摘? 要： 針對心電信號自動分析和處理的需要，采用小波變換" title="小波變換" target="_blank">小波變換的方法對心電信號進行消噪、特征提取、壓縮等分析與處理，并且結(jié)合虛擬儀器LabVIEW設(shè)計實現(xiàn)了多功能虛擬心電信號分析儀。實驗結(jié)果表明，它對于心電信號的自動檢測、優(yōu)化分析和處理有重要意義。
關(guān)鍵詞： 心電信號； 小波分析； 消噪； QRS波； 虛擬儀器
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心電（ECG）信號自動分析方法種類繁多[1]，但在進一步提高信號檢測率、準確率以及降低成本、使分析診斷系統(tǒng)小型化和提高自動化檢測水平等方面，仍有大量的研究工作要做。參考文獻[2]、[3]采用虛擬儀器LabVIEW設(shè)計了心電信號的記錄、檢測系統(tǒng)，但對于ECG信號的分析與處理功能尚不完善。
心電（ECG）信號是一種時變的非平穩(wěn)信號，其隨機性和噪聲背景都較強。因此，對心電信號特征信息的提取、分析和處理相當困難。對于ECG信號自動分析中的首要問題——QRS波的檢測，傳統(tǒng)的方法如濾波算法、模板匹配法等，雖然較好地解決了這一問題，但在準確率等方面還是不夠令人滿意。近年來，隨著小波理論的建立，人們開始將基于時—頻分析的小波變換運用到心電信號的分析中，并取得了很好的效果。目前較新的QRS波檢測方法有最小二乘小波QRS波檢測法[4]、基于Mexican-hat小波的QRS波檢測法[5]，基于雙正交樣條小波的QRS波檢測法[6-7]，基于形態(tài)小波的QRS波檢測法[8]。這些方法在檢測準確率方面都有一定的改進。
本文以虛擬儀器LabVIEW為開發(fā)平臺，采用小波分析的方法，設(shè)計了可在不同小波、不同分辨率（多尺度）、各種噪聲、不同降噪閾值等方面對ECG信號進行分析的多功能虛擬儀器，在降低儀器成本、提高信號檢測率、準確率方面有一定的意義。
1 心電信號的采集與輸入
1.1 硬件電路采集
心電信號采集的硬件電路框圖如圖1所示。用多級（常用12級）導(dǎo)聯(lián)將采集到的信號通過多路心電放大器處理、A/D轉(zhuǎn)換后，通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡引入PC機進行處理。參考文獻[2]給出了詳細的設(shè)計方案。
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1.2 MIT—BIH標準心電數(shù)據(jù)庫
美國麻省理工學(xué)院提供的MIT—BIH數(shù)據(jù)庫是一個權(quán)威性的國際心電圖檢測標準庫，近年來應(yīng)用廣泛，為我國的醫(yī)學(xué)工程界所重視。MIT—BIH數(shù)據(jù)庫共有48個病例，每個病例數(shù)據(jù)長30min，總計約有116 000多個心拍，包含有正常心拍和各種異常心拍,內(nèi)容豐富、完整。本文主要以MIT—BIH庫為樣本進行ECG信號的分析和處理。
2 心電信號的小波分析和處理
心電信號具有較強的隨機性和背景噪聲，而且又屬于非平穩(wěn)、非線性的弱信號。這就給信號的提取和分析帶來困難。傳統(tǒng)的信號處理方法——傅里葉變換只能獲得信號整體頻譜，而不能進行局部分析，對心電信號的處理能力差。窗口傅里葉變換(WFT)或稱為短時傅里葉變換(STFT)雖然彌補了傳統(tǒng)傅里葉變換的某些不足，但它不能滿足人們對非平穩(wěn)信號進行有效分析的要求。因此，一種新的信號時頻分析理論——小波變換（WT）理論應(yīng)運而生。
如果ψ∈L2(R)滿足如下可允許條件：
則稱ψ為一個基小波(或母小波)。設(shè)x(t)∈L2(R)，則x(t)的小波變換定義為:
其中，τ代表位移平移，a代表尺度伸縮。
WT具有優(yōu)良的時頻分析特性,而且還具有處理非平穩(wěn)隨機信號的能力。因此，WT能成為心電信號的一種可行有效的處理方法。
2．1 ECG信號的消噪與壓縮處理
在ECG信號中，需要考慮的噪聲來源有:工頻干擾(50Hz或60Hz)、呼吸引起的基線漂移(大約為0.15Hz～0.3Hz)、電極接觸噪聲、運動偽跡等。
小波分析的重要應(yīng)用之一就是用于信號消噪。通常情況下，噪聲信號表現(xiàn)為高頻信號，而工程實際中有用信號通常為低頻信號(ECG信號的頻率為0.05Hz～100Hz)，或者是一些比較平穩(wěn)的信號。因此可按如下的方法進行消噪處理：首先對信號進行小波分解。一般地，噪聲信號多包含在具有較高頻率的細節(jié)中，從而可利用門限閾值等形式對所分解的小波系數(shù)進行處理，然后對信號進行小波重構(gòu)即可達到對信號的消噪目的。對信號消噪實質(zhì)上是抑制信號中的無用部分，恢復(fù)信號中有用部分的過程。
對ECG信號的去噪預(yù)處理可以利用小波變換模極大值去噪法、小波系數(shù)尺度相關(guān)去噪法、小波閾值去噪法等實現(xiàn)。而小波閾值去噪法[9]因原理簡單，計算量小，且在保持信號的奇異性的同時能有效地去除噪聲而得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文采用小波閾值去噪法。一個含噪的信號經(jīng)過正交小波變換后，信號對應(yīng)的小波系數(shù)包含有信號的重要信息，其幅值較大，但數(shù)目較少，而噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)分布一致，個數(shù)較多，但幅值小。因此，可在眾多的小波系數(shù)中，把絕對值較小的系數(shù)置為零，而讓絕對值較大的系數(shù)保留（硬閾值方法）或是收縮（軟閾值方法）。這樣得到估計小波系數(shù)，然后利用估計小波系數(shù)直接進行信號重構(gòu)，從而達到去噪的效果。
信號的小波壓縮處理和消噪處理在本質(zhì)上是相同的，都是在小波分解域上進行閾值處理。它們二者的區(qū)別主要在于閾值的選擇算法不同[10]。
2．2? ECG信號的特征提取
在ECG信號的自動分析中，檢測如圖2所示的QRS波是首要問題。QRS波不僅是診斷心律失常的最重要依據(jù)，而且只有在QRS波確定后才能分析ECG的其他細節(jié)信息。小波變換方法對于QRS波的檢測具有較大的優(yōu)越性。小波變換（WT）技術(shù)在提高QRS波檢測算法的抗干擾性方面取得了較好效果，即小波變換有“變焦距”的功能，在高頻部分，它有“顯微”能力，這一特點在處理突變信號時很有用，保證了WT應(yīng)用于QRS波檢測的可行性。該技術(shù)利用信號在不同尺度(頻段)上的不同分布來檢測QRS波。通過各個尺度上的小波變換的信息，可以較好地描述心電圖信號的各個波的特點，尤其是成功地把QRS復(fù)合波與高P波、高T波、噪聲干擾和基線漂移等因素區(qū)別開，大大減少了這些因素對檢測效果的影響。
3 多功能虛擬心電信號分析儀的設(shè)計
虛擬心電信號分析儀器除實現(xiàn)傳統(tǒng)心電圖機的采集功能外，主要特點在于與電腦相結(jié)合，通過編程可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。
本文采用LabVIEW設(shè)計了輸入信號參數(shù)選版、預(yù)處理參數(shù)選版、ECG信號特征提取選版和ECG信號處理選版，實現(xiàn)多功能虛擬心電信號分析儀。圖3為設(shè)計的前面板。
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3.1 輸入信號參數(shù)選版
信號的輸入有三種來源：(1)硬件采集實時輸入；(2)對采集的ECG信號制作成dat數(shù)據(jù)文件，分析時直接調(diào)用；(3)調(diào)用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫的標準ECG信號。為了保證分析的可靠性，本文所分析的信號采用方法(3)。
??? 輸入信號參數(shù)選版可選擇讀取MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的所有ECG信號，根據(jù)需要逐一分析處理，對臨床診斷具有一定的參考和使用價值。該選版還設(shè)計了輸入信號采樣點數(shù)設(shè)置控件，可根據(jù)需要設(shè)置采樣點數(shù)以顯示不同時長的ECG信號；可對波形進行放大、局部觀察等細化操作。圖4是從MIT-BIH庫中讀入的100和230ECG信號。
3.2 預(yù)處理參數(shù)選版
??? 預(yù)處理參數(shù)選版用來對含噪的ECG信號進行消噪預(yù)處理。該選版中，“是否添加噪聲”按鈕用來對無噪聲污染的信號進行噪聲模擬（此處設(shè)置了基線漂移噪聲、工頻干擾噪聲、白噪聲，通過下拉列表選擇），可選擇硬閾值去噪、軟閾值去噪和強制去噪等方法對噪聲污染的信號去噪處理。圖5為基線漂移噪聲和工頻噪聲模擬及去噪的效果。
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3.3 ECG信號特征提取選版
??? QRS波被選檢測方法中列出了目前較新的四種檢測方法：最小二乘小波法、Mexican-hat小波法、雙正交樣條小波法和形態(tài)小波法。從表1看出，各種方法在檢測率、準確率、運算量、抗干擾等方面各有特色，可根據(jù)待分析的ECG信號選擇合適的方法。另外，該選版中還設(shè)計了“小波選擇”下拉列表，可結(jié)合心電信號的特點選定合適的小波函數(shù)；“分解尺度設(shè)置”用來觀察多尺度下ECG信號的細節(jié)與近似。圖6中采用了雙正交樣條小波法對ECG信號（230）的QRS波進行了檢測和標定。給出了ECG信號在尺度3下的小波系數(shù)和模極大值點，虛線標出了QRS波的起始和結(jié)束位置，實線標出了R波的峰值。
3.4 ECG信號處理選版
??? 虛擬心電信號分析儀可以自動檢測出R波，根據(jù)檢測出的R波，可以由(3)式計算出心率。
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式中，x是要計算的心率，fn是對ECG信號的采樣率，RNumber為R波個數(shù)。Rlast-Rfirst(Rlast為最后一個R波位置，Rfirst為第一個R波位置)為最后一個R波和第一個R波之間隔的數(shù)據(jù)，如果采樣率為1 000的話，這個值其實就是相隔的毫秒數(shù)。
該選版可按上述方法計算并顯示瞬時心率；可對ECG信號進行壓縮處理。
本文采用具有良好時頻分析性能的小波分析方法，以直觀友好的LabVIEW虛擬儀器軟件為開發(fā)平臺，結(jié)合目前較新的ECG信號去噪、QRS波檢測、壓縮等分析處理技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了多功能的虛擬心電信號分析儀器，對方便臨床醫(yī)生對心電圖波形的測量和標定，提高心電圖計算機自動識別的準確率和正檢測率有一定的現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)的功能可進一步擴展和增強。
參考文獻
[1]?李翠微，鄭崇勛．ECG自動分析技術(shù)的發(fā)展[J]． 國外醫(yī)學(xué)(生物醫(yī)學(xué)工程分冊)，1994,14(1):15．
[2]?李喆，盧廣文，莫莉,等．基于LabVIEW的虛擬心電記錄系統(tǒng)研制[J]．微計算機信息，2007(31)：111-112．
[3]?楊宏麗，張慶平．基于LabVIEW的心電信號檢測處理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(24)：115-116．
[4]?于德海．最小二乘小波及其在心電信號提取中?的應(yīng)用[D]．北京：北方工業(yè)大學(xué)，2005．
[5]?邱雅竹，丁顯峰，馮俊,等．基于Mexican-hat小波的QRS檢測新方法[J]．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2006，23(6)：1347-1349.
[6]?LI C W， ZHENG C X，TAI C F．Detection of ECG characteristic points using wavelet transform．IEEE Trans BME，1995，42(1)：21.
[7]?張大波，郭利，巴?。诘诙〔ㄗ儞Q的心電信號分析算法[J]．數(shù)據(jù)采集與處理，2006，21(4):450-453．
[8]?趙志華．基于形態(tài)小波的Q波檢測算法[J]．計算機工程與應(yīng)用，2007，43(13):236-238．
[9] ?DONOHO D L， JOHNSTONE I M． Ideal spatial adaptation ?by wavelet shrinkage．Biometrika，1994，81(3):425-455．
[10] 蔣學(xué)程．心電信號小波變換自適應(yīng)編碼壓縮方法[J]．閩江學(xué)院學(xué)報，2006，27(2):45-48．