基于ＬａｂＶＩＥＷ的心電信號測量系統

2009-03-14 06:59:48方亮

新媒體研究 2009年4期

方　亮

[摘要]介紹一種基于LabVIEW的心電信號測量系統。闡述心電信號的采集、調理及數據分析處理的硬件、軟件設計。該系統可實現心電信號的實時顯示、分析等功能。

[關鍵詞]LabVIEW 心電信號虛擬儀器

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220013－01

一、引言

隨著測試技術與總線技術的發展，以虛擬儀器為標志的自動測試系統已開始出現。所謂虛擬儀器，即在以計算機和總線系統設備為硬件平臺的基礎上，由軟件實現原來需要用硬件來完成的功能。“軟件即是儀器”的設計理念開始大規模應用于實際的項目開發之中。而LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境，是美國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工具。由于LabVIEW具有直觀、編程簡單等特點，且具有強大的數據處理能力，因此，利用LabVIEW并結合相關的硬件所構成的各種虛擬測量分析系統已成為當下流行的一種設計趨勢。

二、系統設計

（一）心電信號特征及設計要求

在正常人體內，由竇房結發出的興奮，按一定途徑和時程，依次傳向心房和心室，引起整個心臟的興奮。在每一個心動周期中，心臟各部分興奮的電變化通過心臟周圍的導電組織和體液傳導到全身，在一定體表部位出現有規律的電變化。將測量電極放置在這些部位所記錄到的心臟電變化曲線，就是臨床醫學上常規記錄的心電圖。心電圖是心臟興奮的產生、傳導和恢復過程中生物電變化的反映，對心搏起點的分析，傳導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值。

人體的心電信號是一種低頻的微弱電信號，典型幅值范圍50μV～5mV，典型頻率范圍0.05～100Hz（美國心臟協會規定），且具有很強的噪聲背景。因此，在設計該測量系統時，必須滿足以下特性：（1）較高的靈敏度和信噪比，以保證能檢測出微小的有用信息；（2）良好的線性和快速響應，以保證信號轉換后不失真，并能使輸出的信號及時跟隨輸入信號的變化；（3）良好的穩定性和互換性，以保證輸出信號受環境影響小而保持穩定；（4）安全性和可靠性。

由于NI產品不具備適用于人體手術治療的可靠性水準，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的主要元件，且軟件運行的穩定性可能會受到各種不利因素的影響而產生系統失效，因此，為了避免對人體可能產生的傷害，本系統采用硬件（信號采集、調理）加軟件（信號分析、處理）的設計形式。

（二）硬件設計

綜合心電信號的特征及設計要求，設計出的心電信號測量系統必須具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移和設置保護電路等性能。心電信號測量系統的電路設計結構框圖如圖1所示。

輸入電路包括輸入緩沖放大器、威爾遜網絡、導聯選擇電路和屏蔽驅動電路等部分。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，又能完成標準肢體導聯的電極和差動放大器的對應連接，還具有限電流保護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引起的共模干擾信號，并放大經導聯選擇后的心電信號。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的安全性。

中間放大電路包括增益調節放大器、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采集卡主要完成數據采集功能。系統選用美國NI公司的PCI-6024E型數據采集卡。該卡是基于PCI總線的12位多功能數據采集卡，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個數字輸入/輸出端口，2個模擬輸出端口，支持DMA方式和雙緩沖區模式，從而保證了實時信號不間斷的采集與存儲。

（三）軟件設計

計算機端的軟件設計是本系統的核心部分，其功能是多方面的，不僅負責對采集數據的接收，還具有對接收的數據進行處理和顯示等功能。為了便于系統的設計、連接和修改，各功能的實現均采用模塊化的設計，大體上可以分為以下幾個模塊：

1．數據接收模塊：該模塊主要負責對前期處理的信號進行接收和轉換。

2．信號處理模塊：該模塊利用控制窗口，針對受檢者的具體情況和用戶不同的參數設置，對接收的心電信號實現數字信號處理。

3．信號分析模塊：該模塊采用目前較為成熟的基于小波變換的QRS波形自動識別等算法，主要完成對心電信號各波形的有效判別，為數據的后續讀取提供較為可靠的依據。

4．實時顯示模塊：該模塊包括波形顯示和數據顯示兩個部分，主要完成對當前采集、處理后的心電信號進行實時的信息顯示，從而實現其測量功能。

利用NI公司的LabVIEW，在Windows視窗環境下，可以設計得到如圖2所示的心電信號測量系統主界面。

三、結語

通過驗證，該系統基本可以準確完成在標準肢體導聯條件下，心電信號的采集、處理、分析、顯示和測量任務。該系統既發揮了虛擬儀器設計簡單，開發靈活，功能強大的特點，又有效的彌補了虛擬儀器在安全性和可靠性上的不足。由此可見，虛擬儀器與傳統硬件電路的有機結合，在醫學領域一定會有更為光明的前景與廣泛的應用。

參考文獻：

[1]楊玉星，生物醫學傳感器與檢測技術，北京：化學工業出版社，2005.8．

[2]余學飛，現代醫學電子儀器原理與設計，廣州：華南理工大學出版社，2007.9．