深入浅出 EDF+ 文件协议 —— 医疗信号数据的标准语言

深入浅出 EDF+ 文件协议 —— 医疗信号数据的标准语言

一、EDF+ 是什么？

EDF+（European Data Format Plus）是 EDF 文件协议的扩展版，由 Kemp 等人于 2003 年提出。
它在 EDF 的基础上，增加了对以下能力的支持：

功能	EDF	EDF+
连续信号记录	✅ 支持	✅ 支持
不连续信号（多段）	❌ 不支持	✅ 支持
注释（事件标记）	❌ 不支持	✅ 支持
丢包/暂停标识	❌ 不支持	✅ 支持
病人/记录信息结构化	简单文本	结构化字段
时间戳精度	秒级	毫秒级（可通过注释通道）

EDF+ 是目前医疗信号归档和交换的事实标准之一，广泛用于：

• EEG/ECG/EMG 研究
• 睡眠呼吸暂停检测（PSG）
• 呼吸机数据记录与分析

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二、EDF+ 文件结构总览

EDF+ 文件与 EDF 文件的结构保持兼容：

+------------------------+
| Header (文本描述段)     |
+------------------------+
| Data Records (信号段)  |
+------------------------+

不同的是：

• EDF+ 的 Header 中会明确标识版本号 "EDF+C" 或 "EDF+D"
• EDF+ 的 Data Records 中包含一个特殊通道 "EDF Annotations"
  用来记录事件、注释、暂停时间段等信息

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三、EDF+ Header 结构详解

EDF+ 保留 EDF 的 ASCII 定长字段结构，但在语义上做了扩展。

1️⃣ Header 固定段（前 256 字节）

字节偏移	长度	字段	示例	说明
0–7	8	版本号	0 或 EDF+C / EDF+D	EDF+ 版本标识
8–87	80	病人信息	Startdate X ID 1234 M 42y	结构化字段
88–167	80	记录信息	Starttime Study1 TechnicianA	支持多部分记录
168–175	8	开始日期	12.11.25	dd.mm.yy
176–183	8	开始时间	14.23.05	hh.mm.ss
184–191	8	Header 长度	6144	以字节计
208–215	8	记录数	-1	若不连续记录，可为 -1
216–223	8	每记录持续时间	1.000000	秒
224–231	4–8	信号数	4	含注释信号

版本号字段是区分 EDF 与 EDF+ 的关键：

• "EDF+C" → 连续记录（Continuous）
• "EDF+D" → 不连续记录（Discontinuous）

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2️⃣ 信号头部（每个通道 256 字节）

EDF+ 在 EDF 的每个信号描述段基础上，新增或调整了部分字段语义。

其中最重要的区别是存在一个特殊通道：

Label = "EDF Annotations"

此通道不存储物理信号，而是记录文本注释，结构如下：

字段	示例	说明
+<onset>	+12.3456	事件相对于记录起始的秒数（浮点数）
<duration>	(5.0)	持续时间，可省略
<annotation>	Hypopnea event	注释文本，可包含空格
<separator>	\x14 (ASCII 20)	注释间分隔符
<terminator>	\x00	记录结束标志

示例原始内容：

+12.3456\x14(5.0)\x14Hypopnea event\x14\x00

表示：

• 事件在第 12.3456 秒发生
• 持续 5 秒
• 注释内容为 “Hypopnea event”（低通气事件）

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四、EDF+ 中的“不连续记录”

在 EDF 中，所有记录必须是连续采样的。
而 EDF+ 支持 非连续记录（Discontinuous）模式，例如：

• 设备暂停工作
• 采集过程分多次进行
• 仅保存关键事件片段

在 Header 的版本号中使用 "EDF+D" 即表示这种模式。
文件的“每记录持续时间”仍固定，但 EDF+ 会通过注释信号标识跳变或间隔。

示例注释：

+0.0000\x14(Paused)\x14
+600.0000\x14(Resume)\x14

代表中间有 10 分钟未采样的数据。

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五、EDF+ 的时间系统

EDF 的时间戳精度只有到秒，而 EDF+ 可以通过注释信号在毫秒级标记事件。

EDF+ 的时间体系是相对时间（从文件起始算起），而不是绝对时间戳。
常见策略：

• Header 记录采集开始的绝对时间
• 注释信号标识相对偏移（可小数秒）

在分析工具中，可以轻松恢复绝对时间序列。

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六、EDF 与 EDF+ 的对比总结

特性	EDF	EDF+
文件头版本	0	EDF+C / EDF+D
注释通道	❌	✅（EDF Annotations）
不连续数据支持	❌	✅
时间精度	秒	毫秒（注释）
病人信息格式	任意字符串	标准化格式
向后兼容	—	✅ 可被 EDF 解析器读取（部分功能降级）

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七、实际案例：睡眠呼吸暂停 EDF+ 文件

假设你在做睡眠呼吸监测系统，可定义如下 EDF+ 文件：

通道	单位	描述
Flow	L/min	气流量信号
Pressure	cmH₂O	呼吸压力信号
SpO2	%	血氧饱和度
EDF Annotations	—	事件注释通道

注释示例：

+0.0000\x14(Start Recording)\x14
+123.4567\x14(10.0)\x14Apnea\x14
+300.0000\x14(5.0)\x14Hypopnea\x14
+3600.0000\x14(End Recording)\x14

这些注释能让软件（如 EDFbrowser、SleepStage、MNE 等）自动识别事件片段。

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八、用 Python 生成 EDF+ 文件示例

Python 的 pyedflib 支持 EDF+ 文件写入：

import pyedflib
import numpy as np

n_channels = 3
signal_labels = ['Flow', 'Pressure', 'SpO2']

file = pyedflib.EdfWriter('output.edf', n_channels=n_channels, file_type=pyedflib.FILETYPE_EDFPLUS)

fs = 100  # 采样率
duration = 10  # 秒
signals = [np.random.randn(fs * duration) for _ in range(n_channels)]

# 写入信号通道
for i in range(n_channels):
    file.setSignalHeader(i, {
        'label': signal_labels[i],
        'dimension': 'a.u.',
        'sample_rate': fs,
        'physical_min': -1.0,
        'physical_max': 1.0,
        'digital_min': -32768,
        'digital_max': 32767
    })
file.writeSamples(signals)

# 写入注释（EDF+）
file.writeAnnotation(1.23, 10.0, 'Apnea event')
file.writeAnnotation(5.67, -1, 'Hypopnea')

file.close()

生成的文件可以直接用 EDFbrowser 打开，注释会出现在事件轨道上。

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九、常用 EDF+ 查看与解析工具

工具	用途	支持平台
EDFbrowser	可视化、注释、事件标记	Windows / macOS / Linux
MNE-Python	EEG/ECG 分析与可视化	Python
pyedflib	读写 EDF/EDF+ 文件	Python
BioSig	MATLAB EDF+ 解析	MATLAB / Octave

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🔚 十、总结

特点	EDF+ 意义
向后兼容	旧 EDF 软件仍可打开 EDF+
结构可扩展	支持注释、事件、暂停
适合多模态信号	EEG、ECG、SpO₂、呼吸机、睡眠监测
工业标准	被 EU/ISO/PhysioNet 广泛采用

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📘 延伸阅读

• Kemp, B., et al. “A simple format for exchange of digitized polygraphic recordings”, 2003.
• EDF+ Specification (Official Site)
• PhysioNet EDF Database Examples
• EDFbrowser 下载地址