基于gui心电监护仪的设计与实现

基于gui心电监护仪的设计与实现内容摘要：

相对的恒定。 当心肌细胞一端的细胞膜受到一定程度的刺激(或阈刺激 )时，对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引起膜内外的阴阳离子产生流动，使心肌细胞除极化和复极化，并在此过程中与尚处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电偶，此变化过程可用置于体表的一定检测出来。 由心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律地舒张和收缩，从而实现 “ 血液泵 ” 的功能，维持人体循环系统的正常运 转。 心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，在一定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。 基于 GUI 的心电监护仪设计 4 心电图及心电信号的特征分析 心脏电传导过程分析 心电生理学资料表明 [9]，心脏不断的进行有节奏的收缩和舒张运动。 由心肌激动产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。 在每个心动周期中，窦房结是心脏的最高起博点 (也叫一级起搏点 )，它发出的激动命令经结间束首先传给房室结(也称第二级起搏点 )。 房室 结向下发出一条传导路，称房室束，它位于室间隔内。 房室束往下又不断发左右两个束支，越分越细，最后分别形成互相交织得像网一样的结构，称普肯耶纤维，终止于心肌内。 此生物电传递变化十分复杂，呈混沌态，其有序结果通过周围组织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的电变化。 将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心电信号变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图。 心电信号时域特征分析 图 21 典型的心电信号 如图 21 所示的正常心电图由一系列波群组成，各段波群反映不同阶段的心电信号变化，由于 QRS 波变化比较集中，所以给出了分解图。 下面对每个波形点作详细的介绍： (1) P 波：最初产生的偏离的波被命名为 P 波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极。 心脏的兴奋发源于窦房结，最先传至心房，故心电图各波中最先出现的是代表左右两心房兴奋过程的 P 波。 兴奋在向两心房传播过程中，其心电去极化的综合向量先指向左下肢，然后逐渐转向左上肢。 如将各瞬间心房去极的综合向量连结起来，便形成一个代表心房去极的空间向量环，简称 P 环。 P 环在各导联轴上的投影即得出各导联上不同的 P 波。 P 波形小而圆钝，随各导联而稍有不同。 P 波基于 GUI 的心电监护仪设计 5 的宽度一般不超过 秒，电压（高度）不超过 毫伏。 (2) QRS 波群：心室激活产生的最大波，它反映心室肌除极过程的电位变化。 正常间隔 秒。 典型的 QRS 波群是指三个紧密相连的波；第一个向下的波为 Q波，这波不一定总是出现。 QRS 波的第一个向上的波为 R 波，继 R 波后第一个向下的波为 S 波，发生在 S 波后的向上的波称为 R。 QRS 是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个 QRS 波群都具有 Q、 R、 S 三个波，一个单相的负 QRS 复合波被称为QS 波。 (3) PR 间期：从 P 波开始到 QRS 复合波开 始，它代表心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限。 正常间期是 秒，测量是从 P 波的起点到 QRS 复合波的起点，不管初始波是 Q 波还是 R 波。 它是房室传导时间的一种度量，由于这个原因，它在临床诊断上很有用。 基线是由波的 TP 段建立的 (T 波末端到下一个 P 波开始。 (4) ST 间期：是在 QRS 波群以后， T 波以前的一段平线。 代表左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。 该段在确定病理学上比如心肌梗塞 (升高 )和局部缺血 (降低 )上是很重要的。 在正常情况下，它用作测量其它波形幅度的等电势线。 (5) T 波：代 表心室肌复极过程引起的电位变化。 (6) QT 间期：代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。 QT 间期代表体现了心室肌肉激活间期和恢复。 这个持续时间和心率的变化相反。 但通常不采用 QT，而采用修正 QT，称为 QTC： QTC=QT+(心室率 —60)。 体表心电图反映的是心电信号的时域特性，经分析可以看出 ECG 信号的特征段的分界处是波形上的拐点。 心电信号频域特征分析 心电图是心电信号的一种时域描述 [8]。 心电信号经傅立叶变换可用域表示。 心电图对多种心脏病有诊断意义 ， 据而推论频域分析对心功能 了解和疾病的诊断可能更有价值 ， 但必须寻找心电信号时域和频域间的对应关系和进行更精确的分析。 用数字信号处理方法 ,将心电信号通过不同频率的滤波器，分析滤波后图形的变异 ,可以明了心电图各主波的频率组成 ,时域和频域参数的对应关系。 图 22 正常人心电图自功率谱 图 22 为心电信号的自功率谱图 ,约有 26,甚至 30 个谱峰 ,自低频起 ,最初 5 个谱峰占能量 50～ 60%,其中第 1谱峰幅度常最大 ,约占总能量 1/3,以后与其后依次谱峰的基于 GUI 的心电监护仪设计 6 关系 ,约为 fn∝ f0n, 例如第 1谱峰为 ,第 8谱峰则约为 ,依此类推。 心电图波形可用一时间函数表示，周期的时间函数可分解成许多不同频率正弦信号的叠加 ， 各正弦波都有其振幅和相位 ， 按频率高低，表示此不同频率正弦波振幅和相位大小的图形即为信号的频谱 [9]。 1965 年后出现快速傅里叶变换 (FFT)的高效算法 ， 以后又有多种具 FFT 分析功能的硬件问世 ， 开始了生物信号与图象的数字处理新阶段。 Sher 等用扫频仪进行心电图频率分析 ， 指出高于 100Hz 的频率对电压振幅无大作用。 Golden 等 [10]用 FFT 技术对正常人静止心电图进行谱分析 ， 指出谱的最大值发生于基频。 过去进行的频率分析工作大多着眼于与心电图仪器设计有关的频带宽度参数问题 ， 近年虽开始注意到其可能的临床意义，但对心电信号时域与频域参数间的对应关系尚未给以应有的注意。 常规心电图在临床应用上有一定的限制性 [6]， 因此寻找更敏感和更精细反映心脏信号改变的方法则很有意义 ， 将心电信号变换为频域描述提供了这种前景。 心电信号的特点 心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所没有的特点。 (1)属低频信号，且能量主要在 几百赫兹以下。 (2)信号弱。 例如从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为 10v 成人的心电信号范围也仅为 5mv。 (3)噪声强。 由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的整体，因此信号易受噪声的干扰。 如胎儿心电混有很强噪声，它一方面来自肌电、工频等干扰 ， 另一方面，在胎儿心电中不可避免地含有母亲心电，母亲心电相对我们要提取的胎儿心电则变成了噪声。 (4)随机性强。 心电信号信号不但是随机的，而且是非平稳的。 正是因为生物医学信号的这些特点，使得心电信号处理成为当代信号处理技术最可发挥其威力的一个重要领域。 3 基于 MATLAB 的心电信号处理 心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，要对其进行分析，就必须经过去噪处理，而 MATLAB 作为数字信号处理的专业软件能够帮助我们很好的完成去噪分析的功能。 MATLAB 处理 ECG 的优 势 1. 友好的工作平台和编程环境。 MATLAB 由一系列工具组成 [4]。 这些工具方便用户使用 MATLAB 的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。 包括基于 GUI 的心电监护仪设计 7 MATLAB 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、 工作空间、文件的浏览器。 MATLAB 拥有一个高级的矩阵 /阵列语言 [3]，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。 用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（ M 文件）后再一起运行。 MATLAB 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能[7]，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。 高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。 可用于科学计算和工程绘图。 另外新版本的 MATLAB 还着重在图形用户（ GUI）的制作 上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 MATLAB 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱 [4]。 一般来说，它们。