一種心電信號發生器的研制

梁振士，魏紅霞，王茜，韓曉鵬

北京市醫療器械檢驗所 （北京 101111）

心電圖在臨床上占有重要地位，且隨著計算機、電子等相關技術的發展，越來越多的心電圖機具有心電圖自動分析及診斷功能[1]。心電數據庫是評價心電圖機自動分析功能準確性的重要依據。MIT-BIH 心電數據庫是國際標準和行業標準指定的用于測試心電設備自動分析功能的心電數據庫，具有廣泛的國際影響。北京市醫療器械檢驗所參照MIT-BIH 心律失常心電數據庫建立了適用于中國人的心律失常心電數據庫，數據存儲格式與MIT-BIH 數據庫完全一致。為了將心電數據庫中的數據導入被測心電設備中，一般采用兩種途徑：（1）在心電設備的分析軟件上設計專門的導入功能，通過該功能將心電數據文件導入分析軟件；（2）通過專門的模擬信號發生器將心電數據庫中的數據轉換成模擬信號，然后將模擬信號輸入到被測設備。對于沒有預留文件導入接口的設備，只能采用第2種方式進行驗證。

市場上目前的心電模擬器為多參數信號模擬器，如美國FLUKE 的MPS 系列、ProSim 系列模擬器，可以為心電監護和診斷設備提供較為通用的試驗信號，但對于心律失常數據只提供了幾個固化在機器內部的波形，幾乎無法實現導入新的波形數據，因此，研制MIT-BIH 心電數據庫信號發生器既可以解決MIT-BIH 心電數據庫的模擬信號輸出問題，也可以將其用于輸出中國人心律失常心電數據庫等以MIT-BIH 格式存儲的數據的模擬信號，從而推動這一類心電數據庫的廣泛使用，滿足實際測試驗證的需要。

本研究的主要內容是在Windows 操作系統平臺上，采用Visual C++進行開發，解析MIT-BIH 心電數據庫文件，提取文件數據，通過還原處理文件數據，按照聲卡輸出格式的要求重新編碼，利用操作系統聲卡控制接口函數，實現將雙通道心電信號數據轉換為雙通道模擬信號，最終通過聲卡輸出。

1 系統的整體架構

本系統的目的是完成一套心電信號發生器，方便用于心電類設備的檢驗和科研開發，通過軟件解析MIT-BIH 數據文件，并將心電數據轉換輸出為心電設備可以讀取分析的模擬信號，將心電設備相關標準中的通用測試項目電路集成于硬件內，方便操作。其整體架構見圖1。

圖1 系統的整體架構

1.1 MIT-BIH 數據格式

MIT-BIH 心電數據庫中每一組記錄包括3個文件，即頭文件（.hea）、數據文件（.dat）、注釋文件（.atr），其中頭文件主要對數據文件進行格式說明，注釋文件為心電專家的診斷信息，數據文件為具體的心電信號的ADC 轉換值[2]。

MIT-BIH 的數據文件采用ASCII 碼將兩道導聯的數據交替存儲，這些數據被壓縮存放在3個字節中，每個數據占12位，第一道導聯12位數據中低8位存在第一字節中，高4位存在第二字節的前4位；第二道導聯12位數據中低8位存在第三字節中，高4位存在第二字節的后4位（高4位包含符號位）。在輸出前，我們需要對此格式的數據進行解壓縮，即將兩個導聯的數據分別提取出來進行重組，由DAC 輸出。

2 Windows 平臺聲卡輸出接口

筆記本電腦和PC 機中的聲卡是一塊集成在主板上用于產生音頻信號的專用芯片。隨著電腦芯片的不斷發展，聲卡的D/A 轉換質量越來越高，可以用來產生所需要的信號。

PC 機聲卡現在均滿足Audio Codec'97規范，在25 ℃環境下，大多能達到輸出頻率8～192 kHz，電壓的輸出在2.25～2.75 V，ADC 信噪比＞85 dB，可滿足常用信號的要求[3-4]。

在Windows 操作系統平臺上，提供了一系列的接口函數以實現通過聲卡輸出模擬信號，其中最重要的兩個函數是打開聲音輸出設備和輸出模擬信號的接口。

在使用聲卡輸出模擬波形時，首先需要借助waveOutOpen 打開和初始化設備，設定輸出數據的采樣率、每個數據的比特數及輸出通道數、數據格式等；通過waveOutWrite 將準備輸出的數據寫入聲卡緩存器中，除非裝置被waveOutPause 函數暫停，否則在第一個數據塊被發送到聲卡裝置時模擬信號隨即開始輸出；當輸完緩存器中的數據時，WAVEHDR 結構的dwFlags 成員就會被設定為DHDR_DONE。

3 軟件架構及實現

在Windows 平臺上，采用Visual C++開發軟件實現了心電數據模擬信號的輸出功能；主要功能為將數字化存儲的心電數據波形轉換為模擬信號輸入給硬件部分，軟件同步顯示2通道波形，軟件構架見圖2。

圖2 軟件架構

用戶通過界面上的菜單選擇打開MIT-BIH 格式的數據文件，然后將數據提取到分配好的內存中；數據解析模塊通過對內存中的數據按MIT-BIH 格式進行格式轉化解析，提取出2通道的心電數據，并以隊列的形式存儲波形各點的幅度值；同時，將頭文件和注釋文件中有關數據、患者基本信息和診斷信息提取出來予以保存；顯示模塊實現雙通道心電波形、數據和患者基本信息以及診斷信息的顯示；模擬信號輸出模塊后，通過接口函數打開并初始化聲卡，按照聲卡雙通道輸出時數據格式要求，將雙通道的心電數據轉換成聲卡雙通道輸出的格式，通過Windows 接口函數由聲卡輸出模擬心電信號，MIT-BIH 數據解析流程見圖3。

圖3 MIT-BIH 數據解析流程

4 小結

本研究介紹了MIT-BIH 心電數據庫的數據文件格式和Windows 操作系統平臺上利用聲卡進行模擬信號輸出的技術，給出了通過計算機聲卡將MIT-BIH 心電數據庫格式的心電數據輸出為模擬心電信號的方法，并通過Visual C++開發出相應軟件實現了這一功能，軟件功能實現界面見圖4。信號發生器將MIT-BIH 心電數據庫中100.dat 文件輸出為模擬信號后在示波器上顯示的波形，通道1顯示的是Ⅱ導聯波形，通道2顯示的是V5導聯波形，見圖5。該信號發生器既可解決MIT-BIH 心電數據庫的模擬信號輸出問題，也可輸出包括由我所建立的中國人心電數據庫等以MIT-BIH 格式存儲的數據庫的模擬信號，有助于實現這一類心電數據庫的使用和推廣，滿足實際測試驗證的需要。

圖4 心電數據解析軟件輸出界面

圖5 信號發生器輸出的100.dat 文件的模擬波形