基于Labview的心电信号关联维数的快速实现*

刁爱芹

基于Labview的心电信号关联维数的快速实现*

刁爱芹①

目的：研究基于Labview的心电信号关联维数的快速实现方法。方法：以PCI-6023E板卡作为硬件，以图形化编程语言LabVIEW为开发软件，实现心电信号的采集、显示和处理，并通过软件编程实现心电信号关联维数的快速计算。结果：对冠心病患者和健康人的心电信号关联维数进行分析计算，可以快速计算出关联维数，冠心病患者的关联维数要明显低于正常人。结论：基于Labview的心电信号关联维数系统，实现心电信号的关联维数的快速计算，解决从心电信号中提取心率变异(HRV)信息较难以及提取到有用信息不足的问题，为临床诊断和治疗提供重要的参考信息。

LabVIEW；心电信号；关联维数；心率变异

心脏是人体重要的器官之一，通过心肌细胞的收缩按照一定的节奏向人体全身供血，受神经、血压、激素等多方面因素的制约，因此是一个复杂的非线性生物系统，而现代医学对于心电信号的分析仍以频谱分析和小波分析为代表的线性方法为主。

20世纪80年代以来，对心脏电活动非线性现象的研究有了长足的进步，但多数研究集中在心率变异信号(heart rate variability，HRV)方面[1]。由于对HRV信号进行非线性研究，需要采集足够长(数小时)的信号，并且要保证研究的系统处于长时间的平稳状态，实践中往往难以实现。因此，近年来对心电图(electrocardiogram，ECG)信号的非线性研究[2-4]得到了重视，并在临床上证实了许多重要的临床综合症，如心脏猝死、心脏衰竭、急性心肌梗塞等，由于自主神经功能的改变而扰动心率控制，使心电图信号的关联维数发生变化。

分形和混沌理论是当今非线性科学一个重要的方面，特别适合研究各种复杂非线性系统，其复杂程度可以用分数维来描述。关联维作为分数维的一种，能较准确的反映系统的动态结构，但是分形和混沌理论需要复杂的数学计算，心电信号的关联维数对诸多心脏病临床综合症具有重要的临床参考价值[5-6]。传统的ECG机无法对采集到的ECG信号完成关联维的计算，因此，本研究以LabVIEW为开发软件[7]、以NI公司的PCI-6023E板卡作为硬件，实现心电信号的采集、显示和处理。LabVIEW软件结合了图形化编程方式的高效和灵活，其提供的大量图形化的算法函数为关联维数的快速计算提供了方便。

1 硬件设计

采用按照临床实践确立的12导联电极，安放在人体的相应部位来采集心电信号，ECG机作为信号调理设备，可以对电极采集到的信号进行放大和滤波，消除信号中的工频干扰和肌电干扰，并将心电信号转换成标准电信号[8-9]。通过ECG机上的CRO接口和DAQ采集板卡连接，将ECG机输出的标准电信号转换成数字信号输入计算机[10]。系统采用PCI-6023E板卡进行数据采集，该板卡可以实现16单通道输入和8对差分输入，实现多个信号的同时采集，为了减小误差，提高信号精度，系统采用差分输入方式[11-12]。计算机通过信号分析软件将DAQ采集板卡采集到的信息进行处理，并形象地显示出来，其硬件组成如图1所示[13-14]。

图1 系统硬件组成框图

图2 系统软件流程图

2 软件设计

采用NI公司的LabVIEW软件作为开发平台，此软件采用图形化的编程方式，可较简便直观的进行软件开发，同时由于软件中包含了丰富的功能函数库，极大缩短系统的开发时间，并降低软件的开发难度。系统软件流程如图2所示。

2.1 信号采集

数据采集模块程序的作用是对ECG机调理后的信号进行连续采集，程序中AI Config VI函数用来配置采样时的各个参数，如通道配置、缓冲区配置等[15-17]。AI Start VI函数用来指定程序中用于开始采样的参数，如扫描次数配置(-1表示采集一个缓冲区的数据)、采样率配置等。AI Read VI设定从采样缓冲区读取数据的参数，如每次读取的数据量设定，scan backlog用来显示缓冲区中剩余的数据量。采集完成后调用AI Clear VI函数将task ID清除，从而释放采集占用的空间(如图3所示)。

图3 数据采集程序图

2.2 小波降噪

数据采集的过程中会受到各种噪声信号的干扰，如呼吸波(低频)、市电干扰(中频)及高频噪声[18-19]。这些噪声会严重的影响非线性参数的计算，因此在关联维数的计算之前必须能同时消除这些干扰信号。传统的滤波方法可以有效的过滤噪声，但是也会衰减实际信号造成测量的误差，小波包滤波技术可以很好的解决上述问题[20-22]。

MATLAB软件附带的小波工具箱中含有多种常用的小波和小波包，并且可以方便灵活的实现小波分析。因此，本研究通过在LabVIEW中调用MATLAB Script节点来实现小波降噪。LabVIEW与MATLAB Script节点间参数的传递可以通过添加输入、输出接口完成，这样参数就可以通过LabVIEW与MATLAB接口传递给MATLAB应用程序，完成信号的分析和处理，最后再回传给LabVIEW。本系统前端12导联放大器的频响范围为0.5～1000 Hz，选用小波基6.8，软阈值去噪，设计滤波的频响为2～250 Hz。对比发现降噪后的心电信号在保证幅值和形状基本不变的基础上，各种干扰噪声信号得到了极大的削弱。降噪前后的信号如图4所示。

图4 小波降噪前后的结果对比图

2.3 关联维数计算

2.3.1 相空间的重构

相空间的重构一般采用延时法，设系统嵌入的维数为k，延时时间为τ，则状态空间向量即为公式1：

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

Xi对应k维相空间的一个点，N个点构成相空间中一条动力学轨道。将心电信号第一次经过零值时所对应的t选为延时时间。相空间重构的程序如图5所示，其中内层For循环构造相空间中的一个点；外层For循环结构构造完整的相空间；循环体外面的程序用来计算N和延时时间τ。

图5 相空间的重构程序图

表1 冠心病患者和正常人关联维数比较

2.3.2 关联维数的计算

计算关联维数的步骤如下。

(1)首先给定一个距离数值ε，计算符号函数θ(α)，即为公式2：

式中θ为重构的相空间中距离小于ε的点对数。

(2)关联积分的计算为公式3：

式中C(ε)表示距离小于ε的点对在整个点对中所占有的比例，当ε值在一定范围内时，应满足公式4：

(3)计算关联维数，对公式4的两边分别取对数得公式5：

式中d即为关联维数。

通常关联维数的大小是通过求取标度曲线lnε～lnC(ε)的直线部分的斜率来确定。通过LabVIEW的“线性拟合”函数来拟合直线，然后通过读取拟合直线的斜率来确定关联维数，其具体程序如图6所示。

图6 关联维数计算程序图

3 关联维数分析

系统对冠心病患者和正常人的12导联ECG信号进行采集、处理和计算，得到的关联维数见表1。

比较发现，不论正常人还是冠心病患者，从不同导联信号分析得到的关联维数各不相同，但从同一导联信号得到的关联维数来看，冠心病患者的关联维数要明显低于正常人，显示了在心肌缺血情况下，心脏的复杂程度有所降低。因此，通过本系统对ECG信号计算得到的关联维数可以为心脏病患者提供有价值的临床诊断信息。

4 结论

本系统在传统ECG机的基础上，以LabVIEW为软件开发平台，以DAQ采集板卡为硬件支持，实现了人体心电信号的采集、处理以及关联维数的计算。实验证明，系统不仅可以快速计算出心电信号的关联维数，而且计算得到的数据真实可靠，解决了之前从心电信号中提取HRV信息较难，以及提取到有用信息不足的问题，为临床诊断和治疗提供了重要的参考信息。

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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.

刁爱芹,女,(1986- ),硕士，讲师。泰州职业技术学院医学技术学院，研究方向：心血管信号转导。

1672-8270(2017)12-0023-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.007

泰州市科技社会发展项目(TS201523)“雌激素通过抑制Integrinß1/FAK/p38 MAPK信号通路减轻机械牵张诱导的心肌细胞肥大的研究”；泰州职业技术学院科研重点项目(TZXY-15-8)“大豆异黄酮下调TLR4/MyD88介导的信号通路保护心肌肥厚”

①泰州职业技术学院医学技术学院 江苏 泰州 225300

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

2017-06-22