【正文】 框圖 圖 47為用戶登錄系統(tǒng)的主程序框圖，用于用 戶的登錄和管理。 系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 43所示。 (3)解決程序所出現(xiàn)的錯(cuò)誤。 主程序?qū)优c用戶需求緊密相關(guān)，是程序之間交互和控制的有效手段。節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、連線構(gòu)成不同的數(shù)據(jù)流域，數(shù)據(jù)由起點(diǎn)向終點(diǎn)方向流動(dòng)。每個(gè) VI既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可被其他 VI當(dāng)成子 VI調(diào)用。支持 ActiveX技術(shù)，可以直接使用 VB、 VC生成的控件，可以在控件和程序之問(wèn)交換數(shù)據(jù)。因此，要開(kāi)發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前，虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具有如下兩種。 圖 311 為 50Hz 心電 信號(hào)仿真結(jié)果，從圖中可以看出， 50Hz 模擬信號(hào)因?yàn)? 24 有濾波電路的存在，被很好的抑制了，達(dá)到了預(yù)期的效果。為了使過(guò)渡帶較為陡峭，并且考慮到人體脈搏信號(hào)能量主要集中在 17Hz左右，通帶內(nèi)起伏對(duì)信號(hào)影響不大，可以選擇切比雪夫型低通濾波器，通帶為 40Hz，階數(shù)確定為 2階。使用TLV2262 設(shè)計(jì)的放大器和濾波器電路圖 如 圖 37所示 。該運(yùn)放具有極低的噪聲 (1kHz 時(shí)為 12 nV／ Hz )和極低的輸 22 入失調(diào)電流 (1pA)，可單電源工作，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)。V／ mmHg、精度 ％ 、遲滯 ％、過(guò)載 100倍。該傳感器靈敏度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。本系統(tǒng)中取 Q為 ，則 k=. 脈搏信號(hào)調(diào)理 本系統(tǒng) 脈搏信號(hào)調(diào)理電路 的設(shè)計(jì)主要完成人體脈搏信號(hào)的獲取、放大、濾波等調(diào)理工作， 本 設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)靈活地選擇 了 器件與設(shè)計(jì)電路。陷波器的特性參數(shù)為 0114 (1 )w RCQ K?? ?????? （ 37） k值越大， Q越高，頻率選擇性越好。只有保持 R1 R13和 R12之間以及 C C6和 C5之間的嚴(yán)格對(duì)稱關(guān)系，才能使對(duì)應(yīng)于 f0的頻率的信號(hào)互相抵消，衰減到零。因此現(xiàn)代精密生物信號(hào)放大裝置中采用嵌入陷波器的方法。由于總的放大倍率為 1000倍，前置放大的倍率為 20倍，所以這里后級(jí)放大的倍率設(shè)計(jì)為 50倍。人體的共模電壓被兩個(gè)阻值相等的電阻 R R3檢出，經(jīng)輔助的反相放大器 LF356放大后， 反饋到右腿。為防止心電信號(hào)的輸出被淹沒(méi)在 50Hz及其他共模干擾電壓之下，一般要求 CMRR應(yīng)達(dá)到 80dB以上。AD620的兩個(gè)內(nèi)部增益電阻為 ，因而增益方程式為 ： = 1GKR ? ? （ 31） 對(duì)于所需的增益，則外部控制電阻值為： ??? （ 32） 圖 33 AD620管腳圖 一般來(lái)說(shuō)放大電路的噪聲性能隨前置級(jí)增益的提高而明顯變差，所以前置放大器的增益不能過(guò) 大， 設(shè)計(jì)中 選取第一級(jí)的放大倍數(shù)為 20倍 左右。為了滿足這些要求，本 文 中選擇 ADI公司生產(chǎn)的儀用放大器 AD620用作前級(jí)放大芯片， AD620具有高精度、高輸入電阻、低輸入偏置電流、 17 低輸 入失調(diào)電流、低噪聲、低功耗、小體積等特點(diǎn)，由于 AD620的輸入電壓噪聲低，使它能成為一個(gè)很好的前置放大器。 本文采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)二，因?yàn)閷?dǎo)聯(lián)二更易被患 者接受，且測(cè)得的波形振幅也較大。但用這種導(dǎo)聯(lián) 方式測(cè)得的心電信號(hào)較弱。這樣便形成了導(dǎo)聯(lián)一、 導(dǎo)聯(lián)二 、 導(dǎo)聯(lián)三。 心電極 心電極用于從人體提取心電信號(hào)，把非電 量轉(zhuǎn)換為電量。通頻帶內(nèi)覆蓋心電信號(hào)的一切頻率，通頻帶的上下范圍以177。 W7800 系列輸出為正電壓， W7900 系列輸出電壓為負(fù)電壓。 （ 2）降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大 。濾波的實(shí)質(zhì)是去除或者抑制某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成 心 電級(jí) 心電導(dǎo)連 前級(jí)放大 后級(jí)放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 PC機(jī) 應(yīng)用軟件 15 分。當(dāng)被放大后的信號(hào)的最大動(dòng)態(tài)電壓范圍正好等于 ADC的動(dòng)態(tài)電壓范圍時(shí)，才可達(dá)到最優(yōu)的測(cè)量精度。 本心電監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)試的心 電信號(hào)應(yīng)包含的硬件處理模塊有信號(hào)采集、前級(jí)放大、后級(jí)放大和 濾波，在由數(shù)據(jù)采集采集卡傳遞的 PC機(jī)，如圖 31： 圖 31 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖 圖中各部分的作用如下： （ 1） 前置放大和后級(jí)放大： 這是信號(hào)調(diào)理最基本的方式，從傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，為了完成信號(hào)預(yù)處理及以后的處理，必須對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大以提高分辨率，減少噪聲。本系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 心電信號(hào)的總增益均為 1000倍。因此，在選用放大器的時(shí) 候，必須注意，該放大器能夠響應(yīng)低頻信號(hào)。另一個(gè)制約采樣頻率的因素是奈奎斯特采樣定理即要求 fs≥ 2f．目前臨床推薦心電圖采樣率不低于 250Hz。 CSE(歐共體心電圖通用標(biāo)準(zhǔn) )推薦轉(zhuǎn)換器分辨 率至少到達(dá) 5181。 幅度分辨率 系統(tǒng)的幅度分辨率與 AD轉(zhuǎn)換器的輸入量程與轉(zhuǎn)換精度有關(guān)，指的是系統(tǒng)可以分辨的最小電壓值。為了能將我們從信號(hào)中提取的一些信息直觀的反饋給用戶，系統(tǒng)除了能夠顯示出信號(hào)曲線以外還能顯示各個(gè)特征參數(shù)的值及自動(dòng)診斷結(jié)果 。 圖 23 系統(tǒng)軟件組成框圖 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)、波形回放、監(jiān)控診斷和數(shù)據(jù)回放等工作。 (2)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)并行，即用戶可以在任何時(shí)刻設(shè)定參數(shù)，而不干擾數(shù)據(jù)的顯示。利用 LabVIEW可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上形象地模擬儀器的面板 (如顯示器、開(kāi)關(guān)、按鍵、旋鈕等 )以及相應(yīng)功能。硬件功能模塊中有模擬模塊、數(shù)字模塊、模數(shù)混合模塊。 (2)功能性強(qiáng)：各模塊能提供最常用的功能，以減輕程序的重復(fù)性開(kāi)發(fā)。 PCI6014數(shù)據(jù)采集卡能探測(cè)到模擬輸入信號(hào) 4V范圍內(nèi)的變化，從而可提高測(cè)量的精確度。 LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集實(shí)際上包含了模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入／輸出和計(jì)數(shù)器四種信號(hào)的輸入輸出方式。根據(jù)不同的采集卡，Test Panel可以提供模擬輸入 (AI)、模擬輸出 (AO)、計(jì)數(shù)器輸入輸出 (Counter I/O)和數(shù)字輸入輸出 (Digital I/O)的測(cè)試。所不同的是 NI公司提供了一個(gè)專門(mén)的管理軟件 Measurement amp。前置級(jí)的低噪聲設(shè)計(jì)，是整個(gè)放大器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。所以，為了獲得一定信噪比的輸出 信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格的要求。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的這種轉(zhuǎn)化，放大器本身的共模抑制能力再高也將無(wú)濟(jì)于事。值得注意的是放大器的實(shí)際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響。粗略估計(jì)，如果設(shè)計(jì)的放大器輸入阻抗為 10MΩ ，信號(hào)源內(nèi)阻與放大器輸入阻抗相比為 1/100，上述各種因素造成的失真和誤差可忽略記。根據(jù)生物信號(hào)的 特點(diǎn)，在選擇設(shè)計(jì)生物信號(hào)放大器時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)參數(shù) [4]： 1．高輸入阻抗 生物信號(hào)源本身是高內(nèi)阻的微弱信號(hào)源，通過(guò)電極提取又呈現(xiàn)不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì)。 被 測(cè) 信號(hào) 傳感器 信號(hào)調(diào)理 信號(hào)采集 計(jì)算機(jī) 分析軟件 9 圖 22 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件框圖 （ 1） 前置放大和后級(jí)放大：作用是將微弱的心電信號(hào)進(jìn)行放大，并將信號(hào)調(diào)整到 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，以便充分利用轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率。處理過(guò)的信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換，最后將信號(hào)送入 PC機(jī)，在 PC機(jī)上通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件中，傳感器用于將測(cè)試對(duì)象的非電量原始信息轉(zhuǎn)變成電壓、電流或者頻率電量并為后面的電路及計(jì)算機(jī)接收； 信號(hào)調(diào)理用于對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、整形、濾波等電路調(diào)整，使之成為規(guī)定范圍的電壓信號(hào)；數(shù)據(jù)采集板卡對(duì)采樣保持電路輸出的穩(wěn)定模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后輸入到計(jì)算機(jī)中通過(guò)相應(yīng)的 分析軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，波形顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，波形存儲(chǔ) 等功能。 由于虛擬儀器的模塊化、開(kāi)放性和靈活性是其體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特點(diǎn)，當(dāng)我們的測(cè)試要求變化時(shí)，可以方便地由自己來(lái)增加硬件模塊或重新配置現(xiàn)有的系統(tǒng)，以滿足新的測(cè)試要求。另外，還要考慮換能器對(duì)人體組織界面的具體要求，要求所用材料無(wú)腐蝕性，無(wú)毒。例如，一個(gè)埋藏式起博器，就要考慮它的特定的體內(nèi)環(huán)境的要求，決定它 的安裝尺度和形狀，決定儀器的信噪比。 1．信號(hào)因素 在利用 醫(yī)用換能器獲取信號(hào)時(shí)，或直接引出生物電信號(hào)時(shí)，信號(hào)的大小和相位將直接影響儀器的靈敏度，量程，輸入方式 (差動(dòng)或直接輸 入 )儀器的瞬態(tài)特性和頻率響應(yīng)，儀器的精確度和線性度，儀器的可靠性。主要介紹了硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，給出了生理信號(hào)硬件采集電路 具體設(shè)計(jì)方法與部分實(shí)現(xiàn)電路。此心電監(jiān)護(hù) 系統(tǒng) 可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)保存，而且操作界面簡(jiǎn)潔友好，便于掌握。 LabVIEW還擁有功能超強(qiáng)且龐大的分析函數(shù)庫(kù)，其涵蓋了統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成、時(shí)域頻域分析及數(shù)字濾波等眾多科學(xué)領(lǐng)域。 使用傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)儀器系統(tǒng)存在許多困難。它的基本程序單位是 VI。 NI公司的 LabVIEW是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件。 電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)更深層次的結(jié)合產(chǎn)生了一種新的儀器模式：虛擬儀器(Virtual Instrument)。特別是應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)分析生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，將使心臟功能檢查、心電監(jiān)護(hù)等變得靈活，高效。用記錄下來(lái)的這些圖形，就可以診斷出心臟各部位的生理及病理的情況。心臟的竇房結(jié)發(fā)出的一次興奮，按一定的途徑和時(shí)程，依次傳向心房和心室，引起整個(gè)心臟的興奮。 心臟是人體血液循環(huán)的動(dòng)力器官。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信息易隨外界干擾而變化，從而使心電信號(hào)表現(xiàn)出隨機(jī)性。由于人體是一個(gè)與外界有密切關(guān)系的開(kāi)放系統(tǒng)，加之內(nèi)部存在著器官問(wèn)的相互影響，所以，無(wú)論來(lái)自外部或內(nèi)部的刺激， 4 都會(huì)使人體因適應(yīng)這一變化，而從一種狀態(tài)變 化到另一種狀態(tài)，從而使人體信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)心臟因缺血受損或壞死時(shí)，心電活動(dòng)的變化能正確及時(shí)地反映在心 電圖上，表現(xiàn)在各個(gè)波形的異常變化和進(jìn)行性演變過(guò)程，為醫(yī)生診斷心律失常、心室肥厚、急性缺血、心肌梗塞等心臟疾病提供可靠的臨床依據(jù)。當(dāng)它作用于人體的容積導(dǎo)體時(shí)，在體表不同部位則形成電位差，通常從體表檢測(cè)到的心電信號(hào)就是這種電位差信號(hào)。 這種電興奮以有序方式通過(guò)心房?jī)?nèi)的傳導(dǎo)束，首先激活右心房，然后是左心房。 T波的方向與 QRS波群的主波方向相同。典型的 QRS波群，包括三個(gè)緊密相連的電位波動(dòng)，第一個(gè)向下的波為 Q波，以后是高而向上的 R波，最后是一個(gè)向下的 S波。心電信號(hào)則是從宏觀上記錄心臟細(xì)胞的除極和復(fù)極過(guò)程，從一定程度上客觀反映了心臟各部位的生理狀況，因而在臨床醫(yī)學(xué)中有重要意義。 (2)幅值特性絕大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)幅值非常微弱，隨人的年齡、人體部位的不同或個(gè)體差異，幅度變化也較大。 根據(jù)以上論述以及調(diào)查表明，心血管疾病患者迫切的需要 一 種功能強(qiáng)大、價(jià)格適宜、使用方便 的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的出現(xiàn) 。這使得整個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置不容易攜帶，給那些行動(dòng)有障礙的病人帶來(lái)不便，也給醫(yī)護(hù)人員的工作帶來(lái)不便 [1]。 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以及時(shí)獲取患者的心電信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取相應(yīng)的處理措施，是降低心臟病死亡率的有效手段之一。世界衛(wèi)生組織 (WHO)總干事中島宏博士說(shuō)：“在今天的世界上，心血管疾病比其他任何疾病殺死更多的人，并使千百萬(wàn)人致殘。 首先，根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)心電采集模塊，包括心電前置放大器，右腿驅(qū)動(dòng)電路，高通濾波器，低通濾波器，可變 Q值 50Hz雙 T陷波電路和增益可調(diào)電路。基于 LabVIEW的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 心臟病是嚴(yán)重威脅人類健康和生命的主要疾病之一。 本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外醫(yī)療系統(tǒng)發(fā)展的分析，針對(duì)現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的要求，利用 LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 附錄 .......................................... 43 1 第一章 緒論 近些年來(lái)，隨著人們生活節(jié)奏的加快，患心血管疾病的人數(shù)逐年遞增，據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，每年有近 1200萬(wàn)人死于心血管疾病，接近世界人口總死亡數(shù)的 1/4，成為人類健康的頭號(hào)殺手。所以，完成對(duì)脈搏波信號(hào)的采樣、分析以及準(zhǔn)確、直觀的波形顯示是一項(xiàng)有實(shí)際意義的工作，并且一直是醫(yī)療電子領(lǐng)域的研究熱 點(diǎn)。但目前國(guó)內(nèi)外已有的此類產(chǎn)品存在通訊距離短、監(jiān)護(hù)路數(shù)有限、系統(tǒng)功能單一、體積較大、價(jià)格昂貴、靈活性差、難以滿足特定的需要等不足。所以，完成對(duì)脈搏波信號(hào)的采樣、分析以及準(zhǔn)確、直觀的波形顯示是一項(xiàng)有實(shí)際意義的工作，并且一直是醫(yī)療電子領(lǐng)域的研究熱 點(diǎn)。 2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)包括心電信號(hào)、呼吸信號(hào)、腦電信號(hào)、肌電信號(hào)、血壓信號(hào)、脈搏信號(hào)等等，這些信號(hào)都具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： (