心電信號采集及小波分析處理系統(tǒng)設(shè)計

鄭 雷，李國蕾，王曉軍，王 麗，劉艷霖，李 穎，高澤利

(昆明醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，昆明 650500)

·學(xué)生實驗園地·

心電信號采集及小波分析處理系統(tǒng)設(shè)計

鄭 雷，李國蕾，王曉軍，王 麗，劉艷霖，李 穎，高澤利

(昆明醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，昆明 650500)

心電信號作為人體的一種重要的生理信號，反映著人體的健康狀況。自行設(shè)計并制作心電信號采集、放大、抗混疊濾波等電路，得到滿足數(shù)據(jù)采集卡USB_6008要求的模擬心電信號，并對模擬心電信號進行A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字形式的心電信號。利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW 2009對數(shù)字心電信號進行多分辨率分析（小波分析），得到心電信號在各分辨率空間的組成成分，并從中選擇體現(xiàn)心電信號特點的成分重新構(gòu)建心電信號，實現(xiàn)對心電信號進行小波濾波的目的，最終在PC機上獲得效果良好的心電圖。該研究通過有限的資金投入，將家用電腦拓展為心電監(jiān)測儀器。

心電信號；虛擬儀器；LabVIEW軟件；小波分析

心電信號是低頻高阻的微弱信號(主要頻率為0.05～100 Hz，幅度為0.5～4 mV)，其中常帶有機電干擾、基線漂移和工頻干擾等各種噪聲，在顯示信號前要進行必要的處理。小波分析是近十幾年發(fā)展起來的一種新的數(shù)學(xué)理論和方法，具有變換的時頻特性，能最大限度地濾出原始心電信號中的各種噪聲干擾。本研究設(shè)計并制作心電信號檢測、抗混疊濾波和放大電路，獲得心電模擬信號。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡NIUSB_6008對模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換并將其傳送到PC機。采用Lab-VIEW 2009作為開發(fā)環(huán)境，對心電信號進行小波分析及處理。

1 心電信號采集及處理系統(tǒng)構(gòu)成與硬件設(shè)計

1.1 心電信號采集及處理系統(tǒng)的構(gòu)成

心電信號采集及處理系統(tǒng)由檢測、濾波[1](0.07～159 Hz帶通)、放大等電路以及數(shù)據(jù)采集卡NIUSB_6008、PC機等幾部分組成，如圖1所示。其工作流程是通過電極及通用儀器放大器將心電信號進行檢測并通過濾波、放大調(diào)理電路輸出心電模擬信號，再經(jīng)NIUSB_6008將心電模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送PC機，利用LabVIEW 2009對心電信號進行處理并顯示心電圖(ECG)。

圖1 心電信號采集及處理系統(tǒng)框圖

1.2 信號檢測、濾波及放大電路設(shè)計

如圖2所示，心電信號檢測、放大及濾波電路由A101～A302及相關(guān)元件組成。A101為運放LF353P，是高輸入阻抗、低偏置電流運算放大集成電路，它與周圍電阻組成右腳驅(qū)動電路，其輸出端RL接被測者右腳，以減少差分放大器A201的共模輸入電壓，提高放大精度;LA、RA是導(dǎo)聯(lián)電極，A102構(gòu)成電壓跟隨器，輸出接到導(dǎo)聯(lián)屏蔽線上，以增加系統(tǒng)輸入阻抗，減小漏電流[2];A201為精密儀器放大器AD620，其放大倍數(shù)設(shè)計為+26倍;C301、C302、R301～R304、A301組成截止頻率為0.07 Hz的高通濾波器，并將信號放大+2倍;R305～R308、C303、C304、A302組成截止頻率為159 Hz的低通濾波器(抗混疊濾波器，antialiasing filter)，并將信號放大+2倍;A401與A201一樣同為精密儀器放大器AD620，它與R401組成數(shù)據(jù)放大器，放大倍數(shù)為+9.62倍。

圖2 心電信號采集、放大、濾波電路圖

1.3 NIUSB_6008數(shù)據(jù)采集卡

NIUSB_6008數(shù)據(jù)采集卡是一個12位分辨率、最大采樣率為10 KS/s的即插即用USB數(shù)據(jù)采集卡。根據(jù)采樣定理，NIUSB_6008數(shù)據(jù)采集卡可對最高頻率為5 KHz的信號進行不失真采樣，可以滿足對心電信號(0.07～159 Hz)采樣的要求。

1.4 硬件電路制作及系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)圖2，先在面包板上制作心電信號采集、放大及濾波電路;根據(jù)圖1，將制作出的硬件電路、數(shù)據(jù)采集卡USB_6008及PC機連接，組成心電信號采集及處理硬件系統(tǒng);基于以上硬件系統(tǒng)及軟件開發(fā)平臺LabVIEW 2009[3]構(gòu)建心電信號采集及處理系統(tǒng)。

2 心電信號的多分辨率分析及濾波

頻率隨時間變化的信號稱為時變信號。對于時變信號，用Fourier變換的方法分析和濾波不能取得很好的效果。為了很好地濾除這些帶有“偶然”性的干擾，采用小波分析和小波濾波的方法對信號進行處理，以得到更好的濾波效果。

圖3是基于LabVIEW 2009的心電信號處理的框圖程序。

在框圖程序中，“波形圖”用于顯示未經(jīng)處理的心電信號;“波形圖2”用于顯示利用2價Butterworth濾波器進行0.5～15 Hz帶通濾波后得到的心電波形;“波形圖3”用于顯示經(jīng)小波分析及濾波后得到的心電波形。

圖3 基于LabVIEW 2009的心電信號(ECG)的小波濾波框圖程序設(shè)計

在框圖程序中，雙擊“Multiresolution Analysis.VI”，可顯示多分辨率分析配置對話框?！癘riginal and Reconstructed Signal”顯示待處理信號和重構(gòu)信號;“Wavelet Transform and Subband Selection”顯示信號被分解的頻帶，可用鼠標(biāo)直接選擇特定的頻帶進行信號重構(gòu);“Wavelet”提供了各種可供使用的小波，可從下拉菜單中選擇所需小波;“Levels”提供了分解級數(shù)的選擇，分解級數(shù)的最大值為不超過lb2N的最大整數(shù)[4]。

由于采集到的心電信號樣品數(shù)為100 K，所以小波分解的最大級數(shù)為：

在“Wavelet Transform and Subband Selection”中分別用A16(f0分量)，D16(w0分量)，D15(w1分量)，D14(w2分量)，…，D1(w15分量)來表示各頻率子帶。在多分辨率分析中，選擇使用db04小波。圖6分別顯示了由A16(f0分量)，D16(w0分量)，D15(w1分量)，D14(w2分量)，…，D1 (w15分量)進行重構(gòu)得到的信號。

由圖4可以看出：信號在w5、w6、w7三個分辨率空間的成分比較穩(wěn)定和規(guī)則，具有與心電信號(ECG)相吻合的波形，在這三個分辨率空間內(nèi)基本集中了心電信號的所有有效成分;信號在V0(A16)、w0～w4六個分辨率空間內(nèi)的分量主要是低頻干擾(如被測試者四肢不經(jīng)意的移動造成的干擾)，在濾波時可以丟棄不用;信號在w8～w12五個分辨率空間的成分主要是一些高頻干擾，在濾波時也可丟棄不用;信號在w13～w15三個分辨率空間的成分都為0，說明選取的采樣率存在冗余，可以在不改變采樣信號質(zhì)量的前提下降低采樣率從而減少樣品數(shù)據(jù)量，節(jié)約系統(tǒng)資源。

圖4 各頻率分量的重構(gòu)信號

圖5是利用信號在w5(D11)、w6(D10)、w7(D9)三個分辨率空間的成分重構(gòu)的心電信號波形，上部曲線為未經(jīng)處理的信號，下部曲線為重構(gòu)心電波形，中部曲線為用2價Butterworth濾波器進行0.5～15 Hz帶通濾波后得到的心電波形。

圖5 處理前后的心電信號波形對比

3 結(jié)束語

利用多分辨率分析的方法處理心電信號，可以取得十分理想的效果，它可以很好地除去高、低頻的非心電雜波的干擾，特別是能很好地解決心電圖中基線漂移的問題。

[1]王成華，王友仁，胡志忠.電子線路基礎(chǔ)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2000：133_134.

[2]高澤利，周建莉，瞿新剛，等.基于LabVIEW的人體生理信號檢測及處理系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2009，25(13)：157_159.

[3]楊樂平.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2006：431_439.

[4]Gao Zeli，Wu Jie.Design of ECG signal acquisition and processing system.2012 International Conference on Biomedical Engineering and Biotechnology[C]//ICBEB2012 [s.1]：ICBEB，2012：762_764.

Design of ECG Signal Detecting and W avelet Analysis Processing System

ZHENG Lei，LIGuolei，WANG Xiaojun，WANG Li，LIU Yanlin，LIYing，GAO Zeli
(School of Basic Medical Sciences，Kunming Medical University，Kunming 650500，China)

As an important physiological signal of the human body，ECG(Electrocardiogram Signal，ECG)reflects the state of health of the human body.The project designed and produced circuit such as ECG signal acquisition，amplification and anti-aliasing filter to meet the data acquisition card USB-6008 requirements and analog ECG signal A/D(analog/digital)conversion to obtain the ECG digital form use virtual instrument LabVIEW 2009 development platform multi-resolution digital ECG analysis(waveletanalysis)to obtain the components of the ECG signal in each resolution spatial and select these components ingredientswhich reflects the characteristics of ECG to rebuild ECG，and achieve ECG wavelet filtering purpose，and eventually getgood ECG on a PC.With limited funding，the research will expand home computer to ECGmonitoring instruments.

ECG;virtual instrument;LabVIEW software;wavelet analysis

TP274；R318.6

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.062

2012_11_06；修改日期：2012_11_18

2011年度昆明醫(yī)科大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目（CX201106）。

鄭 雷（1991_），男，本科在讀，專業(yè)方向：臨床醫(yī)學(xué)。