基于LabVIEW和NI myDAQ的智能心率儀設(shè)計

李　立，范傳良，胡增順

(1.安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000；2.開封大學(xué)公共計算機教研部，河南 開封 475004)

0　引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的小型化、智能化是現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的重要方向。目前診斷性心電圖機(Holter)成本高昂、操作復(fù)雜，需要特定設(shè)備進行數(shù)據(jù)分析。采用單片機、ARM等低端控制器，以數(shù)碼管和TFT彩屏為顯示器的消費型心電圖機造價低廉。其缺點在于數(shù)據(jù)處理效率低、精度差、在功能上局限性較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差[1-4]。因此，本文設(shè)計了基于LabVIEW和NI myDAQ的智能心率儀。其中：NI myDAQ具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，LabVIEW編寫的用戶操作界面具有良好的操作性。該設(shè)計具有較好的可擴展性和可維護性，節(jié)能、經(jīng)濟；同時，提供了良好的用戶操作界面。該設(shè)計為便攜智能艦載醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了另一種思路[5]。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

本設(shè)計的硬件部分包括脈搏信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及外圍電路。脈搏信號采集模塊對用戶的脈搏進行采集，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。脈搏信號處理模塊對采集的脈搏信號進行濾波和放大。NI myDAQ數(shù)據(jù)處理模塊為數(shù)據(jù)處理中心單元，負責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理[6-7]。

軟件部分使用LabVIEW對心電信號進行分析、顯示、存儲和計算，并通過編寫實時顯示的人機交互界面(human machine interaction,HMI)，實現(xiàn)對心率的實時顯示以及對硬件設(shè)備的功能性操作。同時，該設(shè)計以技術(shù)數(shù)據(jù)管理流(technical data management streaming，TDMS)格式保存采集到的數(shù)據(jù)，并利用FileView功能，使數(shù)據(jù)信息可瀏覽和回放，以供用戶及時打印及調(diào)閱查看。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖Fig 1　Schematic diagram of the system

2　硬件設(shè)計

2.1　脈搏信號采集模塊

脈搏信號采集模塊如圖2所示。

圖2　脈搏信號采集模塊Fig 2　Pulse signal collection module

脈搏采集模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，主要以O(shè)PT101型傳感器為核心構(gòu)建。OPT101型傳感器是集光敏器件與信號放大于一體的小規(guī)模集成器件，輸出信號為電壓信號，電壓隨光敏器件的光強度呈線性變化，內(nèi)部采用單獨電源供電。OPT101電路中，由1 MΩ的電阻與3 pF的電容組成反饋網(wǎng)絡(luò)，即將引腳4和引腳5連接，構(gòu)成基本的應(yīng)用電路。

2.2　脈搏信號處理模塊

由于OPT101傳感器采集到的信號，存在信號微弱以及受到外界環(huán)境干擾會形成雜波信號的缺點，會使后續(xù)軟件的信號處理產(chǎn)生誤差。故將OPT101芯片的引腳5輸出的電壓信號，經(jīng)過R2、C2、C3，連接到LM324放大器的反相輸入端。

為了避免無關(guān)信號傳到U1A的輸入端，用C2、C3組成的雙極性耦合電容將其隔離。C4和R5構(gòu)成低通濾波器。其截止頻率為3.33 Hz，用于去除脈搏信號中的高頻信號成分。最后，在7#引腳處輸出處理后的脈搏信號。脈搏信號處理模塊如圖3所示。

圖3　脈搏信號處理模塊Fig 3　Pulse signal processing module

2.3　NI myDAQ數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊主要由NI myDAQ采集卡組成。該采集卡是一種便攜式、低成本、高精度的設(shè)備，通過LabVIEW程序編寫，可以進行模擬和數(shù)字信號的采集、測量和分析。該采集卡帶有2個模擬量輸入(analog input,AI)端口、2個模擬輸出(analog output，AO)端口、8個數(shù)字輸入/輸出(data input and output,DIO)端口、±15 V和5 V電壓端口、2個模擬接地(analog ground，AGND)和1個數(shù)字接地(data ground，DGND)端口。2組AI通道可被配置為通用高阻抗差分電壓輸入或音頻輸入；2個AO通道可被配置為通用電壓輸出或音頻輸出，也可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換通道使用；8個DIO通道中，每個通道內(nèi)部連接一個可編程函數(shù)接口(programmable function interface，PFI)；±15 V電源可作為電源模擬組件，+5 V可作為電源數(shù)字組件。NI myDAQ的系統(tǒng)處理模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)處理模塊Fig 4　System processing module

將脈搏信號處理模塊中7號引腳輸出的脈搏信號輸入到myDAQ的AIO+端口，通過其內(nèi)部的儀表放大器和增益結(jié)構(gòu)的處理，將信號輸入到模擬的數(shù)字轉(zhuǎn)換器。然后，將信號傳遞到USB時鐘定時控制器(USB-STC3)，并通過USB總線將采集到最終的數(shù)字信號傳遞給LabVIEW程序。編寫程序?qū)⒉杉降臄?shù)字信號還原為電壓信號。

3　心電系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1　電壓模擬信號采集程序設(shè)計

軟件的設(shè)計流程主要包括參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)采集、NI myDAQ讀取/發(fā)送數(shù)據(jù)、TDMS文件存儲、人機交互等部分。

設(shè)備開機時，系統(tǒng)可自動清除無效參數(shù)，以便采集任務(wù)的進行。在進行數(shù)據(jù)采集時：首先，采用DAQmx創(chuàng)建采集通道；然后，配置采集的最大電壓和最小電壓，并將最大電壓和最小電壓設(shè)定為+5 V和-5 V；最后，分配物理通道模擬端口為AIO+。DAQmx定時(采樣時鐘)的采樣數(shù)配置為100，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣率為1 000 次/s。當數(shù)據(jù)流到達DAQmx屬性節(jié)點，驅(qū)動采集程序運行并且檢測實際的采樣率是否達到設(shè)置的采樣率。通過控件，將myDAQ采集到的波形通過波形圖實時顯示。此處加入一個while循環(huán)，以實現(xiàn)myDAQ對脈搏信號的連續(xù)采集，并實時顯示在HMI界面。當記錄文件時，使用配置文件對話框控件實現(xiàn)與用戶的有效人機交互，并采用TDMS寫入控件將數(shù)據(jù)寫入TDMS文件；然后，通過DAQmx記錄配置TDMS控件，為打開或創(chuàng)建TDMS文件指明路徑，調(diào)整記錄模式為off或打開并讀取。當結(jié)束循環(huán)、終止任務(wù)時，采用DAQmx停止任務(wù)控件，并及時使用DAQmx清除任務(wù)控件清理任務(wù)。

3.2　電壓模擬信號處理及存儲程序設(shè)計

脈搏信號濾波前后的波形圖如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)濾波后的信號波形更易觀察、分析。

圖5　脈搏信號波形圖Fig 5　Waveforms of pulse signals

為了實現(xiàn)對TDMS文件的再次讀取及顯示，需要特定的程序來完成此項功能。對此，設(shè)計了TDMS文件調(diào)取查看功能。通過“TDMS OPEN”控件，打開TDMS文件通過的有效路徑。通過“TDMS Read”控件，讀取采集到的脈搏信號。為了除去雜波，加入帶阻濾波器(bandstop filter,BSF)。對脈搏信號濾波后，使用波形圖表顯示濾波后的脈搏信號。當不用TDMS文件時，通過“TDMS Close”控件將文件關(guān)閉，即關(guān)閉所占用的內(nèi)存資源。

為了對采集到的脈搏信號進行準確的分析，采用BSF對采集到的信號進行濾波[8-9]。經(jīng)過反復(fù)試驗并測定，最終將高截止頻率設(shè)為100 Hz，低截止頻率設(shè)為10 Hz。

3.3　心率計算運算程序設(shè)計

3.3.1心率計算以及其實現(xiàn)方法

經(jīng)過濾波之后的脈搏波形，在每次心跳時都會產(chǎn)生2個波峰。其波形雖然可以近似看成一個周期性的波形，但由于每個波峰并不完全一致，不能直接得到周期。因此，必須將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進行處理。為解決周期檢測問題，采用LabVIEW中“觸發(fā)與門限”控件，配置屬性為觸發(fā)門限，其電壓閥值為2 V，停止門限電壓也為2 V。如圖5所示，波形表示每次只允許通過一次心跳的脈搏信號。通過測量每次心跳的峰峰值間隔時間，可計算出每次心率。

3.3.2心率計算程序

在設(shè)計心率計算程序時，先測出整體波形，并通過濾波器控件對波形進行處理；然后，計算所觸發(fā)的波形個數(shù)，通過波形數(shù)據(jù)提取控件并計算所需的數(shù)據(jù)。測量結(jié)果在HMI界面實時顯示。在此過程中，用戶可以根據(jù)自身心跳波峰的幅度，對起始電壓和停止電壓進行設(shè)置，使測出的心率值更加準確、可信度更高。通過分析該值的穩(wěn)定性，可判斷心率是否穩(wěn)定。

只要測出每次從觸發(fā)到停止所需要的時間T，即可計算出每分鐘的心率。為減小誤差，采用多次測量求平均值的方法。將每次脈搏跳動的時間用一維數(shù)組記錄，即保存了每一次脈搏跳動時間的數(shù)值。這里采用數(shù)組大小控件，以確定輸出數(shù)組為一維數(shù)組。接著，通過數(shù)組插入控件將采集值不斷寫入數(shù)組，并由數(shù)組保存其采集值。將記錄的數(shù)組元素通過數(shù)組索引控件逐個索引相加。在此，使用while循環(huán)。每循環(huán)一次讀取一個數(shù)組元素，并使用移位寄存器保存每次讀取的值，以供下次循環(huán)繼續(xù)相加。將各個元素相加的最終值除以元素個數(shù)，即可得到脈搏跳動時間的平均值：

(1)

3.4　警報程序設(shè)計

在進行心率檢測時，為方便提醒用戶，設(shè)計了報警程序。當心率保持在醫(yī)學(xué)上人體的正常范圍，即60～100次/min時，前面板的LED顯示為綠色，表示正常，不會發(fā)出警報；否則，顯示為紅色，程序會發(fā)出警報，警告人們此時的心率過快或過慢。

4　在Windows終端的操作

為了增加用戶操作的直觀性，在計算機端設(shè)計了良好的用戶操作界面，使其能夠?qū)崟r顯示心率值及心跳波形。另外，通過將程序封裝為.exe文件形式，可實現(xiàn)該程序在任意計算機上的正常運行，大大增加了本設(shè)計的可移植性。

為了進一步驗證與測試設(shè)計系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)國家心電監(jiān)護儀檢定規(guī)范JJG760-2003的要求[10]，以醫(yī)用邁瑞MEC-1000型心電監(jiān)護儀為標準，對5名師生進行了心率對比測試。其年齡范圍為19～55歲，2女3男，均為正常心電測試者。分別5次連續(xù)測量受測者10min的心率情況，以平均值對比設(shè)計的心率系統(tǒng)與醫(yī)用測試值的情況，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1　心率對比測試結(jié)果Tab.1　Test results of heart rate contrast

通過實際測試對比可知，本設(shè)計能夠準確、高效、實時地監(jiān)測人體心率情況。與醫(yī)用設(shè)備相比，該心率儀的精度誤差為0.14%，具有成本低、精度高和可靠性好的優(yōu)點。采用LabVIEW和NI myDAQ方案，為家庭便攜式醫(yī)療設(shè)備提供了另外一種實現(xiàn)思路。

5　結(jié)束語

本文所設(shè)計的基于LabVIEW和NI myDAQ的生物智能心率儀，成功地結(jié)合了myDAQ強大的數(shù)據(jù)采集功能與LabVIEW編程優(yōu)勢。通過實際測試對比可知，本設(shè)計具備可靠性高、實時性能好、便于觀察等優(yōu)點，為家庭便攜式醫(yī)療設(shè)備的智能化設(shè)計提供了參考。

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