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[導(dǎo)讀]心電信號(hào)主要頻率范圍為0.05"100Hz,幅度約為0"4mV,信號(hào)十分微弱。由于心電信號(hào)中通?;祀s有其它生物信號(hào),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(qiáng),測(cè)量條件比較復(fù)雜,為醫(yī)學(xué)研究、救治和教學(xué)

心電信號(hào)主要頻率范圍為0.05"100Hz,幅度約為0"4mV,信號(hào)十分微弱。由于心電信號(hào)中通常混雜有其它生物信號(hào),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(qiáng),測(cè)量條件比較復(fù)雜,為醫(yī)學(xué)研究、救治和教學(xué)帶來(lái)一定困難。本文通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的特征分析,提出了基于MATLAB/SIMULINK心電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化生成實(shí)際的物理電信號(hào),并與實(shí)際硬件電路連接起來(lái),構(gòu)成心電信號(hào)的半實(shí)物仿真模型。

  基本原理

  心電信號(hào)

  一個(gè)典型的心電信號(hào)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(jù)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(jí)數(shù)

  若一個(gè)函數(shù)滿足狄里赫利條件,則可以將它展開為傅立葉級(jí)數(shù)的形式。傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)形式定義如下:

  

 

  狄里赫利條件充分條件:

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

  (2)在一周期內(nèi),函數(shù)存在有限個(gè)極大值或極小值。

  心電信號(hào)仿真及結(jié)果分析

  心電信號(hào)仿真

  本設(shè)計(jì)方案是將心電信號(hào)看作一個(gè)由各個(gè)三角波信號(hào)和正弦信號(hào)的組合,先經(jīng)過(guò)計(jì)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(hào)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

  (1)心電信號(hào)的QRS波、Q波和S波用三角波實(shí)現(xiàn)。

  (2)心電信號(hào)的P波、T波和U波用正弦波實(shí)現(xiàn)。

  三角波數(shù)學(xué)模型建立

  三角波數(shù)學(xué)模型建立如下:

  為方便計(jì)算,將此函數(shù)展開為傅立葉級(jí)數(shù)的形式:

  式中,

  

 

  正弦波數(shù)學(xué)模型建立

  正弦波建立模型如下:

  為方便計(jì)算,將此函數(shù)展開為傅立葉級(jí)數(shù)的形式:

  

 

  仿真結(jié)果分析

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

  

 

  

 

  實(shí)時(shí)心電信號(hào)源設(shè)計(jì)

  設(shè)計(jì)方案采用SIMULINK實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。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(shù),能夠立即看到仿真結(jié)果,生成可以實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)信號(hào)。

  心電信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)

  設(shè)計(jì)方案中將心電信號(hào)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(shè)計(jì)過(guò)程中,Q波、QRS波和S波用三角波實(shí)現(xiàn),P波、T波和U波用正弦波實(shí)現(xiàn)。

  心電信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)采用七個(gè)模塊實(shí)現(xiàn),其中六個(gè)模塊的功能是實(shí)現(xiàn)特征波,一個(gè)模塊用來(lái)合成各個(gè)特征波,實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的仿真。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3。

  

 

  如圖3示,每個(gè)心電信號(hào)特征波產(chǎn)生模塊均有一個(gè)各自的特征波參數(shù)輸入,這些參數(shù)包括幅度、寬度和移位。另外,6個(gè)心電信號(hào)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(hào)的長(zhǎng)度x和心跳周期beat。顯而易見,該心電信號(hào)發(fā)生器的SIMULINK模型可以通過(guò)改變心電信號(hào)參數(shù),方便地得到所需的心電信號(hào)。

  實(shí)時(shí)心電信號(hào)的產(chǎn)生

  設(shè)計(jì)方案中,采用SIMULINK設(shè)計(jì)的心電信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字仿真心電信號(hào),通過(guò)研華公司(Advantech)的模擬輸出數(shù)據(jù)采集卡PLC-812PG的D/A轉(zhuǎn)換器引出,生成實(shí)時(shí)心電信號(hào),具體原理框圖如圖4。

  

 

  MATLAB Embedded Function模塊只支持二維矩陣運(yùn)算,因此在實(shí)時(shí)心電信號(hào)輸出時(shí)要注意二維數(shù)據(jù)到一維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,即采用一個(gè)二維矩陣到一維矩陣的轉(zhuǎn)換模塊。

  結(jié)論

  本方案解決了實(shí)際心電信號(hào)采集過(guò)程中硬件電路復(fù)雜、噪聲大以及個(gè)別心電波形不易采集等困難。為醫(yī)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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