【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 100dB，這說明對于 100mv的共模干擾和 181。各個電極處的皮膚接觸電阻是不平衡的 ，而且因人而異，加之兩個電極本身的物理狀態(tài)不可能完全對稱，這樣使得與差動放大器兩個輸入端相連的源阻抗實 前級放大 后級放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 心電信號、 脈搏信號 10 際變得十分復(fù)雜。 3．低噪聲、低漂移 相對于幅度僅在微伏、毫伏數(shù)量級的低頻生物電信號而言，放大器前置級的這一項要求是重要的。這樣，放大器的內(nèi)部噪聲實際上使放大器能夠放大的信號具有一個下限，也就是說放大器的噪聲電平成為放大器設(shè)計的限制性條件。 利用 LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集有許多種方式，其中最簡單的方式莫過于直接利用 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實現(xiàn)。針對數(shù)據(jù)采集卡 ，這個軟件可以完成 NI公司數(shù)據(jù)采集卡的檢測，性能測試、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、中斷號和 直 接內(nèi)存訪問號，而在模擬輸入屬性中可以設(shè)置模擬輸入的范圍和信號輸入模式。 基于以上的要求和本課題的實際需要，本設(shè)計 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 (5VTTL／ CMOS) （ 4） 2路 24位定時／計數(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以及專用的輸入／輸出數(shù)據(jù)線和100接點輸入輸出接線端子。 (4)可讀性強：整個程序在編制過程中使用標準控件和標準顯示件，采用事件激活處理方式，且標明注釋，便于其他操作人員學(xué)習(xí)和使用，也有利于日后進一步的研制和改進。要使各功能模塊協(xié) 調(diào)配合，真正地運作起來，還需通過軟件將它們連成一個有機整體，整個系統(tǒng)才能完成指定的功能，并具有“自動化”、“智能化”的特點 [6]。這不僅使操作者感到輕松自如，而且可減少用戶誤操作的可能性。除了使用LabVIEW開發(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，使各功能模塊通過共享數(shù)據(jù)資源以實現(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)中用戶對界面進行操作，計算機接收到命令后，首先進行原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)由 LabVIEW的 Waveform Graph圖控件顯示出信號曲線。生物信號處理系統(tǒng)中，一般要求共模抑制比為 60～ 80dB，要求高的達 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。 時間分辨率 采樣頻率不僅影響時間分辨率，而且影響對波形幅度的準確測量。 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)指的是，在輸入正弦信號情況下，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，即所處理信號的頻帶范圍。在測量過程中，不可避免的滲入一 些干擾信號，因此要對信號進行放大、濾波等預(yù)處理，提高信噪比，濾除信號中的干擾成分，提取有用信息。它們的基本功能是對信號進行放大和把傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，以滿足其它儀器的需要，但必須在信號處理時將放大的信號還原。預(yù)處理的核心是使用各種濾波技術(shù)提高信號的信噪比。信號通常分布在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)，而有用的特征信息往往集中在一個或幾個頻帶內(nèi)，所以對其它頻帶信號須加以濾除，以提高信噪比。 （ 4）濾波后的直流電壓，再通過穩(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） 檢測心電信號時存在強大的干擾，尤其是 50Hz 的工頻干擾，因此必須設(shè)計相應(yīng)的電路來濾除它。由此心電導(dǎo)聯(lián)便可分為標準肢體導(dǎo)聯(lián)（也稱標準導(dǎo)聯(lián) )，加壓肢體導(dǎo)聯(lián)，胸導(dǎo)聯(lián)。 標準導(dǎo)聯(lián)只是反映體表某兩點之間的電位差，而不能探測某一點的電位變化，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，將該肢體與中心電端相連接的高電阻斷開，這樣就可使心電波形圖振幅增加 50%。在第二章中已經(jīng)介紹過前置放大器的設(shè)計要求，高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、設(shè)置保護電路。 ～177。 18 圖 34 心電信號前置放大電路 心電信號的放大對共模抑制比 (CMRR)要求很高，因為心電信號檢測時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淹沒。 為了進一步提高前置放大器的共模抑制比， 本文 設(shè)計了右腿驅(qū)動電路，右腿驅(qū)動的實質(zhì)是一個改進的電壓跟隨器 [12]。 后級放大及濾波電路 [9] 心電信號經(jīng)前級放大后幅值也只有 20mv左右，因 此后級放大是必要的，考慮到心電信號的頻帶寬度及所受工頻干擾，本 設(shè)計的后級放大及濾波電路如圖 35所示。濾波器的時間常數(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 由于心電信號在 100Hz以下，為了消除高頻干擾，本設(shè)計 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 主要決定于兩個方面。陷波點的衰減程 21 度將影響信號的質(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源傳感器，置于橈動脈處時，脈搏振動信號使壓電陶瓷產(chǎn)生微小形變，導(dǎo)致內(nèi)部極化，在兩個表面上產(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、溫度靈敏度補償元件等模塊，典型的 如 HK2020系列脈搏振動傳感器，靈敏度高，抗干擾性能強，一致性好，但成本相對較高。 放大與濾波電路 為了能更好地對所 測得脈搏信號進行分析處理并抑制雜散波形，需要對傳感器測得信號進行放大和濾波。A 。調(diào)整電位器 R3使信號放大到接近飽和 (5V)，使兩個電壓峰在相對大小不變的情況下，絕對差值增大。 圖 39為 50Hz 信號仿真結(jié)果，從圖中可以看出， 50Hz 模擬信號因為有濾波電路的存在，被很好的抑制了，達到了預(yù)期的效果。如果說硬件電路是整個系統(tǒng)的軀干和四肢，那么系統(tǒng)軟件就是整個系統(tǒng)的大腦，由系統(tǒng)軟件這個大腦來指揮作為軀干和四肢的硬件電路來完成各種所需要的工作。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工作平臺 )是美國 NI公司 (Nation Instrument Company，簡稱 NI公司 )推出的一種基于 G語言 (Graphics Language，圖形化編程語言 )的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，用 LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離 LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶最終看到的是和實際硬件儀器相似的操作面板，同時 LabVIEW還為虛擬儀器設(shè)計者提供了一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進行任何煩瑣的程序代碼的編寫。由于本系統(tǒng)的開發(fā)選用了 LabVIEW開發(fā)平臺，使得在實際開發(fā)時可以 更多地考慮如何實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而不用太多地注重程序設(shè)計的細節(jié)問題，從而大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度。建立 VIs之間的層次結(jié)構(gòu)，使用戶易于修改、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)用的層次是沒有限制的。對一個節(jié)點而言，只有當它的所有輸入端口上的數(shù)據(jù)都成為有效數(shù)據(jù)時，它才能被執(zhí)行。本系統(tǒng)主要體現(xiàn)三個功能： (1)用戶提供簡單、美觀的操作界面。 本系統(tǒng)的軟件測試過程，主要完成對從硬件部分采集上來 的生理信號進行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控診斷 工作。 開始 初 始 化PCI6014數(shù)據(jù)采集卡 創(chuàng)建兩路模 擬輸入通道 用 戶 登 錄 開始采集數(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)存儲模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊 No Yes 29 圖 44 建立數(shù)據(jù)庫 VI 圖 42為建立數(shù)據(jù)庫的 VI，用于存儲用戶數(shù)據(jù) [5]。 本設(shè)計使用的 方法 是 對 DAQ助手進行設(shè)置，如圖 46所示。經(jīng)典濾波器的特點是輸入信號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 ， 通過一個合適的選頻濾波器達到濾波目的。因此，它在要求具有線性相位的應(yīng)用場合具有廣泛的應(yīng)用。 圖 413 濾波前后對比 34 在該設(shè)計中，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。默認值為 無錯誤 。簡易錯誤處理器或通用錯誤處理器 VI可用于顯示錯誤代碼的說明信息。 代碼 是錯誤或警告代碼。 源 表示錯誤或警告的源，大多數(shù)情況下表示出現(xiàn)錯誤或警告的 VI或函數(shù)名。該 VI 以實部和虛部返回 FFT 結(jié)果。在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號的獲取與采集由以計算機為核心的硬件平臺來完成。 本系統(tǒng)中選用 Express VI中的 “幅值和電平測量” VI用來測量電壓的直流分量，心電信號 、脈搏信號 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)，心率測量是根據(jù)心電圖測量定瞬時心率和平均心率 【 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 心率分析報警主程序前面板 。 本系統(tǒng)中用布爾指示燈顯示報警狀態(tài)，設(shè)定心率上限為 90次 /分，下限為 70 36 次 /分，當采集的心率高于 90次／分時，心動過速的指示燈便點亮 ， 當心率低于70次／分時，心動過緩的指示燈便點亮，顯示心率異常報警狀態(tài)，當心率為 80次／分時，則心率正常的指示燈點亮，同時，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備量，能夠在需要時成倍地增長。 平均心率是在一定計數(shù)時間內(nèi)， R波個數(shù)和計數(shù)時間的比值，即 NF= T（ 次 /分 ） （ 42） 式中， T為計數(shù)時間 (分 )， N是 R波個數(shù) [16]。并通過公式計算心率 、脈率 ，從而 準確的判斷心率 和脈率 的變化。在同一個硬件平臺上，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)不同的信號分 析與處理技術(shù)編制的。 35 、報警模塊 虛擬儀器通常由三大部分組成：信號的獲取與采集，信號的分析與處理，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 將為非零錯誤代碼。 狀態(tài) 的值為 TRUE（叉）時表示在 VI 或函數(shù)運行前已發(fā)生錯誤，值為 FALSE（勾）時表示警告或無錯誤。如在 VI或函數(shù)運行前沒有發(fā)生錯誤， VI 或函數(shù)將正常 運行。 信號輸入 是要進行濾波的波形。 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)置濾波器類型、抽頭數(shù)、低頻截止頻率和高頻截止頻率，其中濾波器類型可設(shè)置為“ Lowpass”、“ Highpass”、“ Bandpass”和“ Bandstop”四種。 從 實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或從單位脈沖響應(yīng)分類，數(shù)字濾波器可以分為無限脈沖響應(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和脈搏信號，圖 410則為數(shù)據(jù)采集 VI的程序框圖。 圖 47 用戶登錄系統(tǒng)主程序