心電信號(hào)主要頻率范圍為0.05"100Hz，幅度約為0"4mV,，信號(hào)十分微弱,。由于心電信號(hào)中通常混雜有其它生物信號(hào),，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(duì)心電信號(hào)的特征分析,，提出了基于MATLAB" title="MATLAB">MATLAB/SIMULINK" title="SIMULINK">SIMULINK的心電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化生成實(shí)際的物理電信號(hào)，并與實(shí)際硬件電路連接起來,，構(gòu)成心電信號(hào)的半實(shí)物仿真模型,。
基本原理
心電信號(hào)
一個(gè)典型的心電信號(hào)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(jí)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(jí)數(shù)的形式,。傅立葉級(jí)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(hào)仿真及結(jié)果分析
心電信號(hào)仿真
本設(shè)計(jì)方案是將心電信號(hào)看作一個(gè)由各個(gè)三角波信號(hào)和正弦信號(hào)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(hào),。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
?。?）心電信號(hào)的QRS波、Q波和S波用三角波實(shí)現(xiàn),。
?。?）心電信號(hào)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(jí)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(jí)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(hào)各特征波參數(shù)如表1示，心電信號(hào)仿真波形如圖2示,。
實(shí)時(shí)心電信號(hào)源" title="心電信號(hào)源">心電信號(hào)源設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)方案采用SIMULINK實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),。SIMULINK可以方便地進(jìn)行可視化動(dòng)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(hào),。
心電信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)方案中將心電信號(hào)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(hào)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(hào)的仿真,。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3,。
如圖3示，每個(gè)心電信號(hào)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(hào)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(hào)的長度x和心跳周期beat。顯而易見,，該心電信號(hào)發(fā)生器的SIMULINK模型可以通過改變心電信號(hào)參數(shù),，方便地得到所需的心電信號(hào)。
實(shí)時(shí)心電信號(hào)的產(chǎn)生
設(shè)計(jì)方案中,，采用SIMULINK設(shè)計(jì)的心電信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字仿真心電信號(hào),，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(hào),，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(hào)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(hào)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。