基于labview心电信号的系统设计

1、学号成绩 虚拟仪器技术课程论文题目： 心电信号分析系统设计 作 者 殷松超 班 级 电信 11-2BF 院 别 信息与通信工程 专 业 电子信息工程 完成时间 2013年10月20日 1 绪论1.1研究背景和意义 随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以Internet为代表的计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了时空限制和地域限制，大范围通信变得越来越容易，对测控系统的组建也产生了越来越大的影响。一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共

2、同完成整个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”的出现成为必然。了解基于LabVIEW的虚拟仪器的特点和使用方法，熟悉采用LabVIEW进行仿真的方法。了解人体心电信号的时域特征和频谱特征。进一步了解数字信号的分析方法。通过应用具体的滤波器进一步加深对滤波器的理解。通过本课题的设计，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。1.2 论文主要完成的工作首先对心电信号系统做一个总体的方案设计，并且给出基于labview的心电信号系统的前面板和程序设计流程图，介绍功能模块设计步骤，根据具体设计要求完成系统的程序编写、调试及功能测试。编程绘制实现信号处理前后的频谱

3、，做频谱分析，得出相关结论。对系统进行综合测试，整理数据。2 系统设计2.1系统功能要求利用labVIEW设计一个基于虚拟仪器的简单的心电信号分析系统。对输入的原始心电信号，进行一定的数字信号处理，进行频谱分析。对原始数字心电信号进行读取，由数字信号数据绘制出其时域波形。对数字信号数据做一次线性插值，使其成为均匀数字信号，以便后面的信号分析。根据心电信号的频域特征（自己查阅相关资料），设计相应的低通和带通滤波器。2.2系统方案设计1.心电信号的读取txt格式的数据文件内容及格式如图1-1所示（以100.txt为例）：图1.1 txt格式心电数据文件其中文件的第一列为采样时间，第二列是在以MLI

4、I这种导联方式所得到的采样数据，第三列式以V5这种导联方式所得到的采样数据，全文件记录了约为10s的心电数据，3600个采样数据，每一行数据之间用Tab符分隔。由于数据文件中后两列数据是对同一种心电信号进行不同的导联方式所得到的采样数据，所以可以采用任意其中的一种采样数据（比如选择MLII），摒弃另外一种，即可完成对此心电信号的分析。全部的心电文件记录时间约为10s，共计12个左右周期的心电信号。根据txt格式的数据文件的特点，利用labvIEW提供的I/O文件函数，在本课题中，主要是围绕LabVIEW中的read from spreadsheet file读表单文件函数来设计心电信号的读取部

5、分的VI，并利用XY Graph来对数据做图形化显示。让心电数据文件中的第一列时间数据作为x轴，对应的MLII方式的幅值作为y轴，以此得到绘制的原心电波形。图1.2 读表单文件函数VI图1.2读表单文件函数使用举例实际设计心电信号数据文件时需要注意：（1）数据文件的前两行为解释说明文字，不是真正的信号数据，读取信号程序要能够自动忽略前两行文字，只读取真正的数字信号数据（严禁自己手动删除原心电数据文件中的前两行数据，必须通过程序来实现忽略前两行文字的目的）。（2）利用数组函数分别将文件的前两列分别读入一个一维数组。labvIEW默认的从文本文件中读取的数据都是字符串，因此在使用心电信号数据前需要

6、将其转换为数值才可以。注意：第一列时间数据均为0:00.007这种格式，因此需要将字符串0:00.007先转化为字符串0.007，即去除字符串中冒号（：）以前的部分，然后再将其转为数值。（3）最后利用已经转为数值的分别代表心电信号时间和幅值的两个一维数组，图形化还原原始心电信号波形，在此推荐利用labvIEW中XY Graph。2.心电信号的线性插值处理根据上文中提到的插值公式，以此为原理，设计labvIEW程序，对心电信号数据做线性插值处理。插值完以后的数据应该是时间均匀的、以0.001秒为间隔的。此步骤主要是基于labvIEW中的数组操作函数来实现，建议一定首先熟悉并掌握labvIEW中的

7、所有数组操作函数的作用和操作方法（比如array size函数、index array函数、insert into array函数等）。其中一种插值方法的思路是：第一步中读取的心电信号数据的时间数据和幅值数据分别存放在一个一维数组中。然后利用for循环结构把所有数据依次读取进来。判断时间数据数组中前后两个相邻的数据间隔是否为0.001s，如果是则判断下一对相邻两个数据；如果间隔大于0.001s则在一个CASE结构里面做插值处理。注意对时间数据做插值的同时一定不要忘记对幅值数据同样做插值处理，时间数据和幅值数据一定是相互对应的。3.设计相应的数字滤波器原心电信号里面是包含有噪声的，因此需要对数字

8、心电信号做一定滤波处理。LabVIEW提供的IIR滤波器类型有Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic和Bessel滤波器。它们都有各自的特点，用途也不尽相同。LabVIEW还提供了高级IIR和FIR滤波器子面板。在高级面板中，滤波器的设计部分和执行部分是分开的。由于滤波器的设计很费时间，而滤波过程则很快。在含有循环结构的程序中，可以将滤波器的设计放在循环外，将设计好的滤波器参数传递到循环内，在循环内进行滤波，从而提高程序的运行效率。 选择合适的滤波器为心电信号设计一个低通和高通滤波器，或者带通滤波器。4. 频谱分析应该对线性插值后的心电

9、信号和滤波处理后的心电信号做傅里叶变换，画出其频谱，比对前后差异，分析滤波器性能。labvIEW中频域分析函数被划分为两个面板：Transforms面板实现的函数功能主要有傅立叶变换、Hilbert变换、小波变换、拉普拉斯变换等；Spectral Analysis面板包含的函数主要包括功率谱分析、联合时频分析等。5.低通滤波器和FFT举例信号源由一个正弦信号与一个经过高通滤波的高频信号叠加而成。高通滤波器的截止频率为100Hz，即滤掉频率小于100 Hz的低频噪声分量。信号滤波器为Butterworth滤波器，截止频率设为30Hz，即滤掉频率大于30Hz的噪声分量。从图中可以清楚地看到滤波后的

10、信号基本还原了正弦信号。2.3各主要模块的设计1. 利用labVIEW读取MIT-BIH数据库提供的数字心电信号，并还原实际波形美国麻省理工学院提供的MIT-BIH数据库是一个权威性的国际心电图检测标准库，近年来应用广泛，为我国的医学工程界所重视。MIT-BIH数据库共有48个病例，每个病例数据长30min，总计约有116000多个心拍，包含有正常心拍和各种异常心拍，内容丰富完整。为了读取简单方便，采用其txt格式的数据文件作为我们的原心电信号数据。利用labVIEW提供的文件I/O函数，读取txt数据文件中的信号，并且还原实际波形。2.对原始心电信号做线性插值处理由于原始心电信号数据不是通过

11、等间隔采样得到的，也就是说原始的心电数据并不是均匀的，而用Matlab中提供的数字滤波器处理数据时，要求数据是等间隔的。因此设计的系统首先应对原始心电信号做线性插值处理，使其变为等间隔的数字信号，否则直接处理后会出现偏差，根据心电信号的特点, 把时间分隔成0.001s。添加的幅值点采用一次线性插值。对二维数据进行插值,相连幅值间数据的插值根据时间进行,运算公式如下: ，其中是第i个数据时间点，Ai是与之对应的数据，N是两数据之间需要的插值数，是需要插值的两点数据差，时数组依次排列，即得到了插值后等间隔的新数据。3.根据心电信号的频域特征，设计相应的低通和带通滤波器一般正常人的心电信号频率在0.

12、7100HZ范围内，幅度为(胎儿)5mV(成人)。人体心电信号微弱，信噪比小，因此，在采集心电信号时，易受到仪器、人体活动等因素的影响，而且所采集的心电信号常伴有干扰。采集心电数据时，由于人的说话呼吸，常常会混有约为0.1Hz到0.25Hz频段的干扰，对于这些低频干扰，可以让信号通过一个高频滤波器，低截止频率设置为0.25,来滤除低频信号，对于高频信号干扰，可以让信号再通过一个低频滤波器，其中截止频率设置为99Hz。也可以直接应用带通滤波器设计。根据以上说明，利用labVIEW中的信号处理函数设计相应滤波器，滤除数字信号中的干扰信号。4.对处理前后的心电信号分别做频谱分析，分析结果利用labV

13、IEW对处理前后的心电信号编程显示其频谱，分析比对滤波处理前后的频谱，得出结论。如果分析频谱，滤波效果不明显，则需变动滤波器参数指标，重新设计滤波器。通过频谱分析，多次试验确定最合适的滤波器。5.系统界面设计综合前面几步，设计出一个完整的系统，并且本着简洁的原则，设计友好的人机交互界面。3 系统仿真 4 总结论文设计是检测我们大学学习成果的综合性测试，它不仅要求我们有扎实的专业理论知识和实践操作能力，更要求我们有严谨治学、团结协作的精神。但由于我们的基础理论知识不够扎实，对新技术的了解也很少，所以我们在设计过程中遇到了许多问题和困难，但在的不断询问同学老师指导帮助下，我终于顺利地完成了本次课题

14、的设计。通过这次的课题设计，我进一步加深了对专业知识的理解， 总之，论文设计让我获益匪浅。本次设计不仅使我对专业理论知识有了更深的理解，也培养了我的动手操作能力以及将所学理论运用到实际中来的能力，更培养了我的团结协作精神！在设计工作的一开始，课题的选择和查找就对我的设计思想进行了明确的指引，使得我在设计的开始就有了明确的设计方向，树立正确的设计方法。尤其在参考资料查阅方面提供了很多具有重要参考价值的资料，使我能够很快的了解电压表相关知识，全力投入到课题设计中来，达到了事半功倍的效果，使工作效率大为提高。同学总是在百忙之中给予我指导，解决了很多我所不能解决的实际问题。在同学的教导和关怀下，我的各方面能力得到了很大的提高，这将为我在今后的工作奠定良好而扎实的基础。我在学业和生活中取得的每一点成绩都浸透着老师的心血和关注。老师严谨的治学态度，敏锐深邃的洞察力，强烈的创新精神，广博的理论知识和实践经验以及平易近人循循善诱的作风，使我受益终生并将激励学生在今后的人生道路上奋进不息。通过本次课题设计，是对我大学学习的知识的一次综合性考验。在整个设计和制作过程中，我对原有的知识进行了实际的应用，同时对于一些新的知识又进行了深入的学习，使我认识到了学习的知识还存在许多的缺陷和不足。参考文献1