虚拟仪器大作业实验内容

虚拟仪器大作业

时间：2013.11.19～ 2013.11.26

地点：医用电子技术实验中心（综合楼716）

基于MIT-BIH心率失常数据库的心电信号系统的设计

现代医学表明，心电信号（ECG）含有临床诊断心血管疾病的大量信息，ECG的检测与分析在临床诊断中具有重要价值，是了解心脏的功能与状况、辅助诊断心血管疾病、评估各种治疗方法有效性的重要手段。

本次大作业利用具有直观图形化编程和强大数字信号处理功能的虚拟仪器编程语言LabVIEW作为开发平台，设计一个基于虚拟仪器的简单心电信号分析系统，该系统具有心电信号的读取，处理分析，波形显示、心率显示及报警，波形存储和回放等功能。

★基本要求：

1. 本次大作业所用原始信号是从MIT-BIH（Massachusettes Institute of Technology

and Beth Israel Hospital，美国麻省理工学院和波士顿贝丝以色列医院）心率数据库（/physiobank/database/mitdb/）中选取心电信号作为实验分析的数据。设计的系统要求对原始心电信号进行读取、绘制出其时域波形，利用原始心电数据中的时间数据控制显示时间，并具有保存回放功能，同时具有心率过快或过缓报警提示功能。

2. 心电信号是微弱低频生理电信号，通常频率在0.05Hz～100Hz，幅值不超过

4mV，它通过安装在皮肤表面的电极来拾取。由于实际检测工况的非理想，在ECG 信号的采集过程中往往会受到工频噪声及电极极化等各种随机噪声的影响。噪声的存在降低了诊断的准确性。其中影响最大的是工频干扰和基线漂移噪声。因此，在ECG 信号检测过程中，如何抑制工频干扰和基线漂移等是必须解决的问题。要求选择并设计合适的滤波器，除去所给心电信号的工频干扰和基线漂移。

3. 检测心率：检测信号心电的R波，计算平均心率和实时心率（R-R波时间间隔

的倒数），并显示实时心率和平均心率。

4. 对任一路心电信号滤波前后的信号进行时域分析和频谱分析，分别显示出结

果。

★提高部分：

1. 由于原始信号数据并不是等间隔采样而得到的，而Labview中用数字滤波器处

理的数据要求等间隔的，由此需要对原始数据做一次线性插值处理，使其成为均匀数字信号，以便后面的信号进行频域谱分析。提示：根据原文件心电信号的特点，时间间隔设置成0.001s，采用一次线性插值。

2. 对所给的心电信号进行特征点的提取。各波时距的测量，P-R间期Q-T间期的

测量。能显示心电信号特征参数。

3. 使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office 设计一个报表生成程序，

要求报表中显示标题栏，测试数据、和心电波形图，包含监测开始时间、结束时间、监测总时间长度、监测期间平均心率、心率最大值、心率最小值、监测期间实时心率的波形图。

4. 为了保护用户信息安全，登陆系统时要求设置用户登录模块。当用户运行程

序时，程序会自动弹出需要输入用户名和密码的口令信息对话框，输入不正确则不能进入运行状态，此外，还有相应的注册用户模块，删除用户模块，修改密码模块等。

说明:

1. 对上述基本要求为必须完成的，提高部分可以选择性实现，也可以进行拓展。

2. 合理美观简洁的排布用户前面板。界面要求友好、交互、生动、形象，体现

良好的程序用户交流界面。

3. 2013年12月3号提交：报告，VI程序源代码，操作使用说明，数据库中

选取的数据。

4. 大作业报告除按照以前的报告要求之外，需增加参考文献。

背景介绍：

一．心电图(Electrocardiography,ECG或者EKG)是一种记录心脏产生的生物电流的技术，记录的是电压随时间变化的曲线。临床医生可以利用心电图对患者的心脏状况进行评估，并做出进一步诊断。ECG记录是通过对若干电极(导联)感知到的生物电流进行采样获得的。图1中显示了典型的单周期心电图波形。

通常说来，记录的心电信号会被噪声和人为引入的伪影所污染，这些噪声和伪影在我们感兴趣的频段内，并且与心电信号本身有着相似的特性。为了从带有噪声的心电信号中提取出有用的信息，我们需要对原始的心电信号进行处理。

从功能上来说，心电信号的处理可以大致分为两个阶段：预处理和特征提取。预处理阶段消除和减少原始心电信号中的噪声，而特征提取阶段则从心电信号中提取诊断信息。

二．MIT 心电数据库介绍

1．M IT- B IH 心率失常数据库（MIT-BIH Arrhythmia Database是美国麻省理工学院（MIT）和波士顿贝丝以色列医院（BIH）合作进行心率失常的分析和研究，总结成的数据库，是世界上受到公认并广泛使用的标准心电数据库。数据库中的数据是通过将录制在磁带上的模拟信号进行模数转换后得到的数字信号,在存储时为了减少文件长度节省存储空间, 使用了自定义的格式, 而无法通过通用的方式去读取数据。心律失常数据库共有48 个病例，每个比例数据长30 分钟，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，并且有医学专家对每个心拍作出的识别和标注。数据库中数据的采样率为360Hz，11 位采样精度，一个采样值占两个字节。每个病例记录都记录了两个导联的数据，各个病例的导联并不相同，而是根据实际情况选择的。其记录名为100~124 和200~234 的数字，其中一些数字未使用。记录名并不是文件名。每个数据由三个文件组成，分别是头文件（扩展名是.hea）、数据文件（扩展名为.dat）、注释文件（扩展名为.atr）。头文件详细说明了与它关联的数据文件的名字及其属性, 数据文件是以自定义的" 212"的格式按二进制存储的原始信号数据; 注释文件是记录心电诊断专家对信号分析的结果。数据文件, 即某一时刻的两道导联的数据,这些数据被压缩存放在三个字节中, 即第一道导联12位数据的低8位存在第一字节中, 高4位存在第二字节的前4位中; 第二道导联12位数据的低8位, 存在第三字节中, 高4位存在第二字节的后4位中(高4位包含符号)。

2．MIT-BIH ECG 心电数据的下载

（1）下载获取MIT-BIH的数据

从下面这个官方网址可以下载到所有48组MIT-BIH心电数据：

/physiobank/database/mitdb/

下面这个链接是MIT-BIH数据库的详细说明和使用指南：

/physiobank/database/html/mitdbdir/mitdbdir.htm

（2）MIT-BIH的数据格式

MIT为了节省文件长度和存储空间，使用了自定义的格式，所以没有通用的读取方式。

一个心电记录由三个部分组成：

①头文件[.hea]，存储方式ASCII码字符。

②数据文件[.dat]，按二进制存储，每三个字节存储两个数，一个数12bit。

③注释文件[.art]，按二进制存储，格式定义比较复杂。