1.2 MIT—BIH標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)
　　美國(guó)麻省理工學(xué)院提供的MIT—BIH數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)權(quán)威性的國(guó)際心電圖檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，近年來(lái)應(yīng)用廣泛，為我國(guó)的醫(yī)學(xué)工程界所重視。MIT—BIH數(shù)據(jù)庫(kù)共有48個(gè)病例，每個(gè)病例數(shù)據(jù)長(zhǎng)30min，總計(jì)約有116 000多個(gè)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(kù)為樣本進(jìn)行ECG信號(hào)的分析和處理。
2 心電信號(hào)的小波分析和處理
　　心電信號(hào)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和背景噪聲，而且又屬于非平穩(wěn)、非線性的弱信號(hào)。這就給信號(hào)的提取和分析帶來(lái)困難。傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法——傅里葉變換只能獲得信號(hào)整體頻譜，而不能進(jìn)行局部分析，對(duì)心電信號(hào)的處理能力差。窗口傅里葉變換(WFT)或稱為短時(shí)傅里葉變換(STFT)雖然彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傅里葉變換的某些不足，但它不能滿足人們對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行有效分析的要求。因此，一種新的信號(hào)時(shí)頻分析理論——小波變換（WT）理論應(yīng)運(yùn)而生。
如果ψ∈L²(R)滿足如下可允許條件：
　　　　

　　則稱ψ為一個(gè)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(shí)頻分析特性,而且還具有處理非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的能力。因此，WT能成為心電信號(hào)的一種可行有效的處理方法。
2．1 ECG信號(hào)的消噪與壓縮處理
　　在ECG信號(hào)中，需要考慮的噪聲來(lái)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(yùn)動(dòng)偽跡等。
　　小波分析的重要應(yīng)用之一就是用于信號(hào)消噪。通常情況下，噪聲信號(hào)表現(xiàn)為高頻信號(hào)，而工程實(shí)際中有用信號(hào)通常為低頻信號(hào)(ECG信號(hào)的頻率為0.05Hz～100Hz)，或者是一些比較平穩(wěn)的信號(hào)。因此可按如下的方法進(jìn)行消噪處理：首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解。一般地，噪聲信號(hào)多包含在具有較高頻率的細(xì)節(jié)中，從而可利用門限閾值等形式對(duì)所分解的小波系數(shù)進(jìn)行處理，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)即可達(dá)到對(duì)信號(hào)的消噪目的。對(duì)信號(hào)消噪實(shí)質(zhì)上是抑制信號(hào)中的無(wú)用部分，恢復(fù)信號(hào)中有用部分的過(guò)程。
對(duì)ECG信號(hào)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(shí)現(xiàn)。而小波閾值去噪法^[9]因原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，且在保持信號(hào)的奇異性的同時(shí)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(gè)含噪的信號(hào)經(jīng)過(guò)正交小波變換后，信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)包含有信號(hào)的重要信息，其幅值較大，但數(shù)目較少，而噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)分布一致，個(gè)數(shù)較多，但幅值小。因此，可在眾多的小波系數(shù)中，把絕對(duì)值較小的系數(shù)置為零，而讓絕對(duì)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(jì)小波系數(shù)，然后利用估計(jì)小波系數(shù)直接進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，從而達(dá)到去噪的效果。
　　信號(hào)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(jìn)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(hào)的特征提取
　　在ECG信號(hào)的自動(dòng)分析中，檢測(cè)如圖2所示的QRS波是首要問(wèn)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(xì)節(jié)信息。小波變換方法對(duì)于QRS波的檢測(cè)具有較大的優(yōu)越性。小波變換（WT）技術(shù)在提高QRS波檢測(cè)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(diǎn)在處理突變信號(hào)時(shí)很有用，保證了WT應(yīng)用于QRS波檢測(cè)的可行性。該技術(shù)利用信號(hào)在不同尺度(頻段)上的不同分布來(lái)檢測(cè)QRS波。通過(guò)各個(gè)尺度上的小波變換的信息，可以較好地描述心電圖信號(hào)的各個(gè)波的特點(diǎn)，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(kāi)，大大減少了這些因素對(duì)檢測(cè)效果的影響。

3 多功能虛擬心電信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)
　　虛擬心電信號(hào)分析儀器除實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)心電圖機(jī)的采集功能外，主要特點(diǎn)在于與電腦相結(jié)合，通過(guò)編程可以使用高效且功能強(qiáng)大的軟件來(lái)自定義采集、分析、存儲(chǔ)、共享和顯示功能。
　　本文采用LabVIEW設(shè)計(jì)了輸入信號(hào)參數(shù)選版、預(yù)處理參數(shù)選版、ECG信號(hào)特征提取選版和ECG信號(hào)處理選版，實(shí)現(xiàn)多功能虛擬心電信號(hào)分析儀。圖3為設(shè)計(jì)的前面板。

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3.1 輸入信號(hào)參數(shù)選版
　　信號(hào)的輸入有三種來(lái)源：(1)硬件采集實(shí)時(shí)輸入；(2)對(duì)采集的ECG信號(hào)制作成dat數(shù)據(jù)文件，分析時(shí)直接調(diào)用；(3)調(diào)用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)ECG信號(hào)。為了保證分析的可靠性，本文所分析的信號(hào)采用方法(3)。
??? 輸入信號(hào)參數(shù)選版可選擇讀取MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有ECG信號(hào)，根據(jù)需要逐一分析處理，對(duì)臨床診斷具有一定的參考和使用價(jià)值。該選版還設(shè)計(jì)了輸入信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置控件，可根據(jù)需要設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)以顯示不同時(shí)長(zhǎng)的ECG信號(hào)；可對(duì)波形進(jìn)行放大、局部觀察等細(xì)化操作。圖4是從MIT-BIH庫(kù)中讀入的100和230ECG信號(hào)。

3.2 預(yù)處理參數(shù)選版
??? 預(yù)處理參數(shù)選版用來(lái)對(duì)含噪的ECG信號(hào)進(jìn)行消噪預(yù)處理。該選版中，“是否添加噪聲”按鈕用來(lái)對(duì)無(wú)噪聲污染的信號(hào)進(jìn)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(guò)下拉列表選擇），可選擇硬閾值去噪、軟閾值去噪和強(qiáng)制去噪等方法對(duì)噪聲污染的信號(hào)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(hào)特征提取選版
??? QRS波被選檢測(cè)方法中列出了目前較新的四種檢測(cè)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(cè)率、準(zhǔn)確率、運(yùn)算量、抗干擾等方面各有特色，可根據(jù)待分析的ECG信號(hào)選擇合適的方法。另外，該選版中還設(shè)計(jì)了“小波選擇”下拉列表，可結(jié)合心電信號(hào)的特點(diǎn)選定合適的小波函數(shù)；“分解尺度設(shè)置”用來(lái)觀察多尺度下ECG信號(hào)的細(xì)節(jié)與近似。圖6中采用了雙正交樣條小波法對(duì)ECG信號(hào)（230）的QRS波進(jìn)行了檢測(cè)和標(biāo)定。給出了ECG信號(hào)在尺度3下的小波系數(shù)和模極大值點(diǎn)，虛線標(biāo)出了QRS波的起始和結(jié)束位置，實(shí)線標(biāo)出了R波的峰值。

3.4 ECG信號(hào)處理選版
??? 虛擬心電信號(hào)分析儀可以自動(dòng)檢測(cè)出R波，根據(jù)檢測(cè)出的R波，可以由(3)式計(jì)算出心率。
???
　　式中，x是要計(jì)算的心率，f_n是對(duì)ECG信號(hào)的采樣率，R_Number為R波個(gè)數(shù)。R_last-R_first(R_last為最后一個(gè)R波位置，R_first為第一個(gè)R波位置)為最后一個(gè)R波和第一個(gè)R波之間隔的數(shù)據(jù)，如果采樣率為1 000的話，這個(gè)值其實(shí)就是相隔的毫秒數(shù)。
該選版可按上述方法計(jì)算并顯示瞬時(shí)心率；可對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行壓縮處理。
　　本文采用具有良好時(shí)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合目前較新的ECG信號(hào)去噪、QRS波檢測(cè)、壓縮等分析處理技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多功能的虛擬心電信號(hào)分析儀器，對(duì)方便臨床醫(yī)生對(duì)心電圖波形的測(cè)量和標(biāo)定，提高心電圖計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率和正檢測(cè)率有一定的現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)的功能可進(jìn)一步擴(kuò)展和增強(qiáng)。

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