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Labview 心电信号处理.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.15M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    使用LabVIEW 进行心电信号处理 发布日期: 二月 21, 2012 目录 1. 2. 3. 4. 心电信号预处理 对心电信号进行特征 提取 总结 更多相关资源 心电图是一种记录心 脏产生的生物电流的 技术。临床医生可以 利用心电图对患者的 心脏状况进行评估， 并做出进一步诊断。 ECG记录是通过对 若干电极(导联)感 知到的生物电流进行 采样获得的。图1中 显示了典型的单周期 心电图波形。 通常说来，记录的心 电信号会被噪声和人 为引入的伪影所污 染，这些噪声和伪影 在我们感兴趣的频段 内，并且与心电信号 本身有着相似的特 性。为了从带有噪声 的心电信号中提取出 有用的信息，我们需 要对原始的心电信号 进行处理。 从功能上来说，心电 信号的处理可以大致 分为两个阶段：预处 理和特征提取(如图 2所示)。预处理阶 段消除和减少原始心 电信号中的噪声，而 特征提取阶段则从心 电信号中提取诊断信 息。 图1 典型的单周期心电 图波形 1/8 www.ni.com
    图2 典型的心电信号处 理流程图 高级信号处理工具箱 (ASPT) 数字滤波器设计工具 箱(DFDT) 和 等，用户可以方便地 创建针对两个阶段的 信号处理应用，包括 消除基线漂移、清除 使用LabVIEW 和相关工具箱，如 噪声、QRS综合波 检测、胎儿心率检测 等。本文着重讨论使 用LabVIEW进 行典型的心电信号处 理的方法。 1. 心电信号预处 理 心电信号预处理可以 帮助用户去除心电信 号中的污染。广义上 讲，心电信号污染可 以分为如下几类： •         电 源线干扰 •         电 极分离或接触噪声 •         病 人电极移动过程中人 为引入的伪影 •         肌 电（EMG）噪声 •         基 准漂移   在这些噪声中，电源 线干扰和基准漂移是 最为重要的，可以强 烈地影响心电信号分 析。除了这两种噪 声，其它噪声由于可 能是宽频带的且复杂 的随机过程，也会使 心电信号失真。电源 线干扰是以60 Hz (或 50 Hz)为中心的窄带 噪声，带宽小于 1Hz。通常，心电 信号的采集硬件可以 消除电源线干扰。但 是，基准漂移和其它 宽带噪声通过硬件设 备很难抑制。而软件 设计则成为更为强大 而可行的离线式心电 信号处理方法。用户 可以使用以下方法来 消除基准漂移和其它 宽带噪声。 消除基准漂移 基准漂移的产生通常 源于呼吸，频率在 0.15 到 0.3 Hz之间， 可以通过使用高通数 字滤波器进行抑制。 用户还可以使用小波 变换通过消除心电信 号的趋势来消除基准 漂移。 1. 数字滤波器方 法 LabVIEW 的 DFDT工具箱提供 了图形化和交互式的 方法，用于快速而高 效地设计和实现有限 冲击响应(FIR) 或无限冲击响应 (IIR)滤波器。 例如，用户可以使用 Classical Filter Design Express VI 设计Kaiser窗 FIR高通滤波器消 除基准漂移。图3显 示了一个高通滤波器 的实例，用户可以使 用这个实例VI的程 序框图来消除基准漂 移。 2/8 www.ni.com
    2．小波变换方法 除了数字滤波器，小 波变换也是一种消除 指定频带内信号的有 效方法。 LabVIEW ASPT工具箱提供 了WA Detrend VI，它可以消除信 号的低频趋势。图4 显示了使用WA Detrend VI消除基准漂移的 实例。 图3 设计并使用高通滤 波器消除基准漂移 这个实例使用了 Daubechies6 (db06)小波， 因为这种小波与实际 的心电信号相似。在 这个实例中，心电信 号的采样周期为60 秒，共1200个采 样点。这样根据如下 公式，趋势级别为 0.5：                                                                 其中，t是采样周期而N为 采样点数。 图5显示了原始的心 电信号，以及由基于 数字滤波器方法和基 于小波变换方法处理 后得到的心电信号。 你可以看到处理后的 心电信号在保持原有 心电信号主要特性的 同时，几乎不含有基 准漂移信息。你还可 以注意到基于小波变 换的方法更具优势， 因为这种方法不引入 延时，而且比基于数 字滤波器方法的失真 更小。 图4 使用WA Detrend VI消除基准漂移 3/8 www.ni.com
    消除宽带噪声 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 它类型的噪声仍然会 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，需 要使用 Wavelet Denoise Express VI。 这种 Express VI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。下图显示了对心 电信号使用非抽样小 波变换(UWT)的 实例。 图5 基于数字滤波器和 基于小波变换的方法 比较 UWT相比于离散小 波变换(DWT)， 在平滑度和精度之间 有着更好的折中。通 过将去噪后的心电信 号和未经去噪的心电 信号相比较，如图7 所示，可以发现宽带 噪声被极大地抑制而 心电信号的细节则保 持不变。 图6 利用UWT消除心 电信号中的宽带噪声 4/8 www.ni.com
    图7 UWT去噪前及去 噪后的心电信号 2. 对心电信号进 行特征提取 为了诊断，需要从预 处理后的心电数据中 提取各种特征，包括 QRS波间隔、 QRS波幅度、PR 间隔、ST间隔、胎 儿心率等。这一节将 主要讨论QRS综合 波检测和胎儿心电图 提取。 QRS综合波检测 在心电信号中检测R 峰值和QRS综合 波，可以提供关于心 率、传导速度、心脏 内各种组织状态和各 种异常情况的信息。 它为心脏疾病的诊断 提供依据，所以在心 电信号处理领域引起 了极大关注。但是， 噪声和随时间变化的 形态使得检测非常困 难。 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， 所以近年来提出了许 多基于小波的检测方 法。在本文中， LabVIEW ASPT工具箱中的 WA Multiscale Peak Detection VI被用于检测Q、 R和S点。在波峰/ 波谷检测前，使用 Multiresolution Analysis Express VI将心电信号分解 为8级的 Daubechies6 (db06)小波 （如图9所示），然 后使用D4和D5子 带重建出信号。之所 以可以利用D4和 D5子带进行重建， 是因为几乎所有的 QRS细节都处于这 两个子带中，这使得 QRS检测更为精 确。 图9显示了经过小波 多分辨率分析 （MRA）和波峰/ 波谷检测处理后的心 电信号，以及原有的 心电信号（来自 MIT-BIH数据 库）。在本图中，你 可以发现波峰和波谷 (特别是Q和S点) 在经过小波多分辨率 分析后变得更为明 显。 图8 心电信号多分辨率 分析和QRS波检测 的实现 5/8 www.ni.com
    图9 原始的心电信号、 经过MSA后的心电 信号以及波峰/波谷 检测后的心电信号 在进行QRS综合波 检测后，可以利用其 它方法进行特征分 析。例如，可以利用 R-R间隔信号进行 胎儿心电信号提取 胎儿心电图 (FECG)可以从 孕妇腹部的心电信号 (AECG)中得 到，并提取出胎儿心 率(FHR)，它显 示了胎儿的心脏状 态。图10中显示了 8通道孕妇心电信号 处理系统中导联的位 置。产妇胸部的心电 信号由胸部的导联得 到，而腹部的心电信 号由腹部导联得到。 这一节中，我们使用 如下两种方法提取胎 儿心率：独立分量分 析(ICA)和自适 应滤波。 ,显示心脏和神经系 统的状态。 心率变化(HRV) 分析 图10 8通道孕妇心电信 号处理系统中导联的 位置(包含5个腹部 导联和3个胸部导 联) A S X X S 1. ICA方法 ICA方法用于从多 通道观测中重建出独 立的隐含信号。假设 观测 是源信号 的叠加，可以写成：                                                                                 其中， 表示混合矩阵。信号 的统计独立性假设， 允许你从观测 中估计出两个未知量 和 。这里，孕妇的心电 信号和胎儿的心电信 号可以作为独立分 量，也就是 的一部分，而8条通 道的心电信号测量记 录组成 。通过ICA方法， 能够获得 的估计，这意味着你 可以获得孕妇和胎儿 的心电信号。 ASPT工具箱中提 供了TSA Independent Component Analysis VI，用户可以容易 地构建出FHR提取 的应用，如图11所 示。在图11中，8 通道的心电信号（由 前面提到的8通道系 统获得）是ICA函 数的输入，而胎儿心 电信号作为独立分量 的一部分可以在输出 端得到。图12分别 显示了利用ICA提 取出的孕妇腹部心电 信号和胎儿的心电信 号。从胎儿的心电信 号中，你可以发现孕 妇的心电信号被有效 的抑制，这样就可以 准确而方便地得到 FHR了。 = X AS S A S X S 图11 用于胎儿心率提取 的ICA方法 2. 自适应滤波方 法 自适应滤波器是一种 可以自行调节系数使 特定性能指标最优化 的滤波器。自适应滤 波器在各行业中有广 泛应用，其中之一就 是自适应噪声消除， 如图13所示。 图12 使用ICA进行 FHR提取 6/8 www.ni.com
    在这个实例中，自适 应滤波器的目的是最 小化参考信号和带噪 身信号的差异，而滤 波器的系数正是根据 这个最小化的过程而 自动调整的。其中， 参考信号是孕妇的胸 部信号，带噪信号是 孕妇的腹部信号，而 胎儿的心电信号正是 两者之间的差异。图 14中显示了这种方 法的LabVIEW 实现。 图13 自适应噪声消除结 构 如图15显示，拥有 适当阶数和步长的自 适应滤波器可以对孕 妇心电信号进行跟踪 和预测，而胎儿心电 信号就是预测的误 差。 图14 用于FHR提取的 自适应滤波器方法 图15 使用自适应滤波器 进行FHR提取 3. 总结 LabVIEW和相 关的信号处理工具箱 可以提供鲁棒而高效 的环境和工具，解决 心电信号处理问题。 这篇应用文档展示了 如何使用这些强大的 工具，在心脏疾病诊 断和心电信号处理研 究中方便而快捷地消 除噪声、分析和提取 心电信号。同时，这 些工具可以使用在其 它生物医学信号处理 应用，例如核磁共振 成像(MRI)和脑 电图(EEG)中。 需要获得这篇文章的 更多信息，请联系 dsp. nish@ni. com 。 参考文献 7/8 www.ni.com
    参考文献 [1] 《基于多分 辨率小波变换的 ECG特征提 取》, IEEE 制药与生物工程, 27界年会。 [2] 《QRS 监测的软件原 理》, IEEE制 药与生物工程, 2002年1/2 月。 [3] 《用于心 电信号基准漂移监测 和噪声消除的小波方 法》, IEEE 2005年汇刊, 制药与生物工程, 27界年会。 [4] 《用于心 电信号数据分析的高 斯方法和工具》, Artech House Publisers 出版。 [5] 《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，2004年12 月，第三卷。 [6]  《利用 SVD和ICA进行 胎儿心电信号的盲分 离》。 [7] 《自适应 和非自适应滤波器在 心电信号处理中的应 用》。 4. 更多相关资源 应用案例：使用 LabVIEW和 NI硬件精确安全地 测量胎儿心率 技术视频：图形化生 物医电工程实验平台 生物医疗电子中文主 页 8/8 www.ni.com
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