人体血压呼吸信号软件发生器的设计与实现

周达左

摘要：当今社会中计算机技术、数字信号处理技术、电子技术等行业不断地发展促进了医学技术的发展。人体生理信号发生器也在不断地发展。它是一种人体生理信号发生设备，其功能是对多参数监护仪是否可以正常工作进行检测。通过设置参数能够模拟出心电、呼吸、血压等信号的波形与数据情况。利用MATLAB 软件主要完成了人体心电信号、呼吸信号、血压信号波形的软件仿真设计，且仿真效果较好。

关键词：心电信号;呼吸信号;血压信号;仿真;MATLAB

中图分类号： TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）06-0096-03

Abstract：The continuous development of computer technology， digital signal processing technology， electronic technology and other industries has promoted the development of medical technology， the continuous development of human physiological signal generator are constantly developing. It is human physiological signal equipment， its function is to detect if the multi-parameter monitor will work correctly. By setting parameters，it can simulate the waveform and data of ECG， respiration， blood pressure and other signal. It finishes the software simulation design of waveform of the human ECG， respiratory signals， and blood pressure signal with MATLAB.

Key words： ECG signal; Respiratory signal; Blood pressure signal; Simulation; MATLAB

1  引言

近年来，随着物联网尤其是最近的体域网（Body Area Network）技术的快速发展，对居家养老的老年人及病人的生理数据的远程实时监控已成为一个受到广泛关注的领域[1]。多种无线监控产品已在市场上出现。这类系统实时采集人体生理数据，将压缩后的数据通过无线网络传送到处理中心;处理中心图形化的显示采集到的生理信号，并监测生理异常产生报警信号[2]。随着社会的快速发展，这种系统将越来越普遍地走进人们的生活之中。

2  模型设计理论基础

2.1人体心电信号、血压信号和呼吸信号产生生理机理

在正常人体中，在心脏收缩之前，它首先会发生电势变化。心电图的变化始于心脏的起搏器-窦房结。根据一定的路径和时间过程，它依次扩散到心房和心室，引起整个心脏兴奋。因此，在每个心动周期中，心脏各个部位的电变化及其时间顺序，方向和通路等都有一定的规律。心脏就像是悬浮在体导体中的发生器。它的综合电位变化可以通过导电组织和体液体积导体传递到全身，并且规律的电变化出现在体表。可以通过将体表电极放置在人体表面的特定部分上来记录的心脏电变化曲线称为心电图。心电图是心脏兴奋，传导和恢复过程中生物电变化的反映，与心脏的机械收缩没有直接关系。关系。心电图对于心脏起搏点的分析，传导功能的判断以及心律不齐，房室肥大和心肌损伤的诊断具有重要价值。正常人的心电图包括P，QRS和T的三个波形，以及相关的时程（包括间隔和分段）。 P波代表心房去极化，QRS波代表心室去极化，T波代表心室去极化[3]。

血压是指血管中血液在单位面积上相对于血管壁的侧向压力，即压力。由于血管分为动脉，毛细血管和静脉，因此还有动脉血压，毛细血管血压和静脉血压。一般来说，血压是指动脉血压（血压，BP）。驱动力推动血管中的血流。

心室收缩，血液从心室流入动脉。此时，动脉血压最高，称为收缩压（SBP）。心室扩张，动脉和血管弹性收缩，血液继续缓慢流动，但血压下降。此时的压力称为舒张压（DBP）。

呼吸是指人体与外部环境之间的气体交换过程。直接引起的肺部收缩和扩张。人的呼吸过程包括三个相互联系的环节：外部呼吸，包括肺通气和肺通气;血液中的气体运输;内部呼吸，是指组织细胞与血液之间的气体交换。正常成年人在休息时呼吸一次为6.4秒是最好的，每次吸入和呼出的气体量约为500毫升，这称为潮气量。当一个人用力吸气直到不能再吸气时;然后用力呼气直到不能呼气为止，此时呼出的空气量称为肺活量。正常成年男子的生命容量约为3500-4000毫升，而女性的生命容量约为2500-3500毫升。

2.2常用的人工生物医学信号产生方法

常用的生物医学信号产生方法主要有三种：

1）采用基于硬件平台（如PIC32 Ethernet Starter Kit）的嵌入式系统，这种系统是独立的，具有内置电源及液晶显示屏和其他相关对外接口，方便携带。

2）也是采用硬件电路实现，不同的是，将其通过串行接口与电脑相连，将仿真波形显示在电脑中，并且记录仿真所产生的数据。

3）采用纯软件制作仿真系统（如使用C语言或MATLAB语言等）。

它们的模型主要采用两种方法产生：第一种，根据真实是的生物医学信号波形采用分段函数方法确定各部分图形的數学函数。第二种，分析数据库中大量的正常生物医学信号数据，利用数学统计从而归纳总结出真实的生物医学信号数学模型。

3  模型设计理论基础

在文献[4]中，作者展示了在三个耦合的常微分方程动态模型的基础上如何产生现实的合成心电图（ECG）。本文展示了相同的模型可以用来产生现实的血压（BP）信号和呼吸信号耦合关系与现实呼吸，血压和心电图时间序列。

时变的心电图（ECG）反映了表面离子电流使心脏收缩和随后纤维的放松。每出现一个单周期正常心电图（窦）代表连续的心房去极化或复极和心室去极化或复极心脏的跳动。这些可近似地和标有P，Q，R，S，T心电波形的波峰和波谷联系在一起（如图1（a））。R-R区间是连续R峰之间的时间，这个时间间隔倒数就是瞬时心率（HR）。当前模型展示了R-R區间，R峰幅度和QT区间现实的变化[5]。

在R峰后心电图有一个短暂的延迟，称为左心室射血时间（LVET），即在血容量喷出左室，进入动脉系统之前。通过把一个记录设备放在或靠近动脉（如导管或光学体积描技术设备），一个脉动波形可以代表测量的血流量。图1（b）展示了这样的一个显著特征波形。标记的四个主要的点分别是：收缩压，在的波形的开始（Q）;舒张压，在波形的尖峰（R）;反射波的波尖（S）;波形偏移（T）。脉冲传输时间（PTT）被视为心电图R峰和BP波形的开始（Q点）时间差：tRECG- tQBP。

4  软件设计

本文提出了一种方法，扩大现有的心电图模型来生成一个多参数综合生物医学信号发生器，能够产生逼真的心电图，血压和呼吸与他们相关的接口。该模型的目标是通过已知的特征提供标准的生物医学信号，可以在不同的采样频率不同的噪声水平下生成如频域特性的心率变异性（HRV）等统计均值和标准差。这可能使临床医生确定哪种生物医学信号处理技术对于一个给定的应用程序是最佳的。

此次设计主要实现的是应用matlab程序编写的人体血压呼吸信号软件发生器，其界面主要包含人的心率与呼吸频率输入框，心电波形、血压波形、呼吸波形输出框和三个波形输出的图片的保存功能。该软件主要包含三个方面：1）（经典）四阶龙格-库塔法的功能函数代码编写;2）窗口图形界面的设计;3）图形界面的相应主程序的代码编写。

4.1四阶龙格-库塔法

第二步：判断i是否大于n，如果大于n则结束，否则，跳至下一步。

第三步：将每个长度为h的小区间用三个点分成两等份，求斜率K1、K2、K3、K4。

注意：所求得的值存储于数组y中。

4.2窗口图形界面的设计及结果分析

窗口图形界面的设计使用MATLAB 7.1自带的GUI中的相关控件。此界面共使用text控件3个（两个用作输入框的描述，一个用作），edit控件2个（一个用于录入心率，另一个用于录入呼吸频率），pushbutton控件2个（一个用于仿真开启按钮，另一个用于保存三个波形图片的按钮），axes控件3个（分别用于显示心电波形、血压波形、呼吸波形）。

5  结论

本文介绍了一种模型能够模拟人的心电图，血压和呼吸信号许多重要的特征。此外，许多在人类的心电图和血压搏动观察形态变化波形作为模型的几何结构的结果。模型参数可以选择产生不同形态的P，Q，R，S，T波形。功率谱的R-R间隔可以被先验选定和使用产生呼吸信号并且驱动器心电图和血压信号发生器。这使得操作者可以指定心率动力学的均值和标准差的心率和光谱特性的低频/高频比值等特性。主要生理功能已被纳入运动轨迹在整个三维状态空间。准周期性的心脏周期是吸引向极限环的极限周期。该模型可以产生现实的心电图（结合了Q-T间隔和已经在现实的心电波形中发现的随着RR间隔作线性变化而变化的R峰高度（RSA）），血压信号（与脉冲传输时间（PTT）或左室射血时间（LVET）相关）和呼吸信号（与心电图和血压耦合变化）。

参考文献：

[1] 王嘉庆，李鸿强，于晓刚，等.物联网人体心电监护系统软件研究[J].计算机工程，2011，37（16）：273-275，278.

[2] 任星怡.生物医学信号模拟器的研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.

[3] 郭继鸿.心电图学[M].北京：人民卫生出版社，2005.

[4] McSharry P E，Clifford G D，Tarassenko L，et al.A dynamical model for generating synthetic electrocardiogram signals[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2003，50（3）：289-294.

[5] 王治祥，王勇.系统仿真的快速实时四阶龙格-库塔法[J].武汉工业大学学报，1990， 12 （3）：89-95.

[6] 毋玉芝.四阶龙格—库塔算法的C语言实现[J].焦作大学学报，2001，15 （1）：55-56，69.

【通联编辑：唐一东】