基于MATLAB/SIMULINK的心電信號源仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　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(qiáng)，測量條件比較復(fù)雜，為醫(yī)學(xué)研究、救治和教學(xué)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(shù)通過輸入/輸出卡，將虛擬仿真信號轉(zhuǎn)化生成實(shí)際的物理電信號，并與實(shí)際硬件電路連接起來，構(gòu)成心電信號的半實(shí)物仿真模型。

　　基本原理

　　心電信號

　　一個(gè)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(gè)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(gè)第一類間斷點(diǎn)(當(dāng)t從左或右趨向于這個(gè)間斷點(diǎn)時(shí)，函數(shù)存在有限的左極限和右極限);

　　(2)在一周期內(nèi)，函數(shù)存在有限個(gè)極大值或極小值。

　　心電信號仿真及結(jié)果分析

　　心電信號仿真

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

　　(1)心電信號的QRS波、Q波和S波用三角波實(shí)現(xiàn)。

　　(2)心電信號的P波、T波和U波用正弦波實(shí)現(xiàn)。

　　三角波數(shù)學(xué)模型建立

　　三角波數(shù)學(xué)模型建立如下：

　　為方便計(jì)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(xué)模型建立

　　正弦波建立模型如下：

　　為方便計(jì)算，將此函數(shù)展開為傅立葉級數(shù)的形式：

　　仿真結(jié)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(shí)時(shí)心電信號源設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)方案采用SIMULINK實(shí)現(xiàn)心電信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)。SIMULINK可以方便地進(jìn)行可視化動態(tài)建模，且仿真過程是交互的，可以隨時(shí)修改參數(shù)，能夠立即看到仿真結(jié)果，生成可以實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時(shí)信號。

　　心電信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)方案中將心電信號看作是由各個(gè)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(shè)計(jì)過程中，Q波、QRS波和S波用三角波實(shí)現(xiàn)，P波、T波和U波用正弦波實(shí)現(xiàn)。

　　心電信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)采用七個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，其中六個(gè)模塊的功能是實(shí)現(xiàn)特征波，一個(gè)模塊用來合成各個(gè)特征波，實(shí)現(xiàn)心電信號的仿真。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3。

　　如圖3示，每個(gè)心電信號特征波產(chǎn)生模塊均有一個(gè)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(gè)心電信號特征波形產(chǎn)生模塊有2個(gè)公共輸入，分別是產(chǎn)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(shí)時(shí)心電信號的產(chǎn)生

　　設(shè)計(jì)方案中，采用SIMULINK設(shè)計(jì)的心電信號發(fā)生器產(chǎn)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(zhuǎn)換器引出，生成實(shí)時(shí)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(yùn)算，因此在實(shí)時(shí)心電信號輸出時(shí)要注意二維數(shù)據(jù)到一維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，即采用一個(gè)二維矩陣到一維矩陣的轉(zhuǎn)換模塊。

　　結(jié)論

　　本方案解決了實(shí)際心電信號采集過程中硬件電路復(fù)雜、噪聲大以及個(gè)別心電波形不易采集等困難。為醫(yī)學(xué)研究和教學(xué)帶來方便，具有一定實(shí)用和參考價(jià)值。

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