虛擬心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計
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前言
當(dāng)今心臟病已成為威脅人類健康最嚴(yán)重的疾病之一,因此需要一種能夠連續(xù)記錄或者智能記錄并分析心臟活動的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),對患者進(jìn)行實(shí)時監(jiān)護(hù)[1]。至今心電監(jiān)護(hù)技術(shù)經(jīng)過40年的臨床實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展,其監(jiān)護(hù)內(nèi)容和儀器技術(shù)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。目前國內(nèi)外心電監(jiān)護(hù)的發(fā)展呈現(xiàn)出模塊化設(shè)計、長時數(shù)據(jù)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(jiān)護(hù)的進(jìn)一步研究創(chuàng)造了條件。
LabVIEW是一種基于圖形編程語言—G語言的可視化開發(fā)平臺,多被應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域[2] 。鑒于實(shí)際心電監(jiān)護(hù)儀難以普及和虛擬儀器的強(qiáng)大優(yōu)勢[3],我們采用LabVIEW的開發(fā)環(huán)境,設(shè)計了虛擬心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對心電信號進(jìn)行采集讀取、濾波、保存和回放,自動計算心率并對異常心電給予報警。此心電監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)保存,而且操作界面簡潔友好,便于掌握。
心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)
此心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)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(shù)據(jù)取自心電數(shù)據(jù)庫,不需濾波,因此略去濾波模塊;其中“雙閾值+校正閾值”的設(shè)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(tǒng)子模塊的實(shí)現(xiàn)
讀取模塊
獲取心電信號有三種主要方式:數(shù)據(jù)采集卡現(xiàn)場采集;軟件仿真心電信號;從數(shù)據(jù)庫中讀取。鑒于開發(fā)成本和真實(shí)性,我們采用最后一種方法。
我們采用著名的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫,其心電數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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、基線飄移、肌電干擾等,噪聲嚴(yán)重時可完全淹沒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(shè)計采用的心電數(shù)據(jù)基本不需濾波處理,故這里的濾波是為校正閾值而設(shè)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“寫入測量文件”和“讀取測量文件”控件為核心,輔以“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”控件,可以實(shí)現(xiàn)心電異常時自動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型。
這里,“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”控件的運(yùn)用體現(xiàn)了LabVIEW數(shù)據(jù)流編程的思想。即每個控件都是對數(shù)據(jù)流進(jìn)行操作,但作用的數(shù)據(jù)類型不同,其間通信必須先轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型。
心率計算和心電異常報警模塊
此模塊是虛擬心電監(jiān)護(hù)儀的核心,也是用戶最關(guān)心的功能模塊。目前ECG自動檢測技術(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(fù)雜,運(yùn)算量大且計算速度較慢,不適用于實(shí)時處理系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)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(jù)雙閾值和校正閾值的檢測數(shù)據(jù),利用布爾運(yùn)算判斷分析,結(jié)果送前面板顯示。
此方法的設(shè)計原理和思想與普通閾值法相似,即以檢測QRS波波峰的個數(shù)作為計算心率的依據(jù),不同的是,此法采用雙閾值,利用“波峰峰值檢測”控件,設(shè)置兩個不同的波峰檢測閾值,一個閾值較大,用于檢測R波;一個閾值較小,用于檢測過強(qiáng)的T波和R波(本系統(tǒng)的檢測閾值可以在前面板中設(shè)置),得到兩個檢測心率,然后利用比較、布爾運(yùn)算,分析心電信號的異常情況并適時報警。針對心電的某些特征信號,這里設(shè)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(shè)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)時性好,便于在線分析;開放性強(qiáng),可以擴(kuò)展檢測閾值數(shù)量,提高分析的可信度;可以根據(jù)需要設(shè)置校正閾值。此法缺點(diǎn)是手動設(shè)定閾值,可以添加自學(xué)習(xí)模塊加以改進(jìn),利用自學(xué)習(xí)算法[4]可實(shí)現(xiàn)。
“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)。總之,與普通閾值法相比,該算法極大地提高了系統(tǒng)的抗噪能力,并減低了誤判率。當(dāng)然,可以根據(jù)需要,增加閾值檢測數(shù)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(jiān)護(hù)系統(tǒng)的前面板和程序框圖分別見圖2和圖3。
結(jié)語
本文闡述了基于LabVIEW的虛擬心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計,該系統(tǒng)用戶界面友好、使用方便,充分發(fā)揮了LabVIEW的優(yōu)勢;本心電監(jiān)護(hù)儀實(shí)現(xiàn)了心電信號讀取、濾波、保存和回放,并且可以自動保存異常數(shù)據(jù),實(shí)時報警和簡易的心電分析。