATLAB Embedded Function模塊只支持二維矩陣運算，因此在實(shí)時(shí)心電信號輸出時(shí)要注意二維數據到一維數據的轉換，即采用一個(gè)二維矩陣到一維矩陣的轉換模塊。

結論

本方案解決了實(shí)際心電信號采集過(guò)程中硬件電路復雜、噪聲大以及個(gè)別心電波形不易采集等困難。為醫學(xué)研究和教學(xué)帶來(lái)方便，具有一定實(shí)用和參考價(jià)值。

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