基于NIELVIS的心電測量實驗系統設計

徐曉玲, 余　鎮, 張明輝, 干英凱, 劉且根

(南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌　330031)

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基于NIELVIS的心電測量實驗系統設計

徐曉玲, 余鎮, 張明輝, 干英凱, 劉且根

(南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌330031)

設計了基于NIELVIS的心電信號測量實驗系統。該實驗系統包括一整套電路設計開發流程,首先由學生在Multisim上進行電路設計與仿真,然后利用NIELVIS原型開發板完成心電采集電路的搭建，最后通過LabVIEW圖形化開發軟件實現心電信號的實時動態顯示,從而完成整個心電測量實驗。實踐表明,該實驗系統能很好地完成心電信號測量的實驗,并具有可操作性,能夠靈活、方便地為學生提供一個親手實踐的實驗環境,激發了學生學習興趣,結果清晰明確,可以更好地幫助學生理解相關概念和理論知識。

心電測量； 實驗教學；NIELVIS；LABVIEW；Multisim

如何借助新的技術和設備,改革傳統的實驗教學模式,是當前實驗教學改革的重點。以生物醫學工程專業“醫學儀器原理及設計”課程為例,許多高校的該類專業課程實驗教學主要基于實驗箱來完成,學生根據相關實驗指導書,然后在實驗箱固定的電路中完成一些插線工作即可得出實驗結果。這種基于實驗箱的“驗證式”實驗缺乏靈活性,學生只要按部就班接線就能完成,難以調動主觀能動性,也不利于培養扎實的工程實踐能力。另外,對傳統的實驗實驗室需要大量配置常規的儀器、儀表,由于儀器在使用過程中的老化損壞及其自身技術的落后,需要不斷地更新,給學校也造成了很大的經濟負擔。為了改善實驗條件、改革實驗教學方法、降低實驗成本、提高實驗教學課程的開設水平,把虛擬儀器引入實驗教學已成為一種趨勢[1]。

1　NI ELVIS II平臺介紹

NIELVIS(educationallaboratoryvirtualinstrumentationsuite,ELVIS)是美國國家儀器公司(NationalInstruments,簡稱NI)推出的一個專門為院校開發的模塊化工程教學實驗平臺,NIELVISII包含了一塊用于搭建模擬、數字和電源電路的可拆卸原型開發板[2-4]。NIELVISII集成了12種實驗室最常見的儀器,如示波器、數字萬用表、函數發生器等,用戶可通過USB的即插即用功能將PC連接至這些儀器。在LabVIEW圖形化開發環境下,用戶還可以自行創建自定義儀器。它能夠與用于SPICE仿真的Multisim軟件完全整合,用戶可以在Multisim中調用NIELVIS的硬件設備。利用NIMultisim、LabVIEW軟件及NIELVIS設計和原型化平臺,能夠讓教師的教學達到理論與實際的完美結合,并大大增加實驗的互動性、靈活性和可操作性。在NI電子教育平臺環境下,從理論、設計、原型到實現這一整套流程見圖1。本系統設計所用的NIELVISII+是NI公司2009年4月發布的ELVISII增強型,相比NIELVISII,配備100MS/s示波器的NIELVISII+采樣速度提高了近100倍[5]。

圖1　從理論、設計、原型到實現的開發流程

2　心電測量實驗系統設計

本文設計的心電測量實驗系統包括Multisim仿真、NIELVIS平臺原型電路搭建及LabVIEW軟件處理3個部分。整個系統的流程見圖2。

圖2　心電測量實驗系統流程

學生首先進行電路設計,然后在Multisim環境下可對整個電路進行仿真、修改、結果對比。仿真結果符合預期之后在NIELVIS平臺搭建電路原型,借助NIELVIS上集成的SFP儀器,學生可以很方便地測試電路原型,最后連接NIELVIS至PC,由NIELVIS的DAQ功能將采集到的信號接入編制好的LabVIEW軟件程序中,實現實際心電信號的實時動態顯示、處理及存儲。

測定人體心電信號時電極位置和引線放大器連接方式的嚴格規定稱為心電圖的導聯系統,即導聯[6-7]。國際上公認的是標準12導聯,在本實驗系統中采用的是標準I導聯,也就是將電極分別放置在左臂LA、右臂RA和右腿RL。

2.1Multisim電路設計與仿真

由于人體的心電信號具有微弱性、低頻性、隨機性及易受干擾等特征[6-7],而且其幅度只有mV級、頻率在0.05～100Hz,所以首先要設計和構建信號調理電路,進行心電信號的拾取、放大、濾波等。此外,為了減小位移電流干擾,測量心電時還會加入右腿驅動電路。心電調理電路總的框架見圖3。

圖3　心電調理電路框架

圖4是某學生經過一系列的測試與對比之后,最終的調理電路設計示例圖,前級放大采用的是AD620儀用放大器,放大倍數為10倍可調。帶通濾波器的截止頻率分別為0.5Hz和97.6Hz。50Hz陷波器采用的是文氏橋式濾波電路,且帶有1.5倍增益。后級放大倍數預設為100倍[6-8]。實驗過程中,學生可對電路參數進行修改,并觀察結果,從而更好地理解電路各個部分的原理及具體功能。

電路仿真時,可以利用Multisim中的PIECEWISE-LINEARVOLTAGE自定義ECG信號源[9],實驗中,輸入幅度為3mV的ECG信號,將該信號源接入電路進行仿真與測試,連接NIELVIS自帶的示波器,得到仿真結果見圖5。

2.2NI ELVIS平臺硬件電路搭建

仿真結束后的下一步工作是NIELVIS平臺的電路原型實現。在此,學生將根據仿真過后的電路進行實物搭建,完成后的實物電路見圖6。對于電路的測試可以先利用BMTK工具包中的心電信號發生器配置NIELVIS的模擬信號Output端口輸出模擬ECG信號,再將其接入至硬件電路,以進行進一步的調試。測試過程中學生可以對前后級放大器放大倍數、帶通濾波器截止頻率等進行調節,并比較其與理論仿真結果之間的差別。電路測試通過后,由電極接入人體心電信號,以觀察電路的實際性能。

圖4　心電調理電路設計

圖5　電路Multisim仿真結果

圖6　搭建的實物電路

為了方便測試,將設計好的硬件電路進行PCB制板固定,人體心電信號由專門的心電信號導聯線接入電路。PCB實驗板卡如圖7所示。

圖7　心電實驗PCB板卡

2.3心電測量實驗系統LabVIEW軟件設計

LabVIEW軟件設計主要包括前面板與程序框圖。前面板是VI程序的用戶操作、人機交互界面,是程序的交互式輸入輸出接口[10-11]；前面板通常使用顯示控制件、輸入控制件來創建；創建前面板后,需要添加圖形化函數代碼來控制前面板對象。程序框圖窗口中包含了圖形化的源代碼,通過圖形化代碼實現對前面板中各種對象的控制,來決定VI程序的運行方式。

主體界面放置2個波形顯示控件,分別用于顯示采集的初始ECG信號及濾波后的信號。程序運行后,開啟Filter功能可以顯示濾波后的信號；單擊Save按鈕可以保存相應信號,保存的格式可以是TDMS、LVM或者Excel,從而方便信號的后續分析處理。學生還可編制VI進行心電信號的分析和特征提取(如頻譜分析,HRV等)。

程序框圖設計見圖8,主要包括DAQmx通道數據采集抽樣[12-13]、信號顯示及處理以及信號存儲3部分。從NIELVIS的物理輸入通道ai0接入硬件電路采集的ECG信號,經過通道創建、采樣后從前面板進行顯示。當采集的信號出現干擾波的時候,可以對其進行濾波處理。系統中選用的是平滑濾波器,濾波系數可以在程序框圖中濾波器的屬性中進行修改,本系統中濾波指數預設為0.01。

圖8　程序框圖設計

2.4心電測量實驗系統實際測試結果

在連接好電路后,打開NIELVIS開關,連接PC,運行心電顯示程序,在所有驅動安裝正確的情況下,可以得到如圖9所示結果,從圖9中可以看出,實驗測出的波形清晰明顯,經過低通濾波后,心電信號波形有較大的改善,幅度略有減小。

圖9　心電顯示結果

3　結語

針對傳統儀器在實驗教學中所存在的缺陷和不足,結合虛擬儀器的應用優勢和特點,本文在NIELVIS平臺基礎之上設計了一套基于虛擬儀器技術的心電測量實驗系統。通過該實驗系統,學生完成了從原理設計、電路仿真、原型電路搭建和PCB板制作的全過程。相較于傳統的實驗箱實驗,該實驗系統通過充分利用虛擬儀器的靈活與開放性,以及NIELVIS模塊化實驗平臺的多功能性、高度可操作性,極大提高了實驗效率。在幫助學生更好地理解理論原理的同時,提高了學生的實際工程能力。整個實驗過程每個步驟都直觀而又清晰,能很好地激發學生的學習興趣。

References)

[1] 曹榮敏,周惠蘭,蘇昂,等.基于虛擬儀器的直線電機創新實驗平臺設計[J].實驗技術與管理,2013,30(6):83-87.

[2]NI公司.選用NIELVISII的十大理由[EB/OL].[2016-01-09].http://www.ni.com/white-paper/7159/zhs/.

[3]NI公司.用于模擬、數字和電源電路教學的NIELVIS[EB/OL].[2016-01-09].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/205426.

[4]NI公司.用NI虛擬儀器提升電工實驗教學水平[EB/OL].[2016-01-09].http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-10744.

[5]NI公司.NIELVISII,NIELVISII+[EB/OL].[2016-01-09].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/205425.

[6] 余學飛,吳建剛,盧廣文.現代醫學電子儀器原理與設計[M].2版.廣州:華南理工大學出版社,2007.

[7] 李天鋼,馬春排.生物醫學測量與儀器：原理與設計[M].西安:西安交通大學出版社,2009.

[8]NI公司.BiomedicalApplication:MultisimSimulationwithanECGAmplifier[EB/OL].[2016-01-09].http://www.ni.com/example/30925/en/.

[9]NI公司.ExploreElectrocardiogram(ECG)SignalsinMultisim[EB/OL].[2016-01-09].http://www.ni.com/example/31327/en/.

[10] 陳錫輝,張銀鴻.Labview8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007.

[11] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2005.

[12]NI公司.UsingtheDAQAssistanttoAutomaticallyGenerateLabVIEWCode[EB/OL].[2016-01-09].http://www.ni.com/tutorial/4656/en/.

[13]NI公司.學會NI-DAQmx10個函數,解決80%的數據采集應用問題[EB/OL].[2016-01-09].http://www.ni.com/white-paper/2835/zhs/.

DesignofECGexperimentalsystembasedonNIELVIS

XuXiaoling,YuZhen,ZhangMinghui,GanYingkai,LiuQiegen

(DepartmentofBiomedicalEngineering,CollegeofInformationEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)

Inordertoinnovatethetraditionalexperimentalteachingmode,anexperimentalsystemofECGmeasurementbasedonNIELVISIIisdesigned.Asetofcircuitdesignanddevelopmentprocessisincludedinthissystem.StartingbystudentstodesignandsimulateacircuitwithMultisim,theECGdataacquisitioncircuitisbuiltonNIELVISII.Finally,ECGsignalisdisplayedinvirtueofLabVIEW.PracticalexperimentsshowthatwiththeaidofNIELVIS,MultisimandLabVIEW,thesystemcansuccessfullyperformECGsignalmeasurementwork.Ithasagreatmaneuverabilityandflexibilitywhichcanprovidestudentsahands-onlaboratoryenvironment,andarousestudents’learninginterest.Theclearresultalsocanhelpstudentdeepentheunderstandingofthetheoreticalknowledgeandenhancetheabilitytopractice.

ECGmeasurement;experimentalteaching;NIELVIS;LabVIEW;Multisim

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.024

2016-01-12

江西省省級教改課題(JXJG-13-1-8)；國家自然科學基金項目(61362001, 61365013, 61503176);江西省自然科學基金項目(20151BAB207007,20151BAB207008);江西省博士后科學基金資助(2014KY02)

徐曉玲(1968—)，女，江西南昌，碩士，副教授，實驗室主任，主要研究方向為醫學儀器及傳感器

E-mail：xuxiaoling98@163.com

劉且根(1983—)，男，江西新余，博士，副教授，主要研究方向為醫學成像及圖像處理.

E-mail：liuqiegen@ncu.edu.cn

R-331;TH772

A

1002-4956(2016)7-0100-04