方　亮

[摘要]介紹一種基于LabVIEW的心電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。闡述心電信號(hào)的采集、調(diào)理及數(shù)據(jù)分析處理的硬件、軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、分析等功能。

[關(guān)鍵詞]LabVIEW 心電信號(hào) 虛擬儀器

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220013－01

一、引言

隨著測(cè)試技術(shù)與總線技術(shù)的發(fā)展，以虛擬儀器為標(biāo)志的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已開始出現(xiàn)。所謂虛擬儀器，即在以計(jì)算機(jī)和總線系統(tǒng)設(shè)備為硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，由軟件實(shí)現(xiàn)原來需要用硬件來完成的功能。“軟件即是儀器”的設(shè)計(jì)理念開始大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)之中。而LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，是美國(guó)NI(national instrument company)公司推出的一種基于G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。由于LabVIEW具有直觀、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，因此，利用LabVIEW并結(jié)合相關(guān)的硬件所構(gòu)成的各種虛擬測(cè)量分析系統(tǒng)已成為當(dāng)下流行的一種設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）心電信號(hào)特征及設(shè)計(jì)要求

在正常人體內(nèi)，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定途徑和時(shí)程，依次傳向心房和心室，引起整個(gè)心臟的興奮。在每一個(gè)心動(dòng)周期中，心臟各部分興奮的電變化通過心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液傳導(dǎo)到全身，在一定體表部位出現(xiàn)有規(guī)律的電變化。將測(cè)量電極放置在這些部位所記錄到的心臟電變化曲線，就是臨床醫(yī)學(xué)上常規(guī)記錄的心電圖。心電圖是心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中生物電變化的反映，對(duì)心搏起點(diǎn)的分析，傳導(dǎo)功能的判斷以及心律失常、房室肥大、心肌損傷的診斷具有重要價(jià)值。

人體的心電信號(hào)是一種低頻的微弱電信號(hào)，典型幅值范圍50μV～5mV，典型頻率范圍0.05～100Hz（美國(guó)心臟協(xié)會(huì)規(guī)定），且具有很強(qiáng)的噪聲背景。因此，在設(shè)計(jì)該測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，必須滿足以下特性：（1）較高的靈敏度和信噪比，以保證能檢測(cè)出微小的有用信息；（2）良好的線性和快速響應(yīng)，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換后不失真，并能使輸出的信號(hào)及時(shí)跟隨輸入信號(hào)的變化；（3）良好的穩(wěn)定性和互換性，以保證輸出信號(hào)受環(huán)境影響小而保持穩(wěn)定；（4）安全性和可靠性。

由于NI產(chǎn)品不具備適用于人體手術(shù)治療的可靠性水準(zhǔn)，也不能作為一旦失效便可能造成人體重大傷害的生命保障系統(tǒng)的主要元件，且軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性可能會(huì)受到各種不利因素的影響而產(chǎn)生系統(tǒng)失效，因此，為了避免對(duì)人體可能產(chǎn)生的傷害，本系統(tǒng)采用硬件（信號(hào)采集、調(diào)理）加軟件（信號(hào)分析、處理）的設(shè)計(jì)形式。

（二）硬件設(shè)計(jì)

綜合心電信號(hào)的特征及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出的心電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)必須具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移和設(shè)置保護(hù)電路等性能。心電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

輸入電路包括輸入緩沖放大器、威爾遜網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)聯(lián)選擇電路和屏蔽驅(qū)動(dòng)電路等部分。既能保證心電放大器的高輸入阻抗要求，起到阻抗變化作用，又能完成標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)的電極和差動(dòng)放大器的對(duì)應(yīng)連接，還具有限電流保護(hù)和濾去高頻雜散干擾等作用。

浮地前置放大電路由前置放大器、1mV定標(biāo)電路、起搏脈沖抑制電路、閉鎖電路和光電耦合電路等部分構(gòu)成。其中，前置放大器可以抑制靜電耦合引起的50Hz交流干擾和電磁感應(yīng)引起的共模干擾信號(hào)，并放大經(jīng)導(dǎo)聯(lián)選擇后的心電信號(hào)。光電耦合電路的作用是為了避免儀器的漏電流使受檢者受到電擊，將與受檢者相連接的輸入部分和前置放大部分的地線同儀器的地線相隔離，從而有效地提高了本系統(tǒng)的安全性。

中間放大電路包括增益調(diào)節(jié)放大器、高頻濾波電路、靈敏度/濾波選擇電路、交流/肌電干擾濾波電路等部分。其主要作用是改變前置放大電路的總增益、濾除變頻干擾，抑制50Hz交流干擾和35Hz肌電干擾等。

DAQ采集卡主要完成數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)選用美國(guó)NI公司的PCI-6024E型數(shù)據(jù)采集卡。該卡是基于PCI總線的12位多功能數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣速率為200kS/s，具有16路單端模擬輸入（或8路差分模擬輸入），8個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口，2個(gè)模擬輸出端口，支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，從而保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷的采集與存儲(chǔ)。

（三）軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)端的軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心部分，其功能是多方面的，不僅負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)的接收，還具有對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示等功能。為了便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、連接和修改，各功能的實(shí)現(xiàn)均采用模塊化的設(shè)計(jì)，大體上可以分為以下幾個(gè)模塊：

1．?dāng)?shù)據(jù)接收模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)前期處理的信號(hào)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)換。

2．信號(hào)處理模塊：該模塊利用控制窗口，針對(duì)受檢者的具體情況和用戶不同的參數(shù)設(shè)置，對(duì)接收的心電信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理。

3．信號(hào)分析模塊：該模塊采用目前較為成熟的基于小波變換的QRS波形自動(dòng)識(shí)別等算法，主要完成對(duì)心電信號(hào)各波形的有效判別，為數(shù)據(jù)的后續(xù)讀取提供較為可靠的依據(jù)。

4．實(shí)時(shí)顯示模塊：該模塊包括波形顯示和數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)部分，主要完成對(duì)當(dāng)前采集、處理后的心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息顯示，從而實(shí)現(xiàn)其測(cè)量功能。

利用NI公司的LabVIEW，在Windows視窗環(huán)境下，可以設(shè)計(jì)得到如圖2所示的心電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)主界面。

三、結(jié)語

通過驗(yàn)證，該系統(tǒng)基本可以準(zhǔn)確完成在標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)條件下，心電信號(hào)的采集、處理、分析、顯示和測(cè)量任務(wù)。該系統(tǒng)既發(fā)揮了虛擬儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開發(fā)靈活，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，又有效的彌補(bǔ)了虛擬儀器在安全性和可靠性上的不足。由此可見，虛擬儀器與傳統(tǒng)硬件電路的有機(jī)結(jié)合，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一定會(huì)有更為光明的前景與廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

方亮，男，漢，四川自貢，工學(xué)學(xué)士，四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，助理實(shí)驗(yàn)師。