Python读取.hdr和.dat文件绘制ECG波形异常求助

我尝试读取并绘制存储在.dat文件中的ECG数据，该文件配有对应的.hdr头文件，头文件内容如下：

File Name: tam_racap.dat
Frontend Gain: 1000.0000
Scan Rate: 1000.0000
Channels Used:
Output Filtered Gain: 2.4400
ECG Gain: 2.4400
D/A Output Gain: 2.4400
Digital Output 4 Gain: 2.4400
Digital Output 6 Gain: 2.4400

Notes:

我计划读取第2通道（ECG通道）的数据，编写了wave_plot函数来利用头文件信息读取二进制数据，代码如下：

def wave_plot(profile_name):
    header_file_path = os.path.join(os.getcwd(), f'PROF_{profile_name}', 'header.hdr')

    # Check if the header file exists
    if os.path.exists(header_file_path):
        with open(header_file_path, 'r') as header_file:
            header_lines = header_file.readlines()

        frontend_gain = float(header_lines[1].split(':')[1].strip())
        scan_rate = float(header_lines[2].split(':')[1].strip())
        channels_used = [line.split(':')[0].strip() for line in header_lines[4:]]

        # Read binary data file
        data_file_path = os.path.join(os.getcwd(), f'PROF_{profile_name}', 'data.dat')
        if os.path.exists(data_file_path):
            with open(data_file_path, 'rb') as data_file:
                # Skip to the start of channel one data
                data_file.seek(2)  # Assuming data format starts at the beginning of the file
                # Read the data from channel one
                ecg_data = np.fromfile(data_file, dtype=np.float64)  # Assuming data type is float64

            # Apply gain to the data
            ecg_data = ecg_data * frontend_gain

            # Create time axis
            time = np.arange(0, len(ecg_data) / scan_rate, 1 / scan_rate)

            # Plot first 50 points of ECG waveform
            plt.figure(figsize=(10, 6))
            plt.plot(time[:50], ecg_data[:50], color='blue', linestyle='-', linewidth=0.5)  # Adjust line style and color
            plt.xlabel('Time (s)')
            plt.ylabel('Voltage (mV)')
            plt.title('ECG Waveform')
            plt.grid(True)
            plt.show()
        
    else:
        print(f"Header file not found for profile '{profile_name}'.")

运行程序后绘制的波形完全不正确，调整绘制点数、切换读取通道都没解决问题，求排查原因。

以下是几个核心问题及对应解决办法：

1. 二进制数据类型与读取偏移错误 #

• 多数生理信号设备用16位整数（np.int16）存储原始数据，而非代码中假设的np.float64；无依据的seek(2)会导致数据读取错位。
• 修复：

  # 先尝试用16位整数读取，去掉无意义的seek操作
  with open(data_file_path, 'rb') as data_file:
      ecg_data = np.fromfile(data_file, dtype=np.int16)
  

  若数据仍异常，再测试np.int32或np.float32类型。

2. 多通道数据存储顺序未处理 #

• ECG是第2通道，但代码直接读取所有数据，未考虑多通道的存储格式（常见交错存储：通道1点1→通道2点1→…→通道N点1→通道1点2…；或连续存储：通道1全量数据→通道2全量数据…）。
• 修复：
  • 交错存储提取ECG通道（索引1）：

    num_channels = len(channels_used)
    ecg_data = ecg_data[1::num_channels]  # 每隔num_channels取一个值，对应第2通道
    

  • 连续存储提取ECG通道：

    total_points_per_channel = len(ecg_data) // num_channels
    ecg_data = ecg_data[total_points_per_channel : total_points_per_channel*2]
    

3. 增益计算逻辑错误 #

• 头文件中每个通道有独立增益（ECG通道为2.4400），代码仅使用了Frontend Gain，忽略通道自身增益，导致电压缩放错误。
• 修复：

  # 先从头文件提取ECG通道的增益
  channel_gains = {}
  for line in header_lines[4:]:
      if ':' in line:
          parts = line.split(':')
          ch_name = parts[0].strip()
          ch_gain = float(parts[1].strip())
          channel_gains[ch_name] = ch_gain
  ecg_gain = channel_gains.get('ECG', 1.0)
  
  # 若为16位整数原始数据，结合参考电压计算实际电压（以±2.5V为例）
  ecg_voltage = (ecg_data / 32767) * 2.5 * frontend_gain * ecg_gain
  

4. 字节序不匹配 #

• 部分设备用大端字节序存储数据，而np.fromfile默认使用系统字节序，会导致数据完全错乱。
• 修复：读取时指定字节序

  # 大端16位整数
  ecg_data = np.fromfile(data_file, dtype='>i16')
  # 小端16位整数用 '<i16'
  

5. 验证步骤 #

• 先打印前100个原始数据，确认是否在合理范围（16位整数应在-32768~32767之间）；
• 计算电压后，检查是否符合ECG信号典型范围（0.5~4mV）；
• 先绘制全量数据波形，避免因局部数据异常误判。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Isaac Simmons