【正文】 函數(shù)，變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降。生物電放大器的 CMRR值一般要求 60dB～ 80dB，高性能放大器的 CMRR達(dá) 100dB，這說(shuō)明對(duì)于 100mv的共模干擾和 181。各個(gè)電極處的皮膚接觸電阻是不平衡的 ，而且因人而異，加之兩個(gè)電極本身的物理狀態(tài)不可能完全對(duì)稱(chēng)，這樣使得與差動(dòng)放大器兩個(gè)輸入端相連的源阻抗實(shí) 前級(jí)放大 后級(jí)放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 心電信號(hào)、 脈搏信號(hào) 10 際變得十分復(fù)雜。 3．低噪聲、低漂移 相對(duì)于幅度僅在微伏、毫伏數(shù)量級(jí)的低頻生物電信號(hào)而言，放大器前置級(jí)的這一項(xiàng)要求是重要的。這樣，放大器的內(nèi)部噪聲實(shí)際上使放大器能夠放大的信號(hào)具有一個(gè)下限，也就是說(shuō)放大器的噪聲電平成為放大器設(shè)計(jì)的限制性條件。 利用 LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集有許多種方式，其中最簡(jiǎn)單的方式莫過(guò)于直接利用 NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集板卡和 LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集 VI實(shí)現(xiàn)。針對(duì)數(shù)據(jù)采集卡 ，這個(gè)軟件可以完成 NI公司數(shù)據(jù)采集卡的檢測(cè)，性能測(cè)試、屬性配置和硬件刪除。在系統(tǒng)屬性中涉及到了采集卡占用的內(nèi)存、中斷號(hào)和 直 接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)號(hào)，而在模擬輸入屬性中可以設(shè)置模擬輸入的范圍和信號(hào)輸入模式。 基于以上的要求和本課題的實(shí)際需要，本設(shè)計(jì) 選擇了 NI公司的 PCI6014型數(shù) 11 據(jù)采集卡。 以下為 PCI6014的技術(shù)參數(shù) [14]： （ 1） 200KS／ s采樣率， 16位精度的 16路模擬輸入 （ 2） 2路模擬輸出， 16位精度 （ 3） 8條數(shù)字 I／ 0線(xiàn) (5VTTL／ CMOS) （ 4） 2路 24位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 （ 5） 數(shù)字觸發(fā) （ 6） 4組不同的模擬輸入范圍 與 PCI6014配套選用的還有附件 BNC2120以及專(zhuān)用的輸入／輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)和100接點(diǎn)輸入輸出接線(xiàn)端子。 (4)可讀性強(qiáng)：整個(gè)程序在編制過(guò)程中使用標(biāo)準(zhǔn)控件和標(biāo)準(zhǔn)顯示件，采用事件激活處理方式，且標(biāo)明注釋?zhuān)阌谄渌僮魅藛T學(xué)習(xí)和使用，也有利于日后進(jìn)一步的研制和改進(jìn)。要使各功能模塊協(xié) 調(diào)配合，真正地運(yùn)作起來(lái)，還需通過(guò)軟件將它們連成一個(gè)有機(jī)整體，整個(gè)系統(tǒng)才能完成指定的功能，并具有“自動(dòng)化”、“智能化”的特點(diǎn) [6]。這不僅使操作者感到輕松自如，而且可減少用戶(hù)誤操作的可能性。除了使用LabVIEW開(kāi)發(fā)軟件提高系統(tǒng)可用性以外，我們還在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中注意到了在數(shù)據(jù)處理方面建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流，使各功能模塊通過(guò)共享數(shù)據(jù)資源以實(shí)現(xiàn)各功能模塊間的連結(jié)，采用高效的算法以提高效率。在該系統(tǒng)中用戶(hù)對(duì)界面進(jìn)行操作，計(jì)算機(jī)接收到命令后，首先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)由 LabVIEW的 Waveform Graph圖控件顯示出信號(hào)曲線(xiàn)。生物信號(hào)處理系統(tǒng)中，一般要求共模抑制比為 60～ 80dB，要求高的達(dá) 100dB以上【 8】 。本系統(tǒng)模擬放大器的放大倍數(shù)為 1000倍，則分辨率為： A=／ 1000=(181。 時(shí)間分辨率 采樣頻率不僅影響時(shí)間分辨率，而且影響對(duì)波形幅度的準(zhǔn)確測(cè)量。 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)指的是，在輸入正弦信號(hào)情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。另外，系統(tǒng)使用了高低通濾波器，保證系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍～ 106Hz，即所處理信號(hào)的頻帶范圍。在測(cè)量過(guò)程中，不可避免的滲入一 些干擾信號(hào)，因此要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，提高信噪比，濾除信號(hào)中的干擾成分，提取有用信息。它們的基本功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和把傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，以滿(mǎn)足其它儀器的需要，但必須在信號(hào)處理時(shí)將放大的信號(hào)還原。預(yù)處理的核心是使用各種濾波技術(shù)提高信號(hào)的信噪比。信號(hào)通常分布在一個(gè)很寬的頻帶范圍內(nèi)，而有用的特征信息往往集中在一個(gè)或幾個(gè)頻帶內(nèi)，所以對(duì)其它頻帶信號(hào)須加以濾除，以提高信噪比。 （ 4）濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到 穩(wěn)定的直流電壓。 直流穩(wěn)壓電源的電路圖如圖 32所示。 （ 2） 檢測(cè)心電信號(hào)時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，尤其是 50Hz 的工頻干擾，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路來(lái)濾除它。由此心電導(dǎo)聯(lián)便可分為標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)（也稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián) )，加壓肢體導(dǎo)聯(lián)，胸導(dǎo)聯(lián)。 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)只是反映體表某兩點(diǎn)之間的電位差，而不能探測(cè)某一點(diǎn)的電位變化，在此基礎(chǔ)上便產(chǎn)生了加壓肢體導(dǎo)聯(lián)。方法是在描敘 某一肢體單極導(dǎo)聯(lián)心電圖時(shí)，將該肢體與中心電端相連接的高電阻斷開(kāi)，這樣就可使心電波形圖振幅增加 50%。在第二章中已經(jīng)介紹過(guò)前置放大器的設(shè)計(jì)要求，高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、設(shè)置保護(hù)電路。 ～177。 18 圖 34 心電信號(hào)前置放大電路 心電信號(hào)的放大對(duì)共模抑制比 (CMRR)要求很高，因?yàn)樾碾娦盘?hào)檢測(cè)時(shí)所受到的干擾大多是 共模干擾，如 50Hz的工頻干擾等，這些干擾常把微弱的心電信號(hào)淹沒(méi)。 為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比， 本文 設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路，右腿驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)改進(jìn)的電壓跟隨器 [12]。 后級(jí)放大及濾波電路 [9] 心電信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大后幅值也只有 20mv左右，因 此后級(jí)放大是必要的，考慮到心電信號(hào)的頻帶寬度及所受工頻干擾，本 設(shè)計(jì)的后級(jí)放大及濾波電路如圖 35所示。濾波器的時(shí)間常數(shù) t=RC=3s，高通濾波器的截止頻率為： 11 0 .0 52 2 3lf H zRC??? ? ?? （ 33） （ 3） 低通濾波器 由于心電信號(hào)在 100Hz以下，為了消除高頻干擾，本設(shè)計(jì) 使用了低通濾波器，如圖所示，由 R C2構(gòu)成。其典型結(jié)構(gòu)如圖 36雙 T有源帶阻濾波器的傳遞函數(shù)為： 圖 36 雙 T 有源帶阻濾波器 202020 ( )() 1 ( / ) 4 (1 ) /wwH jw w w j k w w??? ? ? ? （ 35） 其陷波頻率由雙 T 網(wǎng)絡(luò)決定，即： 131 3 2 1 31 1 6 8 6 8 5 0 z2 2 6 8 6 8 1 3 6 4 6 4 6CC n F n FfHC C C R R n F n F n F K K?? ? ?? ? ?? ? ? ? （ 36） 雙 T有源帶阻濾波器的特性 主要決定于兩個(gè)方面。陷波點(diǎn)的衰減程 21 度將影響信號(hào)的質(zhì)量，衰減不夠降低信噪比。通常取 k=。 由壓電陶瓷片兩面鍍銅作為電極可以制成無(wú)源傳感器，置于橈動(dòng)脈處時(shí)，脈搏振動(dòng)信號(hào)使壓電陶瓷產(chǎn)生微小形變，導(dǎo)致內(nèi)部極化，在兩個(gè)表面上產(chǎn)生異種電荷。另一種傳感器 以力敏元件 PVDF壓電薄膜為核心，集成了感溫元件、溫度靈敏度補(bǔ)償元件等模塊，典型的 如 HK2020系列脈搏振動(dòng)傳感器，靈敏度高，抗干擾性能強(qiáng)，一致性好，但成本相對(duì)較高。 放大與濾波電路 為了能更好地對(duì)所 測(cè)得脈搏信號(hào)進(jìn)行分析處理并抑制雜散波形，需要對(duì)傳感器測(cè)得信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。A 。調(diào)整電位器 R3使信號(hào)放大到接近飽和 (5V)，使兩個(gè)電壓峰在相對(duì)大小不變的情況下，絕對(duì)差值增大。 圖 39為 50Hz 信號(hào)仿真結(jié)果，從圖中可以看出， 50Hz 模擬信號(hào)因?yàn)橛袨V波電路的存在，被很好的抑制了，達(dá)到了預(yù)期的效果。如果說(shuō)硬件電路是整個(gè)系統(tǒng)的軀干和四肢，那么系統(tǒng)軟件就是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，由系統(tǒng)軟件這個(gè)大腦來(lái)指揮作為軀干和四肢的硬件電路來(lái)完成各種所需要的工作。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái) )是美國(guó) NI公司 (Nation Instrument Company，簡(jiǎn)稱(chēng) NI公司 )推出的一種基于 G語(yǔ)言 (Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言 )的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，用 LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離 LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)最終看到的是和實(shí)際硬件儀器相似的操作面板，同時(shí) LabVIEW還為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼的編寫(xiě)。由于本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)選用了 LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使得在實(shí)際開(kāi)發(fā)時(shí)可以 更多地考慮如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而不用太多地注重程序設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問(wèn)題，從而大大提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的速度。建立 VIs之間的層次結(jié)構(gòu)，使用戶(hù)易于修改、交互、改變，并組合其他 VIs以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，子 VI調(diào)用的層次是沒(méi)有限制的。對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，只有當(dāng)它的所有輸入端口上的數(shù)據(jù)都成為有效數(shù)據(jù)時(shí)，它才能被執(zhí)行。本系統(tǒng)主要體現(xiàn)三個(gè)功能： (1)用戶(hù)提供簡(jiǎn)單、美觀(guān)的操作界面。 本系統(tǒng)的軟件測(cè)試過(guò)程，主要完成對(duì)從硬件部分采集上來(lái) 的生理信號(hào)進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)控診斷 工作。 開(kāi)始 初 始 化PCI6014數(shù)據(jù)采集卡 創(chuàng)建兩路模 擬輸入通道 用 戶(hù) 登 錄 開(kāi)始采集數(shù)據(jù) 退 出 系 統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)分析模塊 數(shù)據(jù)診斷模塊 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊 No Yes 29 圖 44 建立數(shù)據(jù)庫(kù) VI 圖 42為建立數(shù)據(jù)庫(kù)的 VI，用于存儲(chǔ)用戶(hù)數(shù)據(jù) [5]。 本設(shè)計(jì)使用的 方法 是 對(duì) DAQ助手進(jìn)行設(shè)置，如圖 46所示。經(jīng)典濾波器的特點(diǎn)是輸入信號(hào)中的有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶 ， 通過(guò)一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波目的。因此，它在要求具有線(xiàn)性相位的應(yīng)用場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用。 圖 413 濾波前后對(duì)比 34 在該設(shè)計(jì)中，最主要的控件為數(shù)字 FIR濾波器 和 FFT頻譜（幅度 相位） ，如下 所示。默認(rèn)值為 無(wú)錯(cuò)誤 。簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器或通用錯(cuò)誤處理器 VI可用于顯示錯(cuò)誤代碼的說(shuō)明信息。 代碼 是錯(cuò)誤或警告代碼。 源 表示錯(cuò)誤或警告的源，大多數(shù)情況下表示出現(xiàn)錯(cuò)誤或警告的 VI或函數(shù)名。該 VI 以實(shí)部和虛部返回 FFT 結(jié)果。在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號(hào)的獲取與采集由以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)來(lái)完成。 本系統(tǒng)中選用 Express VI中的 “幅值和電平測(cè)量” VI用來(lái)測(cè)量電壓的直流分量，心電信號(hào) 、脈搏信號(hào) 峰值、谷值、峰峰值、周期平均值、周期均方根等。 心率是指心臟每分鐘搏 起的次數(shù)，心率測(cè)量是根據(jù)心電圖測(cè)量定瞬時(shí)心率和平均心率 【 8】 。 健康成年人靜息狀態(tài)下心率每分鐘 75次左右，搏出量約 70ml，心輸出量約為5L。在本系統(tǒng)中采用的判斷方法 為 ：設(shè)定心率的最大值和最小值，也就是上限和下限。 圖 414 心率分析報(bào)警主程序前面板 。 本系統(tǒng)中用布爾指示燈顯示報(bào)警狀態(tài)，設(shè)定心率上限為 90次 /分，下限為 70 36 次 /分，當(dāng)采集的心率高于 90次／分時(shí)，心動(dòng)過(guò)速的指示燈便點(diǎn)亮 ， 當(dāng)心率低于70次／分時(shí)，心動(dòng)過(guò)緩的指示燈便點(diǎn)亮，顯示心率異常報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)心率為 80次／分時(shí)，則心率正常的指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)，診斷結(jié)果提示框內(nèi)也顯示相應(yīng)的文字信息．需要工作人員注意。表明健康人心臟泵血功能有一定的儲(chǔ)備量，能夠在需要時(shí)成倍地增長(zhǎng)。 平均心率是在一定計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)， R波個(gè)數(shù)和計(jì)數(shù)時(shí)間的比值，即 NF= T（ 次 /分 ） （ 42） 式中， T為計(jì)數(shù)時(shí)間 (分 )， N是 R波個(gè)數(shù) [16]。并通過(guò)公式計(jì)算心率 、脈率 ，從而 準(zhǔn)確的判斷心率 和脈率 的變化。在同一個(gè)硬件平臺(tái)上，調(diào)用不同功能的軟件可構(gòu)成不同功能的虛擬儀器，軟件是根據(jù)不同的信號(hào)分 析與處理技術(shù)編制的。 35 、報(bào)警模塊 虛擬儀器通常由三大部分組成：信號(hào)的獲取與采集，信號(hào)的分析與處理，結(jié)果輸出與顯示。 FIR 濾波器 規(guī)范 是用于指定 FIR 濾波器 的最小值。如 果 狀態(tài) 的值為 TRUE， 代碼 將為非零錯(cuò)誤代碼。 狀態(tài) 的值為 TRUE（叉）時(shí)表示在 VI 或函數(shù)運(yùn)行前已發(fā)生錯(cuò)誤，值為 FALSE（勾）時(shí)表示警告或無(wú)錯(cuò)誤。如在 VI或函數(shù)運(yùn)行前沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤， VI 或函數(shù)將正常 運(yùn)行。 信號(hào)輸入 是要進(jìn)行濾波的波形。 圖 411 FIR濾波器 VI前面板 33 圖 412 FIR濾波器 VI程序框圖 圖 411和 412分別為 FIR濾波器 VI的前面板和程序框圖，該濾波器可由使用者自主設(shè)置濾波器類(lèi)型、抽頭數(shù)、低頻截止頻率和高頻截止頻率，其中濾波器類(lèi)型可設(shè)置為“ Lowpass”、“ Highpass”、“ Bandpass”和“ Bandstop”四種。 從 實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或從單位脈沖響應(yīng)分類(lèi)，數(shù)字濾波器可以分為無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器 (Infinite impulse response， IIR)和有限脈沖響 應(yīng)濾波器 (Finite impulse response， FIR)。 如圖 49所示，顯示出了所模擬采集的心電信號(hào)和脈搏信號(hào)，圖 410則為數(shù)據(jù)采集 VI的程序框圖。 圖 47 用戶(hù)登錄系統(tǒng)主程序