基于LabVIEW的HRV分析系统设计.pdf

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1、机电信息2010 年第 36 期总第 282 期 1前言 心电图 （electrocardiogram， ECG ） 常在临床应用中帮助医生诊断 心跳过速等心脏疾病。 除了直接分析 ECG 信号， 研究人员和医生还 可以从 ECG 信号中提取其他非直接的测量信息，最常见的测量之 一便是心率变异 （HRV ） 。心率变异性 （Heart Rate Variability， HRV ） 指心率的快慢差异性。HRV 分析在诸多心电信息检测方法中是近 年研究出的一种， 同时也是目前心电信息领域研究的前沿热点。 LabVIEW （Laboratory Virtual instrument Enginee

2、ring ） 是一种图 形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接 受， 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 利用它可以方便地 建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生 动有趣， 使用它进行原理研究、 设计、 测试并实现仪器系统时， 可大 大提高工作效率。 利用计算机对心电信号进行自动准确分析一直是国内外的 重要课题， 探索更新更准确的计算机自动分析诊断方法是非常有 意义的。目前 ECG 自动分析内容包括心电信号预处理、特征提 取、 QRS 检测和分类， 其中 QRS 波的检测是首要问题， 也是 HRV 分析系统设计的关键， 心电信号波形的复杂性和各类噪声的存

3、在 及潜在的生理变异，使得 QRS 波群的精确检测非常困难。而在 QRS 重建之后，如何定位 R 波位置成为分析 ECG 其他细节的基 础。 很多采用小波的方法， 通过多尺度变换， 综合判断各小波尺度 上的模极值来实现 R 波的定位。而 P 波及 T 波的识别， 由于其幅 度小， 斜率不明显， 仍然是识别的难点和重点。 虽然本人觉得采用 模糊的方法或者聚类的方法比较好， 但这些数学工具在心电信号 处理领域的应用往往也存在着局限性， 需要进一步探索与发展。 结 合 ECG 分析流程， 本文基于 LabVIEW 平台， 针对 ECG 分析内容 的流程特点难点，对每个过程采取适当的处理，综合设计一个

4、 HRV 的分析系统。 2系统设计流程 2.1预处理 基准漂移的产生通常源于呼吸， 频率在 0.150.3 Hz 之间， 使 用小波变换通过消除心电信号的趋势来消除基准漂移。小波变换 也是一种消除指定频带内信号的有效方法，在小波变换中本文选 用 Daubechies6 （db06 ） 小波， 因为这种小波与实际的心电信号相 似。 心电信号的采样周期为 60 s， 共 1 200 个采样点。 这样根据公式 （1 ） 所示， 趋势级别为 0.5。 Trendlevel= log22t log2N ?（1 ） 在消除了基准漂移后，得到的心电信号比原来的信号更加清 晰和稳定。 但是， 其他类型的噪声仍

5、然会影响心电信号的特征提取。 这些噪声是宽频带的复杂随机过程， 所以不能使用传统的数字滤波 器。 为了消除宽带噪声， 通过使用非抽样小波变换来除去。 首先应用 小波变换将心电信号分解到各个子带， 然后利用阈值或收缩功能调 整小波系数， 最后重建出消除噪声后的信号， 如图 1 所示。 2.2特征提取 因为小波能够借助于多分辨率的优势对带噪声的信号进行主 要特征的提取与分析。在波峰检测前，将心电信号分解为 8 级的 Daubechies6 （db06 ） 小波， 然后使用 D4 和 D5 及 D6 子带重建出信 号。 之所以可以利用 D4 和 D5 及 D6 子带进行重建， 是因为几乎所 有的 Q

6、RS 细节都处于这 2 个子带中， 将 QRS 单独提取出来， 如图 2 所示， 这使得 QRS 检测更精确。 2.3R波检测与RR间期的计算 经过对 QRS 段的重建后， 要获取心率变异信号即逐次心动周 期， 必须检测出 R 波。利用基于小波的波峰检测方法， 设定所有 R 值中的最小值为小波检测的阈值， 这样就不会遗漏 R 波， 也不会误 检。 R 波检测完后， 通过相邻 2 个 R 波的位置的差值， 即得到 RR 间 距， 其程序设计如图 3 所示。 2.4HRV数字信号处理方法 2.4.1频域分析介绍 ANS 的 2 个组成部分交感神经系统和副交感神经系统会 决定升高或降低心率， 并影响

7、 RR 间隔频谱中的不同频带。 因而， 可 基于 LabVIEW 的 HRV 分析系统设计 文张斌颜回中 （暨南大学信息技术研究所， 广东 广州 510075 ） 摘要： 通过以 MIT- BIH 数据库中的心电信号为研究对象， 基于 LabVIEW 软件平台， 实现了对心电信号的读取、 预处理、 特征提取、 峰值检 测以及利用数字信号处理对 RR 间期信号进行统计来分析心率变异性， 该设计分析方法是通过人工调节各种参数来对心电信号进行适当处理， 达 到比较理想的效果， 从而实现基本的心率变异分析功能， 具有一定的临床应用价值。 关键词： ECG； LabVIEW8.6； 心率变异分析； R

8、波 图 1去除基线漂移后的信号波形 （上 ） 与消除宽带噪声信号波形 （下 ） 1 0.5 0 - 0.5 baseline Detrend signal out Wavelet Denoise AmplitudeAmplitude 0.6 0.4 0.2 0 - 0.2 - 0.4 00.511.522.533.544.55 Time Plot0 baseline 012345.321 Time 图 2需要重建的信号原始波形 （上） 与重建 QRS 后的波形 （下 ） Plot0 Plot0 Wavelet Denoise 0.6 0.4 0.2 0 - 0.2 - 0.4 0.6 0.4

9、0.2 0 - 0.2 - 0.4 AmplitudeAmplitude ECG After Wavelet Multiresolution Analysis 00.511.522.533.544.55 0500 m11.522.533.544.55 Time Time Sheji Yanjiu设计研究 121 位置， 再处理 2C 的问题。若电源短时不能恢复， 可以一边人为 的使 2C 保持接通， 一边处理接触不良问题。若 2C 机械卡滞， 应迅 速排除故障， 使其接点接通， 若短时不能排除故障， 应汇报调度和 上级， 按其命令执行， 若有条件， 可用截面合适的导线， 短接 2C 的 接点，

10、再投入电源使冷却装置工作，迅速检查处理电源的问 题， 电源恢复正常后再处理 2C 的问题。 （2 ） “冷却器全停” 、“工作电源 I 故障” 、“工作电源 II 故障” 3 个信号全部发出时， 说明电源切换已动作， 但切换不成功 （备用电 源的接触器动作后又释放） ，冷却器电源接触器接点以下回路中， 可能有短路故障； 出现这种现象也说明备用电源可能不正常， 检查 电压继电器 1YJ、 2YJ 的接点位置， 或测量电源电压即可证明。 处理方法： 1 ） 拉开风冷电源开关， 同时在风冷电源箱内， 检查两 路电源接触器 1C、 2C 接点以下的母线和各元件上有无接地和短路的 现象。2 ） 断开各冷

11、却器组的空气开关， 将风冷电源控制开关 KK打至 “停止” 位置， 合上两路风冷电源开关。3 ） 若发现风冷电源箱内有接地 短路故障时， 应立即消除 （如小动物、 线头搭壳相碰、 脏污潮湿、 绝缘 损坏等 ） ， 投入两路工作电源， 将风冷电源控制开关 KK 打至 “工作 备用” 或 “工作备用” 位置， 若正常， 重新投入各组冷却器。 4 ） 若 检查风冷电源箱未发现异常，则有可能是某组冷却器回路有故障造 成。将风冷电源控制开关 KK 打至 “工作备用” 或 “工作备 用” 位置， 试送母线正常后， 逐个试送各冷却器组， 可以先投入原在 “备用” 和 “辅助” 位置的冷却器组， 先使变压器恢

12、复部分冷却和油循 环能力， 因为未运行的冷却器， 一般不会有短路故障。然后逐组对原 在 “运行” 位置的冷却器组检查有无接地短路现象， 再试投入， 最后找 出有故障的冷却器组。5 ） 对故障的冷却器组查明其空气断路器不跳 闸的原因。6 ） 汇报上级， 由专业人员检修损坏的部件， 处理故障。 （3 ） 冷却器全停故障处理的注意事项： 回路中有短路故障， 外 部检查未发现明显异常， 只能更换保险试送一次， 以防止多次向故 障点送电， 使故障扩大， 影响所用电的安全运行。一般情况下冷却 器工作电源失去， 电源切换不成功， 处理时， 应尽量启用备用冷却 器电源， 恢复冷却器的工作， 再检查处理工作冷却

13、电源的问题， 若 仍用原工作电源恢复冷却器的工作，会因电源有故障而不能短时 恢复， 拖延时间。及时汇报调度， 密切注意变压器上层油温及负荷 的变化， 如果故障在短时间内难以查清并排除， 不能恢复变压器的 风冷电源， 使冷却器正常运行， 应在变压器风冷全停保护动作跳闸 之前， 汇报调度员， 转移负荷， 将变压器停运后处理。 3结语 多年的运行经验告诉我们，有效的运行管理和维护工作是变 压器安全运行的前提，每季至少进行一次冷却器的运行方式和电 源的定期切换试验； 利用检修的机会， 在变压器停电时对冷却系统 进行全面检查和试验； 巡视时应注意对变压器冷却系统的检查， 发 现问题及时解决。 大型变压器

14、是电网的核心部分，而冷却系统的可靠性直接影 响到变压器的安全运行，加强冷却系统的维护对保障电网的安全 运行有着重要的意义。 收稿日期： 2010- 11- 24 作者简介： 施翼 （1982） ， 男， 江苏东台人， 助理工程师， 研究方 向： 变电运行。 设计研究Sheji Yanjiu 以利用频域分析监测 ANS 的状态。HRV 的常见频域度量， 其中包 括峰值频率以及超低频 （VLF ） 、 低频 （LF ） 和高频 （HF ） 等频带的带 内功率。频域方法通常涉及以下 3 个步骤： 对 RR 间隔信号进行重 采样、 估算该 RR 间隔信号的功率谱密度 （PSD ） 、 根据该 PSD

15、计算 频域参数。对于功率谱密度 PSD 估计， 采用 AR 频谱方法。 2.4.2联合时频域分析 频域分析方法适用于随时间变化不大的 RR 间隔信号分析。 然而，在长期 HRV 分析等应用中， RR 间隔信号会随时间显著变 化。 在这类情况下， 可以使用联合时- 频分析 （JTFA ） 方法分析稳态 和时- 频行为。 联合时频域方法 （JTFA ） 没有标准的度量参数。 因此 可以利用短时傅立叶变换 （STFT ） 得到时频谱图并进行定性分析。 3结语 本设计基于 LabVIEW 的平台，通过利用各种工具信号处理 包， 基本上能够对心电数据进行一定的分析。 通过引入小波变换的 方法， 避免了数

16、字滤波器的延时， 同时也减小了波形的失真； 联合 时频域方法为 RR 间隔信号在随时间显著变化时，提供更为精确 的分析结果，弥补了只适应于随时间变化不大的 RR 间隔信号分 析的频域方法。 但是由于在缺少硬件的条件下， 此设计不能随时随 地地获取人本身的心电信号， 而且各种参数的调节都需要手动。 这 些都需要进一步改进。 HRV 的分析在医疗领域是一项比较前沿的 研究， 是多种心脏疾病重要的检测指标， 随着科学技术的发展与进 步， HRV 分析技术肯定会有更大的突破。 参考文献 1 欧洲心脏病学会与北美起搏与电生理学会联合任务组. 心率变异 测量、 生理解释与临床使用标准. 1 9 9 6 .

17、 10 4 3 10 6 5 2 R a j e n d r aA c h a r y aU , P a u lJ o s e p hK , K a n n a t h a lN , L i mC h o oM i n , J a s j i tS u r iS . 心率变异、 心脏信号处理进展. S p r i n g e r - V e r l a g B e r l i nH e i d e l b e r g ， 2 0 0 7（8 ） ： 1 2 1 1 6 5 3 李昕， 陈贵林， 孙媛媛. 心电信号中 R 波的小波包检测算法研究. 微计算机信息， 2 0 1 0（4 ） ： 3

18、4 3 5 4 顾学乔， 曹赟， 徐寅林. 基于 M A T L A B 串口通信及滤波的心电信号 采集仪设计. 仪表技术， 2 0 1 0（8 ） ： 2 4 2 6 5 王春雨， 钟子晶. 基于高阶统计量的心电信号 R 波检测. 中国新通 信， 2 0 1 0（5 ） ： 4 4 4 5 6 张华. 利用小波包消除心电信号的基线漂移. 工程、 计算和技术学 报， 2 0 0 4（3 ） ： 1 2 1 5 收稿日期： 2010- 10- 23 作者简介： 文张斌 （1970 ） ， 男， 湖北荆州人， 硕士， 工程师， 主要 从事光电一体化、 检测仪器设备设计、 信号处理方面的研究工作。 图 3估算 RR 间距程序设计框图 数组大小 峰值个数 Peak Detector. vi Amplitudes DBL RR 间距 DBL i N -1 I32 - DBL DBL 1 0 peak I32 Width DBL （上接第 114 页） 122