【正文】 –10 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)流程圖 167。 圖 3–9 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接框圖 采用此種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還必須進(jìn)行軟件編程，即系統(tǒng)上電后，首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)復(fù)位方式、時(shí)鐘源、電壓基準(zhǔn)、中斷、 UART、SPI、 ADC 的設(shè)置以及用交叉 開(kāi)關(guān)對(duì) I/O 端口進(jìn)行配置，這些設(shè)置可通過(guò)設(shè)置相應(yīng)特殊功能寄存器 (SFR)來(lái)進(jìn)行等。每一個(gè) I/O 引腳均可用軟件配置成模擬輸入端口，其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100 ksps。 167。 20 圖 3–8 35 Hz 陷波及電平抬升電路 綜上所述，由低通與高通組成的心電帶通濾波電路及二次放大電路和陷波電路對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行了再次去噪、排干擾等預(yù)處理，使得對(duì)心電信號(hào)的放大達(dá) 到近 1 000 倍，利于后續(xù)的心電信號(hào)的分析。該二階陷波器由 UA 與 UB 構(gòu)成。 圖 3–6 50 Hz 陷波電路 19 幅頻特性如圖 3–7 所示。 50 Hz 陷波電路設(shè)計(jì) 工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的 50 Hz 工頻干擾，所以必須專門(mén)濾除。而前置放大約 10 倍，因此，還需進(jìn)行放大倍數(shù)約為 100 倍的二次放大，即主放大電路是由 U Rf 和 Rr構(gòu)成的一般正反饋放大電路，電路如圖 3–5 所示。 二階有源高通、低通濾波器的參數(shù)設(shè)置 由于心電信號(hào) 頻帶主要集中在 ~100 Hz 左右，為了保證無(wú)心電信號(hào)損失，則可分別將低通濾波器和高通濾波器的截止頻率設(shè)為 低通濾波器截止頻率： ?f 高通濾波器截止頻率： Hz100H ?f 即為不損失心電信號(hào)的低頻成分，其截止頻率設(shè)計(jì)為 令 R1=R2 C1=C2 傳遞函數(shù) rffi00 1H RRAKVV ????? (3–7) 則 CfCR Lc π2 11 ?? ?， QAf 13?? (3–8) 其中 Q 為品質(zhì)因數(shù)，此種參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)電容和兩個(gè)電阻均分別相等，利于集成生產(chǎn)。 截止頻率為 2121 CCRR1?2c? (3–3) 即 21211π21 CCRRf ? (3–4) 幅頻特性如圖 3–2 所示 fFcKK0 圖 3–2 低通濾波器幅頻特性 16 167。 二階低通有源濾波器的工作原理 電路為典型的單端正反饋型低通有源濾波器。由于心電信號(hào)頻帶主要集中在 ~100 Hz，頻帶較寬，為此，可選用有源低通濾波電路和有源高通濾波電路串聯(lián)后組成的帶同濾波電路對(duì)采集 到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理。 濾波電路及二次放大設(shè)計(jì) 由 RC 元 件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，面對(duì)此頻率范圍以外的信號(hào)抑制或急劇衰減。實(shí)際上，還可在上圖基礎(chǔ)上添加由另一集成運(yùn)放 U，兩個(gè)電阻和一個(gè)電容 構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動(dòng)電路，其主要是針對(duì)心電檢測(cè)系統(tǒng)中待檢測(cè)的對(duì)地浮動(dòng)的差模信號(hào)問(wèn)題 (通常待測(cè)信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)參考地之間存在一些較大數(shù)值的共模信號(hào) )而采用的信號(hào)測(cè)量和處理方法，它可將人體共模信號(hào)倒相放大后用于激勵(lì)人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達(dá)到較強(qiáng)抑制 50 Hz 工頻干擾之目的。為防止前置放大器工作于飽區(qū) 和或截止區(qū)，其增益不能過(guò)大，試驗(yàn)表明： 10 倍左右效果較好。它是單片低功耗、高精度、儀表放大器，有三個(gè)運(yùn)算放大器組成，并在傳統(tǒng)的三運(yùn)放方式的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn) (內(nèi)部電路略 )。綜合以上各種條件，這里采取以下處 理過(guò)程，如圖 3–2 所示。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件。 心律失常 在健康 人和冠心病患者，運(yùn)動(dòng)都可誘發(fā)各種心律失常，但運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)陽(yáng)性會(huì)伴有嚴(yán)重的心律失常，多提示嚴(yán)重冠狀病變：①在輕微運(yùn)動(dòng)時(shí)或心率不很快時(shí)發(fā)生；②年齡較大者；③靜息時(shí)有早搏，運(yùn)動(dòng)時(shí)早搏增多；④運(yùn)動(dòng)中多源、頻發(fā)、成串的早搏 [10–16]。 11 167。運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中 QRS 波的 變化可作為判定冠心病的一項(xiàng)指標(biāo)。2 . QRS 波群的變化 有研究表明運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)同樣引起冠心病患者 QRS 波振幅的變化，使之振幅降低，且欲冠狀病變支數(shù)正相關(guān)。 ST 段變化 ST 段水平型或下斜型壓低是診斷冠心病最有價(jià)值的指標(biāo)之一。 167。該值隨心率快慢而變異，心率若在 60–90 次 /分鐘時(shí)， QT 間期約為 s~ s。 T 波 T 波為心室的復(fù)極波，方向常與 R 波方向一致。 167。第一個(gè)向下的波叫 Q波，第一個(gè)向 上波叫 R 波，在 R 波后出現(xiàn)的倒置波稱為 S 波。 167。 圖 2–4 標(biāo)準(zhǔn) I, II, III 肢體導(dǎo)聯(lián) R: right arm I=EL–ER L: left arm II=EF–ER, F: left foot III=EF–EL 9 167。由于臨床上用于診斷的心電圖形是由各部分心肌細(xì)胞產(chǎn)生的動(dòng)作電位綜合而成的，包含 一系列具有相同波群的心電信號(hào)，即 P 波、 QRS 波、 T 波及各個(gè)間期等。 此時(shí) Na+的內(nèi)流已銳減，細(xì)胞膜對(duì) K+和 Cl–的通透性增大，引起 K+的外流和 Cl–的內(nèi)流，其中 K+外流是主要的，使膜內(nèi)電 位 快速自 +20 mV 下降 。這時(shí)膜內(nèi)外的電位必然改變，使原來(lái)的極化狀態(tài)遭到破壞，稱此種現(xiàn)象為 除極 現(xiàn)象。 由于細(xì)胞膜對(duì)鉀離子的通透性遠(yuǎn)超超過(guò)對(duì)鈉離子 的 通透性，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度又高于細(xì)胞外數(shù)十倍，鉀離子便會(huì)不斷地從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外滲出。 圖 2–1 極化狀態(tài)圖 通過(guò)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。 6 第二章 心電信號(hào)基礎(chǔ)知識(shí) 167。 心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 踏車(chē)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(jiàn)方法，對(duì)比選擇最優(yōu)的心電放大、濾波等處理方法。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(guó)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展 [13]。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(lái)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。 研究目的及意義 近些年來(lái)，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(lèi)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。考慮到心電圖數(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(lèi)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]。 另外，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得國(guó)內(nèi)外心電檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)更有了新的突破。目前國(guó)內(nèi)外逐漸有相關(guān)的心功能檢測(cè)產(chǎn)品問(wèn)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。 3 第一章 緒 論 167。 通過(guò) 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(kāi)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。本部分著重介紹了圖形化編程語(yǔ)言 LABVIEW的特點(diǎn)，及其在本課題設(shè)計(jì)過(guò)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)。 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。 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?？梢钥闯觯摂M儀器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期。 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(kù)函數(shù)。 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(shū)簽。 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計(jì) ..................................................... 27 167。 踏車(chē)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。 35 Hz 陷波電路設(shè)計(jì) ................................................... 19 167。 二階有源高通、低通濾波器的參數(shù)設(shè)置 ................ 17 V 167。 心電放大電路設(shè)計(jì) ............................................................... 13 167。 Q–T 間期變化 .............................................................. 10 167。 U 波 ............................................................................... 10 167。 QRS 綜合 波群 ............................................................... 9 167。 總體方案 .................................................................................. 5 第二章 心電信號(hào)基礎(chǔ)知識(shí) .................................................................... 6 167。該系統(tǒng)利用 LabView 圖形化語(yǔ)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，使其能夠 進(jìn)行心電信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理，可較好地輔助醫(yī)生更好地進(jìn)行診斷。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。 I 基于虛擬儀器的心臟功能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著人們生活節(jié)奏的加快，不合理的飲食和作息習(xí)慣使得心血管類(lèi)疾病的發(fā)生率逐年增高。但是此種監(jiān)測(cè)較為費(fèi)時(shí)費(fèi)錢(qián)，不利于心血管疾病患者的快速檢測(cè)診斷，醫(yī)生使用起來(lái)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。本課題主要包含了硬件和軟件等功能模塊的設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) (LabView)，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的由計(jì)算機(jī)控制的、簡(jiǎn)便、開(kāi)放、靈活、實(shí)用的心功能檢測(cè)系統(tǒng)。 研究目的及意義 ...................................................................... 4 167。 PR 間期 .......................................................................... 9 167。 QT 間期 ............................................