基于SIMULINK的心電信號源系統(tǒng)設計分析

心電信號主要頻率范圍為0.05100Hz，幅度約為04mV，信號十分微弱。由于心電信號中通常混雜有其它生物信號，加之體外以500Hz工頻為主的電磁場干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜，為醫(yī)學研究、救治和教學帶來一定困難。本文通過對心電信號的特征分析，提出了基于MATLAB/SIMULINK的心電信號仿真方法，采用快速原型技術通過輸入/輸出卡，將虛擬仿真信號轉化生成實際的物理電信號，并與實際硬件電路連接起來，構成心電信號的半實物仿真模型。

基本原理

心電信號

一個典型的心電信號如圖1示，它由P波、Q波、R波、S波和T波組成，在診斷過程中可以根據(jù)這些特征波的間隔幅值以及P-R間隔、S-T間隔和Q-T間隔判斷病人病情。

Fourier級數(shù)

若一個函數(shù)滿足狄里赫利條件，則可以將它展開為傅立葉級數(shù)的形式。傅立葉級數(shù)的三角函數(shù)形式定義如下：

狄里赫利條件充分條件：

（1）函數(shù)在任意有限區(qū)間連續(xù)，或只有有限個第一類間斷點（當t從左或右趨向于這個間斷點時，函數(shù)存在有限的左極限和右極限）；

（2）在一周期內，函數(shù)存在有限個極大值或極小值。

心電信號仿真及結果分析

心電信號仿真

本設計方案是將心電信號看作一個由各個三角波信號和正弦信號的組合，先經(jīng)過計算得到各個特征波序列，再將各波合成為最終的仿真信號。具體實現(xiàn)方法如下：

（1）心電信號的QRS波、Q波和S波用三角波實現(xiàn)。

（2）心電信號的P波、T波和U波用正弦波實現(xiàn)。

三角波數(shù)學模型建立

三角波數(shù)學模型建立如下：

為方便計算，將此函數(shù)展開為傅立葉級數(shù)的形式：

式中，

正弦波數(shù)學模型建立

正弦波建立模型如下：

為方便計算，將此函數(shù)展開為傅立葉級數(shù)的形式：

仿真結果分析

通過上述仿真方案，仿真心電信號各特征波參數(shù)如表1示，心電信號仿真波形如圖2示。

實時心電信號源設計

設計方案采用SIMULINK實現(xiàn)心電信號發(fā)生器的設計。SIMULINK可以方便地進行可視化動態(tài)建模，且仿真過程是交互的，可以隨時修改參數(shù)，能夠立即看到仿真結果，生成可以實際應用的實時信號。

心電信號發(fā)生器實現(xiàn)

設計方案中將心電信號看作是由各個特征波組合在一起的波形，這些特征波包括P波、Q波、QRS波、S波、T波和U波。仿真設計過程中，Q波、QRS波和S波用三角波實現(xiàn)，P波、T波和U波用正弦波實現(xiàn)。

心電信號發(fā)生器的設計采用七個模塊實現(xiàn)，其中六個模塊的功能是實現(xiàn)特征波，一個模塊用來合成各個特征波，實現(xiàn)心電信號的仿真。設計結果如圖3。

如圖3示，每個心電信號特征波產生模塊均有一個各自的特征波參數(shù)輸入，這些參數(shù)包括幅度、寬度和移位。另外，6個心電信號特征波形產生模塊有2個公共輸入，分別是產生心電信號的長度x和心跳周期beat。顯而易見，該心電信號發(fā)生器的SIMULINK模型可以通過改變心電信號參數(shù)，方便地得到所需的心電信號。

實時心電信號的產生

設計方案中，采用SIMULINK設計的心電信號發(fā)生器產生數(shù)字仿真心電信號，通過研華公司（Advantech）的模擬輸出數(shù)據(jù)采集卡PLC-812PG的D/A轉換器引出，生成實時心電信號，具體原理框圖如圖4。

MATLAB Embedded Function模塊只支持二維矩陣運算，因此在實時心電信號輸出時要注意二維數(shù)據(jù)到一維數(shù)據(jù)的轉換，即采用一個二維矩陣到一維矩陣的轉換模塊。

結論

本方案解決了實際心電信號采集過程中硬件電路復雜、噪聲大以及個別心電波形不易采集等困難。為醫(yī)學研究和教學帶來方便，具有一定實用和參考價值。

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