【正文】 ....................... 20 167。 USB 接口電路的設(shè)計(jì) ................................................. 22 167。 踏車控制電路的設(shè)計(jì) ........................................................... 23 第四章 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì) ............................................................. 24 167。 軟件開發(fā)平臺(tái) —LABVIEW ................................................. 24 167。 系統(tǒng) 軟件程序結(jié)構(gòu) ............................................................... 24 167。 主要模塊的子程序設(shè)計(jì) ........................................................ 27 167。 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計(jì) ..................................................... 27 167。 系統(tǒng)信號(hào)采集模塊的設(shè) 計(jì) ......................................... 27 167。 系統(tǒng)信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) ......................................... 30 167。 系統(tǒng)信息存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì) ......................................... 30 167。 系統(tǒng)信息的分析 ......................................................... 32 總 結(jié) ....................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................. 34 致 謝 .........................................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1 前 言 虛 擬儀器 (Virtual Instrument)是隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、電子儀器技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型儀器 [ 1]。 而 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言 [2]。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制功能。 LABVIEW 集成了與滿足 GPIB，VXI， RS–232 和 RS–485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP， ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣，簡(jiǎn)單。 目前 ， 虛擬儀器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)、圖像的采集和分析處理、系統(tǒng)仿真、運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、電子工程、電力工程及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域?？梢钥闯?，虛擬儀器開發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期。 其中，在醫(yī)療領(lǐng)域， 心臟病已被公認(rèn)為 威脅人類健康的最嚴(yán)重的疾病之一 ， 我國人口的心臟病發(fā)病率很高 ， 呈逐年遞增的趨勢(shì)，所 以心臟病的防治和診斷已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的主要問題，而心電信號(hào) (electrocardiogram， ECG)是診斷心血管疾病的重要依據(jù)。因此，關(guān)于心電信號(hào)的處理和分析的研究顯得越來越重要了 [ 3]。 尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，不斷 地 改進(jìn) 了心電的處理和分析方法，比如 虛擬儀器 軟件開發(fā)平臺(tái) LABVIEW的引入便能大大改進(jìn)心功能檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 。 本課題 正是 將測(cè)量?jī)x器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合為一體，構(gòu)建以計(jì)算機(jī)及 LABVIEW軟件為核心的虛擬 心電 檢測(cè)系統(tǒng)，模擬醫(yī)療領(lǐng)域 的心電檢測(cè)系統(tǒng)，以期能推動(dòng)虛擬儀器技 術(shù)在醫(yī)療測(cè)試領(lǐng)域中的普及應(yīng)用。在對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了廣泛的地探討與研究和對(duì)多種測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了以 NI公司 的 軟件開發(fā)平臺(tái) LABVIEW的測(cè)試方案 [4]。本文對(duì) 心功能檢測(cè) 系統(tǒng)作了 多方面的 的 比較分析 ， 參考市場(chǎng)上的多種類似心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，最終 確定了 課題研究的硬件和 軟件 各主要 模塊 的 組成 ，并側(cè)重 完成了 LABVIEW軟件開發(fā) 平臺(tái)下 的 虛擬 檢測(cè) 系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)，開發(fā)了 VISA串行通信，數(shù)據(jù) 采集 ，數(shù)據(jù)處理 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等 模塊。本文 首先 是對(duì)心電信號(hào)的預(yù)處理和分析，采用的心電信號(hào)均來自國際上公認(rèn)的 2 MIT–BIH數(shù)據(jù)庫。 緒論部分 主要介紹了心 功能檢測(cè)系統(tǒng) 的研究意義、 研究現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)的總體方案。第二章則側(cè)重介紹了心電及心電圖的一些基礎(chǔ)知識(shí)及其對(duì)臨床診斷的重要意義。第三章主要是本系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法及其選取，包括心電放大電路、濾波電路、 USB接口電路等的設(shè)計(jì)。第四章則是本文的重點(diǎn)，即軟件部分的設(shè)計(jì)。本部分著重介紹了圖形化編程語言 LABVIEW的特點(diǎn)，及其在本課題設(shè)計(jì)過程中的重要應(yīng)用，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要模塊的前面板和程序流程圖設(shè)計(jì)。之后是論文的總結(jié)部分，包括本次設(shè)計(jì)中存在的一些問題及其解決方法， 并對(duì)課題的研究做了一些展望。 本文使用所開發(fā)的虛擬儀器心 功能 檢測(cè)系統(tǒng)，在 虛擬 操作中對(duì)系統(tǒng)各功能模塊的具體應(yīng)用情況進(jìn)行了檢驗(yàn)，完成了在 設(shè)計(jì)中 的任務(wù) 要求。 隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī)資源普及運(yùn)用、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)不僅可簡(jiǎn)化儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且能有效的降低生產(chǎn)成本和縮短開發(fā)時(shí)間 。 通過 本次基于 虛擬儀器 的 心 功能 檢測(cè)系統(tǒng)這個(gè)課題的研究，認(rèn)識(shí)到虛擬儀器技術(shù)是開發(fā)自動(dòng)化，柔性化和網(wǎng)終化測(cè)量?jī)x器的有效方法。基于圖形編程語言開發(fā)平臺(tái)的 LABVIEW能大幅度縮短虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)周期。同時(shí)，本心 功能 檢測(cè)系統(tǒng)還具有良好的專用性、相通性和開放性。在實(shí)際工程領(lǐng)域，除應(yīng)用于醫(yī)療檢測(cè)外，可廣泛用于信號(hào)分析、儀器控制和過程監(jiān)測(cè)與控制等領(lǐng)域中的相關(guān) 測(cè)試和 相關(guān)濾波等各種信號(hào) 的識(shí)別與處理。 3 第一章 緒 論 167。 研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 德國的西門子和霍爾斯克公司在心電處理方法上做出了突出的貢獻(xiàn)：他們率先在其制造的儀器上采用了真空管和示波器兩大技術(shù)，這不僅大大提高了儀器的靈敏度，而且導(dǎo)致體積的小型化和信號(hào)記錄的屏幕化。美國在 20世紀(jì) 50 年代首先研究用計(jì)算機(jī)來處理心電圖，并逐漸用于臨床，可長時(shí)間監(jiān)測(cè)病人在各 種工作、生活等狀態(tài)下的心肌生理變化和病變情況及嚴(yán)重程度。近幾年來，美等國家開始利用動(dòng)態(tài)心電儀進(jìn)行心律變異分析，即可直接戴在病人身上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，已取得大量經(jīng)驗(yàn)，其臨床意義得到醫(yī)療專家的高度重視，發(fā)達(dá)國家已普遍采用。目前國內(nèi)外逐漸有相關(guān)的心功能檢測(cè)產(chǎn)品問世，并逐漸趨于多通道導(dǎo)聯(lián)的心電監(jiān)護(hù)裝置，體積和重量都大幅減小，且大多產(chǎn)品采用內(nèi)置液晶顯示屏，中英文分析，操作十分簡(jiǎn)便。我國各大城市的主要醫(yī)療單位也都已能進(jìn)行此項(xiàng)檢查，并積累了不少臨床經(jīng)驗(yàn)。并且，經(jīng)過廣大科研人員的努力，我國也已生產(chǎn)出了適合我國國情的特別適合廣大 中小醫(yī)院使用的心電儀系列，如深圳邁瑞、上海光電、廣東寶萊特等公司 [ 5]。尤其是心電方面的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，已使用了國際上最先進(jìn)的抗運(yùn)動(dòng)和弱灌注血氧模塊 技術(shù)，具有監(jiān)護(hù)、手術(shù)、診斷、用戶等多種工作模式，且心電采用了 DSP數(shù)字處理技術(shù)，并可將十二導(dǎo)或七導(dǎo)等多通道心電同屏顯示，使抗干擾能力大大增強(qiáng)，有效防止漏檢，更有利于心臟病的診斷與分析 [6]。 另外，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得國內(nèi)外心電檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)更有了新的突破。作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)儀器融合的產(chǎn)物，虛擬儀器以其傳統(tǒng)儀器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，利用 LABVIEW 或 LABVIEW 圖形化語言編程，將心電電極采集的信號(hào)進(jìn)行顯示、分析、存儲(chǔ)、打印等處理，性能可靠、工作穩(wěn)定，大大降低了心電信號(hào)采集系統(tǒng)的成本 [ 7]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)和單片機(jī)等技術(shù)設(shè)計(jì)而成的醫(yī)用電子監(jiān)護(hù)已逐漸應(yīng)用于臨床診斷。在心電信號(hào)的計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)開發(fā)過程中，可利用多種計(jì)算機(jī)仿真軟件，來提高心電檢測(cè)和監(jiān)護(hù)水平，并使成本最低化、功耗最小化、操作簡(jiǎn)便化?？紤]到心電圖數(shù)據(jù)的海量性，目前科研人員又結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)，著手于心電自 動(dòng)分析系統(tǒng)的研究，以實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的自動(dòng)分 4 類和智能診斷，并使其具備對(duì)心電數(shù)據(jù)、病人信息、醫(yī)生診斷分析等數(shù)據(jù)的管理功能，對(duì)心血管疾病的分析和診斷有著十分重要的意義 [8]。 總之，目前的心電檢測(cè)系統(tǒng)逐漸趨于便攜式、智能化、多導(dǎo)同步檢測(cè)且又節(jié)約成本等方向發(fā)展。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，還可與醫(yī)院的醫(yī)院信息系統(tǒng) (HIS)進(jìn)行直接聯(lián)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)有用信息的資源共享和對(duì)比分析等。 167。 研究目的及意義 近些年來，隨著人們生活水平的日益提高，不合理的飲食和作息習(xí)慣使得心血管類疾病的發(fā)生率逐年增高，如冠心病、心絞痛、心肌缺氧、心慌胸悶、心肌梗塞等多種心功能不全疾病。它們嚴(yán)重威脅著人類的健康和生命，因而，如何及時(shí)準(zhǔn)確地輔助醫(yī)生檢測(cè)和診斷出心血管疾病并予以有效的治療，是非常重要且有意義的課題 [9]。 眾所周知，心電信號(hào)幾乎涵蓋了所有心功能正常與否的信息，是評(píng)價(jià)心臟功能的主要依據(jù)，因而也是心血管疾病最基本的檢測(cè)和監(jiān)護(hù)參數(shù)。心電圖的發(fā)現(xiàn)使得醫(yī)療機(jī)構(gòu)能夠更加準(zhǔn)確的了解心臟內(nèi)部機(jī)能狀況。但是，目前大多廠家研發(fā)生產(chǎn)的心功能檢測(cè)儀與心電監(jiān)護(hù)儀是兩套分別獨(dú)立的產(chǎn)品，不利于心血管疾病患者的快速監(jiān)測(cè)診斷，醫(yī)生使用起來也較為復(fù)雜、繁瑣，并且還會(huì)加大醫(yī)院的設(shè)備 投資和患者的就醫(yī)費(fèi)用。隨著信息現(xiàn)代化的發(fā)展，尤其是虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，改變了許多儀器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方式，進(jìn)而基于虛擬儀器的生物醫(yī)學(xué)儀器也開始出現(xiàn) [10–12]，使得利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)來提高心功能檢測(cè)和分析系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，逐漸成為可能。因而，利用計(jì)算機(jī)分析能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間大、可裝載多種仿真軟件且便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和打印等便捷資源，結(jié)合集成電路技術(shù)、心臟疾病的心電診斷等依據(jù)，可設(shè)計(jì) 出 基于虛擬儀器的由計(jì)算機(jī)控制的、簡(jiǎn)便、開放、靈活、實(shí)用的心功能檢測(cè)系統(tǒng)，這樣既能輔助醫(yī)生更好 地 進(jìn)行診斷，又能提高醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)效益。 總之 ，隨著電子技術(shù)和醫(yī)療事業(yè)的不斷進(jìn)步，心電檢測(cè)和分析系統(tǒng)愈來愈趨向于便攜式、多通道、智能化和信息化方向發(fā)展。因而，本設(shè)計(jì)從儀器的便捷性、準(zhǔn)確性、智能性和人機(jī)交互界面的友好性等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期能夠提高心功能檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)性能，從而減少醫(yī)院設(shè)備投入和節(jié)省患者就醫(yī)費(fèi)用，促進(jìn)我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展 [13]。 5 167。 總體方案 1) 介紹與課題相關(guān)一些背景知識(shí)，如心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，心電圖的分析及心功能檢測(cè)儀的發(fā)展等。 2) 擬出課題設(shè)計(jì)的原理框圖，明確課題設(shè)計(jì)的具體方向。 心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 踏車阻力控制電路 濾 波 處 理 接 口 電 路 前 置 放 大 L A B V I E W 前面板計(jì)程序設(shè)計(jì) 圖 1–1 總體框圖 3) 介紹課題的硬件電路設(shè)計(jì)， 給出心電信號(hào)預(yù)處理的幾種常見方法，對(duì)比選擇最優(yōu)的心電放大、濾波等處理方法。 4) 介紹課題的軟件設(shè)計(jì)。主要是虛擬儀器 LABVIEW 軟件的功能概述，及本課題欲采用該軟件開發(fā)平臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的有關(guān)心功能檢測(cè)的編程過程和部分程序設(shè)計(jì)。 5) 對(duì)整體設(shè)計(jì)論文進(jìn)行總結(jié)，并指出設(shè)計(jì)中的不足之處和改進(jìn)方法。 6 第二章 心電信號(hào)基礎(chǔ)知識(shí) 167。 心電圖的產(chǎn)生及其特點(diǎn) 心電圖是在心臟有規(guī)律地收縮和舒張過程中，各部分心肌細(xì)胞產(chǎn)生的動(dòng)作電位綜合而成的一系列具有相同波群的心電信號(hào)構(gòu)成的波形，可從體表或胸腔測(cè)得，經(jīng)放大后被顯示或描記下來，然后 用于心臟疾病的診斷分析，具有較大的臨床意義 [14]。 一片心肌是由多個(gè)心肌細(xì)胞所組成 ，這些細(xì)胞具有細(xì)長的形狀，典型的心肌細(xì)胞約長 100 μm，寬 15 μm，每個(gè)細(xì)胞都被一層厚度為 8 nm~10 nm 的細(xì)胞膜所包圍，膜內(nèi)有導(dǎo)電的細(xì)胞內(nèi)液，膜內(nèi)有導(dǎo)電的細(xì)胞間液，他們都是電解液。這些細(xì)胞在未受到任何刺激時(shí)，處于靜息狀態(tài)，細(xì)胞膜外帶正電，膜內(nèi)帶 同等數(shù)量 負(fù)電，稱 這種穩(wěn)定的電荷分布狀態(tài)為極化狀態(tài) ，如圖 2–1 所示。 圖 2–1 極化狀態(tài)圖 通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)得極化狀態(tài)的單一心肌細(xì)胞 膜 內(nèi)電位為 –90 mV，膜外為零 ，這種靜息狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)外的電位差稱為靜息電位。極化狀態(tài)時(shí)靜息電位的恒定，有賴于細(xì)胞的代謝活動(dòng)，細(xì)胞內(nèi)外鉀離子及鈉離子濃度的比值以及細(xì)胞膜對(duì)鉀、鈉、鈣、蛋白質(zhì)、氯離子等具有不同