【正文】 ............................ 10 167。 QRS 波群的變化 ......................................................... 10 167。 硬件電路設(shè)計(jì)框圖 ............................................................... 12 167。 二階高通有源濾波器的工作原理 ............................ 16 167。 50 Hz 陷波電路設(shè)計(jì) ................................................... 18 167。 USB 接口電路的設(shè)計(jì) ................................................. 22 167。 主要模塊的子程序設(shè)計(jì) ........................................................ 27 167。 系統(tǒng)信息存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì) ......................................... 30 167。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。 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。 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(guó)際上公認(rèn)的 2 MIT–BIH數(shù)據(jù)庫。第四章則是本文的重點(diǎn)，即軟件部分的設(shè)計(jì)。 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 。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。近幾年來，美等國(guó)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(guó)家已普遍采用。尤其是心電方面的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，已使用了國(guó)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]。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。 167。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。 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。 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。 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。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。至于陰離子，細(xì)胞內(nèi)液以蛋白陰離子的濃度為高，而在細(xì)胞外液 則以氯離子濃度為高 。 對(duì)應(yīng)靜息電位， 心肌細(xì)胞在興奮時(shí)所發(fā)生的電位變化稱為動(dòng)作電位，即心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過程所發(fā)生的電 位變化 。復(fù)極的順序與除極相反是從心尖向心室基底部蔓延，從心外膜向心內(nèi)膜復(fù)極。 圖 2–2 心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位示意圖 綜上所述，在心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過程中，將形成一個(gè)變化的電矩，因而在其周圍空間將引起電位的變化，進(jìn)而形成各種各樣的心電圖 [15]。 圖 2–3 正常心電圖 從體表獲取心電信號(hào)時(shí)，通常有 12 種標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，即標(biāo)準(zhǔn) I, II, III 肢體導(dǎo)聯(lián) (bipolar limb leads), 加壓肢體導(dǎo)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn) aVR, aVL, aVF 及單極胸導(dǎo)聯(lián)V1–V6，其中標(biāo)準(zhǔn) I, II, III 肢體導(dǎo)聯(lián)如圖 2–4 所示。正常 P 波具有以下特點(diǎn)： 方 向： I, II, aVF, V4–V6 各導(dǎo)聯(lián)應(yīng)直立向上， aVF 導(dǎo)聯(lián)波形則應(yīng)倒置； 時(shí)程： P 波的寬度應(yīng)小于 s； 電壓：即表示 P 波振幅，對(duì)肢體導(dǎo)聯(lián)應(yīng)小于 mV，對(duì)心前導(dǎo)聯(lián)應(yīng)小于 mV。 QRS 綜合波群 該波群是心室的除極波，代表全部心室纖維興奮。 總的來說， QRS 綜合波的電壓在三個(gè)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)或三個(gè)肢體導(dǎo)聯(lián)中，每一個(gè)導(dǎo)聯(lián) R+S 或 Q+S 電壓之和若都小于 mV，三個(gè)加壓肢體導(dǎo)聯(lián) QRS波總電 壓之和 (負(fù)電壓要按絕對(duì)值計(jì)算 )小于 mV，均為低電壓 [6]。 167。 QT間期 QT 間期為 QRS 波群起點(diǎn)至終點(diǎn)的時(shí)間，代表心室除極、復(fù)極過程中總共所需要的時(shí)間，有成為心臟電收縮時(shí)間。正常 U 波極性常與 T 波相同，以 V2, V3, V4 導(dǎo)聯(lián)的 U 波較顯著。 167。 167。因此。冠心病患者運(yùn)動(dòng)后 Q–T 間期或 Q–T 間期離散度異常是常見的表現(xiàn)，有時(shí)是唯一的改變。 167。 心電信號(hào)預(yù)處理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 踏車阻力電路 圖 3–1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖 心電 圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。為了不失真地檢出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào)，需要對(duì)直接獲取的心電信號(hào)進(jìn)行一系列地預(yù)處理，且往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能。本設(shè)計(jì)選用儀用放大器 AD620 作為前置放大器。其增益可調(diào) (范圍約 1~1 000 倍 )，并可由公式 gG R ??? (3–1) 來確定。 該電路中U3 便是基于這種考慮，通過 U3 可將 R1, R2 上的人體共模信號(hào)檢測(cè)出來用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比 (存在共模電壓時(shí)屏蔽線被驅(qū)動(dòng)，共模電阻對(duì)增益的影響約為 %)。 167。且因其受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于 1 MHz 以下的低頻范圍。 167。 15 圖 3–1 低通濾波 電路 濾波器 的 增益為 rfRRK ??1 (3–2) 它為濾波器提供了增益。 圖 3–3 高通濾波電路 濾波器 的 增益為 rf1 RRK ?? (3–5) 截止頻率為 21212c CCRR 1?? (3–6) 幅頻特性如圖 3–4 所示 fFcKK0 圖 3–4 高通濾波器幅頻特性 17 167。 二次放大電路設(shè)計(jì) 考慮到心電信號(hào)幅度約為 0~4 mV，而 A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)要求 1 V 左右，因此，整個(gè)信號(hào)電路的放大倍數(shù) 需 1 000 倍左右。 陷波電路設(shè)計(jì) 167。另外，其品種因數(shù) Q 通常限制在 10 以下，增益 K 則限定為 1，電路圖如 3–6 所示。研究表明，肌電干擾主要集中在 35 Hz 左右，為此，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了圖 3–8 所示的 35 Hz 的無限增益多路反饋型二階 陷波器。參數(shù)設(shè)置如圖 3–8 中所示。 此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩部分電路的設(shè)計(jì)，即單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和 基于 USB 接口的 電路設(shè)計(jì)分別介紹如下。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用了有 C8051F206 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中 C8051F206 是 Cygnal公司出品的一種混合信號(hào) ISP FLASH 微控制器 (在片 ISP FLASH 上 允許程序存儲(chǔ)器通過一個(gè)常規(guī)的非易失存儲(chǔ)器編程器經(jīng)一個(gè) SPI 串口在系統(tǒng)重新編程 ，且 引導(dǎo)程序能夠采用任何接口將應(yīng)用程序下載到 Flash 存儲(chǔ)器中 )，該芯片內(nèi)含與 8051 完全兼容的高速微控制器內(nèi)核、 FLASH、 4 字節(jié)寬的 I/O 端口、硬件 UART 和 SPI 總線、 12 位高精度 ADC 多達(dá) 32 通道的模擬輸入 多路選擇 21 器。則單片機(jī)與前面的信號(hào)處理電路連接框圖如圖 3–9 所示。為此設(shè)置 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘的 16 分頻，啟動(dòng)方式采用定時(shí)器 2 溢出和軟件寫 ADBUSY 位啟動(dòng)相結(jié)合的方式；轉(zhuǎn)換采用查詢方式，并通過讀控制寄存器 ADC0CON 的ADBUSY 位來判斷一次 A/D 轉(zhuǎn)換的完成 與否；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果采用右對(duì)齊， 12位數(shù)據(jù)結(jié)果字由數(shù)據(jù)字寄存器讀入 Flash，數(shù)據(jù)采集程序流程如圖 3–10 所示。為此 ， 本 設(shè)計(jì)可采用 基于 USB接口的心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了目前最為先進(jìn)的 USB 接口技術(shù)，能夠支持即插即用和熱插拔功能。 EZ–USB FX 系列芯片是帶智能 USB 接口的單片機(jī)，它以 8051 為核心。 總之， 基于 USB 接口的心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能。 另外， 在 Windows 操作系統(tǒng)中， USB 驅(qū)動(dòng)程序是基于 Win 32 Driver Model WDM 的，它用階層式驅(qū)動(dòng)程序模式，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序階層負(fù)責(zé)處理一部分通信工作，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (含群組驅(qū)動(dòng)程序 )可與系統(tǒng)的總線驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，總線驅(qū)動(dòng)程序用來處理 USB 的硬件。 踏車控制電路的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的心功能監(jiān)測(cè)工具是按鍵式的踏車功量計(jì)，用于產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)心電電荷。由于該本部分非本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容，不再詳述。它是美國(guó) NI 公司開發(fā)的一套基于 G 語言 (Graphics Language，圖形化編程語言 )，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)的開發(fā)軟件 [17]。再則，用戶擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可運(yùn)行不同的應(yīng)用程序以得到相應(yīng)的儀器。并且測(cè)量結(jié)果可以從虛擬儀器面板直接讀出。 167。 程序框圖：與每一個(gè)前面板相對(duì)應(yīng)，利用圖形化編程語言 對(duì)前面板上的控件對(duì)象進(jìn)行控制，將系統(tǒng)所需要的功能模塊進(jìn)行有序的安置，并定義連接各個(gè)模塊的輸入輸出端口，以確定框圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 圖標(biāo) /連接端口：是子 VI 被其它 VI 調(diào)用的 接口，用于把 LABVIEW 程序定義為一個(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn) LABVIEW 的模塊化編程。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)軟件處理部分，主要實(shí)現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、分析、自動(dòng)檢測(cè)等功能。 圖 4–2 總體前面板 通過點(diǎn)擊該面板上的各功能模塊按鈕，可進(jìn)入相應(yīng)的下級(jí)功能模塊操作。接下來關(guān)鍵的一步就是程序測(cè)試階段，由于每一個(gè)子 VI 都可以單獨(dú)執(zhí)行，所以每完成一個(gè)模塊就應(yīng)測(cè)試一個(gè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改，將使最后的總體程序調(diào)試變得非常方便 [ 24]。 167。 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計(jì) (a) (b) 圖 4–4 (a) 登錄前面板 (b) 登錄程序框圖 通過運(yùn)行此登錄界面，即可進(jìn)入主程序前面板進(jìn)行虛擬儀器的一系列操作，如信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)分析等。由于本模 塊是心電檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分研究的主要模塊，故心電信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)作為一個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)來設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)此模塊的上位機(jī)，下位機(jī)之間的通信。 在本系統(tǒng) 的串行通信設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集卡通過 USB 接口將心電信號(hào)傳輸?shù)?PC 機(jī)，而 PC 將數(shù)據(jù)采集卡識(shí)別為虛擬串行接口，因此，信號(hào)采集程序的核心就是接口部分的讀寫通訊操作。 (3)讀取傳送的數(shù)據(jù)并解碼，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 ASCⅡ 碼并在 Read Buffer 中顯示出 來。 以 VISA Write模塊 為例，介紹VISA的功能如下： 圖 4–6 VISA Write 控件 該模塊將數(shù)據(jù)寫入 VISA resource name指定的設(shè)備的緩沖區(qū)內(nèi)， dup VISA resource name返回同樣的設(shè)備句柄。但是由于串行通信需要進(jìn)行額外的參數(shù)配置，因此在進(jìn)行串行通信之前，用戶必須通過 VISA Configure Serial Port VI對(duì)串行端口進(jìn)行配置。 相應(yīng)的串行通信前面板如圖 4–7所示。 Au t o m a t io n E x p l o r e r 數(shù)據(jù)采 集 硬件 NI – DAQ L A B VI E W 數(shù)據(jù)采集 函數(shù) 數(shù)據(jù)采集程序 圖 4–8 基于 NI–DAQ 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 167。 167。 本系統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖如 圖 4–11 所示。常用上午心電圖監(jiān)測(cè)方法，以 QRS波為例，有差分閾值法、模板匹配法、小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化等，其中小波分析法最為常用，它是一種時(shí)頻局部分析法，在信號(hào)頻率高的區(qū)域具有“顯微”能力，能相對(duì)準(zhǔn)確地確定出心電等微弱生物信號(hào)的特征 [ 28–29]。 目前，由于冠心病等心血管疾病已嚴(yán)重威脅到人類生命，對(duì)心臟病的診斷、治療一直被醫(yī)學(xué)界所重視，因而開發(fā)出類似本課題的簡(jiǎn)便、開放、快速、靈活的新功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤其重要。心功能檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)包含多種技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，很多功能都有待進(jìn)一步提高