如何将II导联单图添加到12导联ECG网格图中模拟打印输出

需求概述 #

• 上方采用3×4网格布局，展示12导联各2.5秒的截断波形
• 底部添加II导联的完整10秒波形（模拟临床ECG打印件样式）
• 自动调整网格线密度，匹配标准ECG打印件的1mm小格/5mm大格规范
• 解决多图合并时坐标轴混乱、布局错位的问题

完整实现代码 #

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.gridspec import GridSpec

# ---------------------- 模拟ECG数据生成 ----------------------
def generate_ecg_data(sampling_rate=250, duration=10):
    """生成模拟12导联ECG数据"""
    t = np.linspace(0, duration, int(sampling_rate * duration))
    # 基础心电波形（QRS波、P波、T波）
    def ecg_wave(t):
        qrs = np.exp(-((t - 0.2)**2)/0.001) - 0.5*np.exp(-((t - 0.22)**2)/0.0005)
        p_wave = 0.3*np.exp(-((t - 0.1)**2)/0.002)
        t_wave = 0.4*np.exp(-((t - 0.3)**2)/0.003)
        return p_wave + qrs + t_wave + 0.1*np.random.randn(len(t))
    
    # 12导联：I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1-V6
    leads = []
    for i in range(12):
        # 每个导联添加微小差异模拟实际数据
        wave = ecg_wave(t % 0.8) + 0.05*i*np.sin(2*np.pi*0.5*t)
        leads.append(wave)
    return t, np.array(leads)

# ---------------------- 绘图核心逻辑 ----------------------
def plot_ecg_print_style(t, ecg_leads, sampling_rate=250):
    # 标准ECG网格参数：25mm/s（0.04s/mm），10mm/mV（0.1mV/mm）
    small_grid_x = 0.04  # 小格时间间隔（秒）
    large_grid_x = 0.2   # 大格时间间隔（秒）
    small_grid_y = 0.1   # 小格电压间隔（mV）
    large_grid_y = 0.5   # 大格电压间隔（mV）

    # 初始化画布，设置合适的尺寸（模拟打印纸比例）
    fig = plt.figure(figsize=(12, 8), dpi=100)
    # 使用GridSpec布局：上方3行4列，底部1行1列
    gs = GridSpec(4, 4, figure=fig, height_ratios=[1,1,1,2])

    # ---------------------- 绘制3×4导联网格（2.5秒截断） ----------------------
    lead_names = ['I', 'II', 'III', 'aVR', 'aVL', 'aVF', 'V1', 'V2', 'V3', 'V4', 'V5', 'V6']
    # 2.5秒对应的采样点索引
    truncate_idx = int(2.5 * sampling_rate)
    t_trunc = t[:truncate_idx]

    for i in range(12):
        row = i // 4
        col = i % 4
        ax = fig.add_subplot(gs[row, col])
        # 绘制导联波形
        ax.plot(t_trunc, ecg_leads[i][:truncate_idx], color='black', linewidth=0.8)
        
        # 设置网格线：先画大格（灰色粗线），再画小格（浅灰色细线）
        ax.grid(True, which='major', linestyle='-', linewidth=1, color='#cccccc')
        ax.grid(True, which='minor', linestyle='-', linewidth=0.5, color='#eeeeee')
        # 设置主副刻度间隔
        ax.set_xticks(np.arange(0, 2.6, large_grid_x))
        ax.set_xticks(np.arange(0, 2.6, small_grid_x), minor=True)
        ax.set_yticks(np.arange(-1.5, 1.6, large_grid_y))
        ax.set_yticks(np.arange(-1.5, 1.6, small_grid_y), minor=True)
        
        # 调整坐标轴范围，匹配ECG标准
        ax.set_xlim(0, 2.5)
        ax.set_ylim(-1.5, 1.5)
        # 添加导联名称
        ax.set_title(lead_names[i], fontsize=10, y=0.9)
        # 隐藏底部x轴刻度（避免重叠）
        if row != 2:
            ax.set_xticklabels([])
        else:
            ax.set_xlabel('Time (s)', fontsize=8)
        # 统一y轴标签
        ax.set_ylabel('mV', fontsize=8)
        ax.tick_params(axis='both', labelsize=7)

    # ---------------------- 绘制底部II导联完整10秒波形 ----------------------
    ax_bottom = fig.add_subplot(gs[3, :])
    lead_ii_idx = lead_names.index('II')
    ax_bottom.plot(t, ecg_leads[lead_ii_idx], color='black', linewidth=0.8)
    
    # 设置网格线
    ax_bottom.grid(True, which='major', linestyle='-', linewidth=1, color='#cccccc')
    ax_bottom.grid(True, which='minor', linestyle='-', linewidth=0.5, color='#eeeeee')
    # 主副刻度间隔匹配标准
    ax_bottom.set_xticks(np.arange(0, 10.1, large_grid_x))
    ax_bottom.set_xticks(np.arange(0, 10.1, small_grid_x), minor=True)
    ax_bottom.set_yticks(np.arange(-1.5, 1.6, large_grid_y))
    ax_bottom.set_yticks(np.arange(-1.5, 1.6, small_grid_y), minor=True)
    
    # 坐标轴范围与标签
    ax_bottom.set_xlim(0, 10)
    ax_bottom.set_ylim(-1.5, 1.5)
    ax_bottom.set_xlabel('Time (s)', fontsize=10)
    ax_bottom.set_ylabel('Lead II (mV)', fontsize=10)
    ax_bottom.tick_params(axis='both', labelsize=8)

    # 调整子图间距，避免重叠
    plt.tight_layout()
    return fig

# ---------------------- 运行示例 ----------------------
if __name__ == '__main__':
    sampling_rate = 250
    t, ecg_leads = generate_ecg_data(sampling_rate=sampling_rate)
    fig = plot_ecg_print_style(t, ecg_leads, sampling_rate=sampling_rate)
    plt.savefig('ecg_print_style.png', dpi=150, bbox_inches='tight')
    plt.show()

关键细节说明 #

• 布局控制：使用GridSpec精确分配上下区域的高度比例，避免手动调整子图位置带来的坐标轴错位问题
• 网格线匹配：严格按照临床ECG打印件标准设置主副刻度间隔，大格为5mm对应0.2秒（x轴）/0.5mV（y轴），小格为1mm对应0.04秒/0.1mV
• 坐标轴优化：隐藏上方网格的多余x轴刻度，统一标签样式，避免多图合并后的视觉混乱
• 批量生成适配：代码支持直接循环调用plot_ecg_print_style生成大量图片，网格与布局参数无需手动调整

内容的提问来源于stack exchange，提问作者leoverflow