刁愛(ài)芹

基于Labview的心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)的快速實(shí)現(xiàn)*

刁愛(ài)芹①

目的：研究基于Labview的心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)的快速實(shí)現(xiàn)方法。方法：以PCI-6023E板卡作為硬件，以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為開(kāi)發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、顯示和處理，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)的快速計(jì)算。結(jié)果：對(duì)冠心病患者和健康人的心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以快速計(jì)算出關(guān)聯(lián)維數(shù)，冠心病患者的關(guān)聯(lián)維數(shù)要明顯低于正常人。結(jié)論：基于Labview的心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)的快速計(jì)算，解決從心電信號(hào)中提取心率變異(HRV)信息較難以及提取到有用信息不足的問(wèn)題，為臨床診斷和治療提供重要的參考信息。

LabVIEW；心電信號(hào)；關(guān)聯(lián)維數(shù)；心率變異

心臟是人體重要的器官之一，通過(guò)心肌細(xì)胞的收縮按照一定的節(jié)奏向人體全身供血，受神經(jīng)、血壓、激素等多方面因素的制約，因此是一個(gè)復(fù)雜的非線性生物系統(tǒng)，而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)于心電信號(hào)的分析仍以頻譜分析和小波分析為代表的線性方法為主。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，對(duì)心臟電活動(dòng)非線性現(xiàn)象的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但多數(shù)研究集中在心率變異信號(hào)(heart rate variability，HRV)方面[1]。由于對(duì)HRV信號(hào)進(jìn)行非線性研究，需要采集足夠長(zhǎng)(數(shù)小時(shí))的信號(hào)，并且要保證研究的系統(tǒng)處于長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)狀態(tài)，實(shí)踐中往往難以實(shí)現(xiàn)。因此，近年來(lái)對(duì)心電圖(electrocardiogram，ECG)信號(hào)的非線性研究[2-4]得到了重視，并在臨床上證實(shí)了許多重要的臨床綜合癥，如心臟猝死、心臟衰竭、急性心肌梗塞等，由于自主神經(jīng)功能的改變而擾動(dòng)心率控制，使心電圖信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)發(fā)生變化。

分形和混沌理論是當(dāng)今非線性科學(xué)一個(gè)重要的方面，特別適合研究各種復(fù)雜非線性系統(tǒng)，其復(fù)雜程度可以用分?jǐn)?shù)維來(lái)描述。關(guān)聯(lián)維作為分?jǐn)?shù)維的一種，能較準(zhǔn)確的反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，但是分形和混沌理論需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，心電信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)對(duì)諸多心臟病臨床綜合癥具有重要的臨床參考價(jià)值[5-6]。傳統(tǒng)的ECG機(jī)無(wú)法對(duì)采集到的ECG信號(hào)完成關(guān)聯(lián)維的計(jì)算，因此，本研究以LabVIEW為開(kāi)發(fā)軟件[7]、以NI公司的PCI-6023E板卡作為硬件，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、顯示和處理。LabVIEW軟件結(jié)合了圖形化編程方式的高效和靈活，其提供的大量圖形化的算法函數(shù)為關(guān)聯(lián)維數(shù)的快速計(jì)算提供了方便。

1 硬件設(shè)計(jì)

采用按照臨床實(shí)踐確立的12導(dǎo)聯(lián)電極，安放在人體的相應(yīng)部位來(lái)采集心電信號(hào)，ECG機(jī)作為信號(hào)調(diào)理設(shè)備，可以對(duì)電極采集到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，消除信號(hào)中的工頻干擾和肌電干擾，并將心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)[8-9]。通過(guò)ECG機(jī)上的CRO接口和DAQ采集板卡連接，將ECG機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)[10]。系統(tǒng)采用PCI-6023E板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該板卡可以實(shí)現(xiàn)16單通道輸入和8對(duì)差分輸入，實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的同時(shí)采集，為了減小誤差，提高信號(hào)精度，系統(tǒng)采用差分輸入方式[11-12]。計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)分析軟件將DAQ采集板卡采集到的信息進(jìn)行處理，并形象地顯示出來(lái)，其硬件組成如圖1所示[13-14]。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

采用NI公司的LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，此軟件采用圖形化的編程方式，可較簡(jiǎn)便直觀的進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)由于軟件中包含了豐富的功能函數(shù)庫(kù)，極大縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并降低軟件的開(kāi)發(fā)難度。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

2.1 信號(hào)采集

數(shù)據(jù)采集模塊程序的作用是對(duì)ECG機(jī)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采集，程序中AI Config VI函數(shù)用來(lái)配置采樣時(shí)的各個(gè)參數(shù)，如通道配置、緩沖區(qū)配置等[15-17]。AI Start VI函數(shù)用來(lái)指定程序中用于開(kāi)始采樣的參數(shù)，如掃描次數(shù)配置(-1表示采集一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù))、采樣率配置等。AI Read VI設(shè)定從采樣緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的參數(shù)，如每次讀取的數(shù)據(jù)量設(shè)定，scan backlog用來(lái)顯示緩沖區(qū)中剩余的數(shù)據(jù)量。采集完成后調(diào)用AI Clear VI函數(shù)將task ID清除，從而釋放采集占用的空間(如圖3所示)。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序圖

2.2 小波降噪

數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中會(huì)受到各種噪聲信號(hào)的干擾，如呼吸波(低頻)、市電干擾(中頻)及高頻噪聲[18-19]。這些噪聲會(huì)嚴(yán)重的影響非線性參數(shù)的計(jì)算，因此在關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算之前必須能同時(shí)消除這些干擾信號(hào)。傳統(tǒng)的濾波方法可以有效的過(guò)濾噪聲，但是也會(huì)衰減實(shí)際信號(hào)造成測(cè)量的誤差，小波包濾波技術(shù)可以很好的解決上述問(wèn)題[20-22]。

MATLAB軟件附帶的小波工具箱中含有多種常用的小波和小波包，并且可以方便靈活的實(shí)現(xiàn)小波分析。因此，本研究通過(guò)在LabVIEW中調(diào)用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小波降噪。LabVIEW與MATLAB Script節(jié)點(diǎn)間參數(shù)的傳遞可以通過(guò)添加輸入、輸出接口完成，這樣參數(shù)就可以通過(guò)LabVIEW與MATLAB接口傳遞給MATLAB應(yīng)用程序，完成信號(hào)的分析和處理，最后再回傳給LabVIEW。本系統(tǒng)前端12導(dǎo)聯(lián)放大器的頻響范圍為0.5～1000 Hz，選用小波基6.8，軟閾值去噪，設(shè)計(jì)濾波的頻響為2～250 Hz。對(duì)比發(fā)現(xiàn)降噪后的心電信號(hào)在保證幅值和形狀基本不變的基礎(chǔ)上，各種干擾噪聲信號(hào)得到了極大的削弱。降噪前后的信號(hào)如圖4所示。

圖4 小波降噪前后的結(jié)果對(duì)比圖

2.3 關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算

2.3.1 相空間的重構(gòu)

相空間的重構(gòu)一般采用延時(shí)法，設(shè)系統(tǒng)嵌入的維數(shù)為k，延時(shí)時(shí)間為τ，則狀態(tài)空間向量即為公式1：

xi=(xi，xi+τ，…，xi+(k-1)τ) i=1，2，…，N N=n-kt+τ(1)

Xi對(duì)應(yīng)k維相空間的一個(gè)點(diǎn)，N個(gè)點(diǎn)構(gòu)成相空間中一條動(dòng)力學(xué)軌道。將心電信號(hào)第一次經(jīng)過(guò)零值時(shí)所對(duì)應(yīng)的t選為延時(shí)時(shí)間。相空間重構(gòu)的程序如圖5所示，其中內(nèi)層For循環(huán)構(gòu)造相空間中的一個(gè)點(diǎn)；外層For循環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)造完整的相空間；循環(huán)體外面的程序用來(lái)計(jì)算N和延時(shí)時(shí)間τ。

圖5 相空間的重構(gòu)程序圖

表1 冠心病患者和正常人關(guān)聯(lián)維數(shù)比較

2.3.2 關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算

計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)的步驟如下。

(1)首先給定一個(gè)距離數(shù)值ε，計(jì)算符號(hào)函數(shù)θ(α)，即為公式2：

式中θ為重構(gòu)的相空間中距離小于ε的點(diǎn)對(duì)數(shù)。

(2)關(guān)聯(lián)積分的計(jì)算為公式3：

式中C(ε)表示距離小于ε的點(diǎn)對(duì)在整個(gè)點(diǎn)對(duì)中所占有的比例，當(dāng)ε值在一定范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)滿足公式4：

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)，對(duì)公式4的兩邊分別取對(duì)數(shù)得公式5：

式中d即為關(guān)聯(lián)維數(shù)。

通常關(guān)聯(lián)維數(shù)的大小是通過(guò)求取標(biāo)度曲線lnε～lnC(ε)的直線部分的斜率來(lái)確定。通過(guò)LabVIEW的“線性擬合”函數(shù)來(lái)擬合直線，然后通過(guò)讀取擬合直線的斜率來(lái)確定關(guān)聯(lián)維數(shù)，其具體程序如圖6所示。

圖6 關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算程序圖

3 關(guān)聯(lián)維數(shù)分析

系統(tǒng)對(duì)冠心病患者和正常人的12導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)進(jìn)行采集、處理和計(jì)算，得到的關(guān)聯(lián)維數(shù)見(jiàn)表1。

比較發(fā)現(xiàn)，不論正常人還是冠心病患者，從不同導(dǎo)聯(lián)信號(hào)分析得到的關(guān)聯(lián)維數(shù)各不相同，但從同一導(dǎo)聯(lián)信號(hào)得到的關(guān)聯(lián)維數(shù)來(lái)看，冠心病患者的關(guān)聯(lián)維數(shù)要明顯低于正常人，顯示了在心肌缺血情況下，心臟的復(fù)雜程度有所降低。因此，通過(guò)本系統(tǒng)對(duì)ECG信號(hào)計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)維數(shù)可以為心臟病患者提供有價(jià)值的臨床診斷信息。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)ECG機(jī)的基礎(chǔ)上，以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以DAQ采集板卡為硬件支持，實(shí)現(xiàn)了人體心電信號(hào)的采集、處理以及關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)不僅可以快速計(jì)算出心電信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)，而且計(jì)算得到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，解決了之前從心電信號(hào)中提取HRV信息較難，以及提取到有用信息不足的問(wèn)題，為臨床診斷和治療提供了重要的參考信息。

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Fast-implementation of correlation dimension of ECG signal base on LabVIEW

/DIAO Ai-qin

Objective:To research a fast-implementation method of correlation dimension of ECG signal base on LabVIEW.Methods:In this paper, acquisition ,display and processing of ECG signal were implemented through applied PCI-6023E as hardware and applied graphical programming language LabVIEW as development software. And then through software programming to realize fast calculation for correlation dimension of ECG signal.Results:This method was used to analyze and calculate the correlation dimension of ECG between patients with coronary heart disease and healthy people. And the experiment indicated that it can fast and reliably calculate the correlation dimension, and the correlation dimension of patients with coronary heart disease was obviously lower than that of healthy people.Conclusion:The correlation dimension system of ECG signal based on LabVIEW can realize the fast calculation of correlation dimension of ECG signal, and solve the two problems that heart rate variability (HRV) information are difficultly extracted from ECG signal and the extracted useful information are inadequate. Therefore, it provides important reference information for clinical diagnosis and treatment.

LabVIEW; ECG signal; Correlation dimension; Heart rate variability

School of Medical Technology, Taizhou Polytechnical College, Taizhou 225300,China.

刁愛(ài)芹,女,(1986- ),碩士，講師。泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，研究方向：心血管信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

1672-8270(2017)12-0023-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.007

泰州市科技社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(TS201523)“雌激素通過(guò)抑制Integrin?1/FAK/p38 MAPK信號(hào)通路減輕機(jī)械牽張誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大的研究”；泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研重點(diǎn)項(xiàng)目(TZXY-15-8)“大豆異黃酮下調(diào)TLR4/MyD88介導(dǎo)的信號(hào)通路保護(hù)心肌肥厚”

①泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院 江蘇 泰州 225300

//China Medical Equipment,2017,14(12):23-26.

2017-06-22