摘 要：利用具有直觀圖形化編程和強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理功能的虛擬儀器編程語言LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，研制了一套虛擬心電數(shù)據(jù)采集、記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有心電波形實(shí)時(shí)顯示、心率顯示及報(bào)警，波形存儲(chǔ)及回放等功能。 關(guān)鍵詞：心電 數(shù)據(jù)采集 LabVIEW 虛擬儀器 Abstract: A virtual ECG recording system has been developed based on the platform of virtual instrument program language of LabVIEW, which has powerful digital signal processing and visually figure programming function. The system’s functions include real-time ECG waveform display, heart rate display, alarm for abnormal heart rate, ECG waveform storage and redisplay. key word: ECG; data acquisition; LabVIEW; virtual instrument. 1 引言 　　心電信號(hào)是人體生物電活動(dòng)信息的表征，通過心電信號(hào)可以判斷人體的健康狀況。心電研究一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，心電圖是心血管等疾病臨床檢查診斷的重要方法。 　　傳統(tǒng)的心電記錄方法主要靠心電圖機(jī)來完成，其信號(hào)采集、處理和顯示主要由硬件電路完成，電路生產(chǎn)技術(shù)要求較高，設(shè)備價(jià)格較貴，且維護(hù)和更新不便。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為改造傳統(tǒng)的心電記錄設(shè)備提供了很好的技術(shù)支持，它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件處理功能和豐富的硬件資源來組成插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，利用豐富的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通常由硬件完成的功能。 　　LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形化虛擬儀器開發(fā)軟件，它具有編成簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀等特點(diǎn)。我們利用LabVIEW、自制多路心電放大器和PCI6023數(shù)據(jù)采集卡組成虛擬儀器系統(tǒng)，開發(fā)出界面友好的智能化心電采集、記錄、分析系統(tǒng)，使心電數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)、回放和分析等全部由計(jì)算機(jī)完成，克服臨床醫(yī)生心電分析個(gè)體差異，同時(shí)也方便構(gòu)成遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和診斷系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)構(gòu)成 　　心電信號(hào)采集、記錄系統(tǒng)如圖1所示，主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件主要包括多路心電放大器、數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)組成。其主要功能是實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、處理和A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)通過DAQ板引入PC機(jī)進(jìn)行處理。軟件采用LabVIEW 6i對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行顯示、分析和處理。 　　多路心電放大器為自行設(shè)計(jì)，其組成框圖2所示，主要包括前置放大器、帶通濾波器、工頻陷波器、主放大器和光電耦合電路組成。前置放大器選用AD公司的高性能精密儀表放大器件AD620組成，采用該器件設(shè)計(jì)出的生物電前置放大器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，很容易滿足心電前置放大器高輸入阻抗、高增益、低噪聲、低漂移等技術(shù)指標(biāo);帶通濾波器由截止頻率為0.05Hz的一階有源高通濾波器和截止頻率設(shè)計(jì)為400Hz的4階Butterworth低通濾波器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的濾除和讓0.05～100Hz的心電信號(hào)無失真地通過;工頻干擾的濾除由采用雙T有源濾波器形式的50Hz陷波器完成;主放大器用來對(duì)處理過的心電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以滿足PCI6023數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入信號(hào)的電平要求;光電耦合器用來實(shí)現(xiàn)人體與電器上的隔離，保證人體電氣安全。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　LabVIEW開發(fā)平臺(tái)下編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為VI。VI包括三個(gè)部分：前面板程序、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。前面板程序的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的控制、處理和直觀表達(dá);框圖程序程序乃系統(tǒng)程序的圖形化源代碼，主要包括函數(shù)、結(jié)構(gòu)和代表前面板上各控制對(duì)象和顯示對(duì)象的端子以及連線等，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集處理和分析等操作。 　　前面板設(shè)計(jì) 　　利用LabVIEW 6i設(shè)計(jì)的心電采集系統(tǒng)的前面板如圖17所示。虛擬儀器的前面板是儀器與用戶交互的可視化操作界面，用戶通過操作前面板的各種開關(guān)和按鈕，可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、心率計(jì)算與顯示、波形存儲(chǔ)和回放等各項(xiàng)功能。前面板中設(shè)置了兩個(gè)波形顯示控件，左上面用來實(shí)時(shí)顯示采集到的心電波形，左下面用來現(xiàn)實(shí)回訪的波形，以利于醫(yī)生觀察、診斷所需的心電圖。 [align=center] 圖3 心電采集記錄系統(tǒng)前面板[/align] 　　心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集顯示程序 　　程序設(shè)計(jì)了一循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過“停止”開關(guān)決定是否進(jìn)入心電采集狀態(tài)。通過“開始采樣”按鈕狀態(tài)控制進(jìn)入內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)用“AI READ”程序完成心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，其中設(shè)置的每秒掃描數(shù)為scans/s,緩沖區(qū)的大小為個(gè)掃描數(shù)據(jù)，一次讀入的掃描數(shù)為scans,并用循環(huán)寄存器保存每次讀入規(guī)定掃描數(shù)后，內(nèi)存中尚未讀取的采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。同時(shí)再調(diào)用一個(gè)“case”結(jié)構(gòu)完成心率的實(shí)時(shí)顯示。程序通過調(diào)用一個(gè)“case”結(jié)構(gòu)完成心率的實(shí)時(shí)顯示。心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集、顯示框圖程序如圖4所示。 [align=center] 圖4 實(shí)時(shí)采集、顯示框圖程序[/align] 　　心律計(jì)算程序 　　本模塊的程序代替了傳統(tǒng)心電圖機(jī)硬件電路中的微分，整形和計(jì)數(shù)器電路，采用軟件方法完成心電信號(hào)的R波檢測(cè)、周期和心率計(jì)算功能。將采集到的實(shí)時(shí)心電信號(hào)接入“peak detect”程序?qū)崿F(xiàn)R波的檢測(cè)，從而計(jì)算出兩個(gè)R波間期和心率。 [align=center] 圖5 心律計(jì)算框圖程序[/align] 4 心電信號(hào)處理 　　從圖6采集到的心電波形可以看出，信號(hào)中的干擾成分主要為高頻干擾、工頻干擾和基線漂移，對(duì)R波檢測(cè)和R-R間期計(jì)算會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，因此需對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的濾波處理，計(jì)算、分析程序才能得出正確的結(jié)果。 [align=center] 圖6 原始心電信號(hào)波形[/align] 　　LabVIEW 6i 具有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力，其中有多種形式的數(shù)字濾波器可供選擇。采用Singal Processing ToolBox控件中的Equi-Ripple Bandstop實(shí)現(xiàn)對(duì)50Hz工頻信號(hào)的消除;采用Median Filter控件實(shí)現(xiàn)消除基線漂移功能;利用Digital FIR filter控件中的Chebyshev數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的濾除。通過以上方法處理后的心電信號(hào)波形如圖7所示，從中可以看出，各種干擾信號(hào)得以有效濾除、R波得以提升，達(dá)到了理想的效果。 [align=center] 圖7 處理后心電信號(hào)波形[/align] 5 結(jié)束語 　　LabVIEW為研制開發(fā)智能化醫(yī)學(xué)儀器提供了很好的開發(fā)環(huán)境，利用LabVIEW開發(fā)虛擬醫(yī)學(xué)儀器具有結(jié)果顯示直觀、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。我們利用LabVIEW研制的心電采集、記錄系統(tǒng)目前只初步完成了一些主要功能，進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容主要包括放大器增益的程序控制、導(dǎo)聯(lián)自動(dòng)選擇、時(shí)間常數(shù)選擇、濾波器選擇和信號(hào)處理軟件的完善等，相信經(jīng)過進(jìn)一步的優(yōu)化，完全可以滿足醫(yī)學(xué)電子儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)和臨床診斷的需要。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用LabVIEW 6i構(gòu)成虛擬心電記錄系統(tǒng);LabVIEW環(huán)境下心電信號(hào)R波提取的軟件實(shí)現(xiàn);LabVIEW環(huán)境下信號(hào)濾波軟件實(shí)現(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]趙崇侃. 雙時(shí)值QRS波檢出電路[J],中國醫(yī)療器械雜志, 1995,19（3）:158-160 　　[2]鄧東云,等. 一種生理弱信號(hào)的模擬處理電路的設(shè)計(jì)[J],中國醫(yī)療器械雜志, 1994,18（5）:262-265 　　[3]汪敏生等譯著. 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