【正文】 當(dāng)采集的心電信號的心率高于最大值或者低 于 最小值時，啟動報警程序， 并在前面板上指出出現(xiàn)異常的信號類型，點亮指示燈，提示管理人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。瞬時心率是指心電圖兩個相鄰 R波的時間間隔 (R— R間期 )的倒數(shù)，即： 1 6 0F = =TT（ 次 / 秒 ） （ 次 / 分 ） （ 41） 式中， T為 R— R間期 (秒 )。在此硬件平臺基礎(chǔ)上，調(diào)用軟件完成某種功能的任務(wù)，便可構(gòu)成對應(yīng)的虛擬測量儀器。默認(rèn)值為空字符串。 錯誤輸入 和 錯誤輸出 用于檢查錯誤并通過將一個節(jié)點的 錯誤輸出 與另一個節(jié)點的 錯誤輸入 連線指定執(zhí)行順序。 （ 1） 數(shù)字 FIR濾波器： 重置 濾波器 的值為 TRUE 時， 濾波器 系數(shù)將被強制重新設(shè)定，內(nèi)部 濾波器 狀態(tài)將被強制重置為 0。但如果信號和干擾的頻率相重疊，那么經(jīng)典濾波器將無能為力，這時需要采用現(xiàn)代濾波 器，如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等。 圖 45 管理員系統(tǒng)前面板 圖 46 管理員系統(tǒng)程序框圖 30 圖 43和圖 44分別為管理員系統(tǒng)的前面板和程序框圖，用與管理員對用戶數(shù)據(jù)的管理。 (2)完成測試任務(wù)，調(diào)用測試層的各個子Ⅵ，管理測試流程。 在 LabVIEW中，各個 VI內(nèi)部及 VI之問的程序執(zhí)行的流程機(jī)制是數(shù)掘流，即LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程模式，這不同于一些基于文本編程語言的線性結(jié)構(gòu) (如 C語言函數(shù)執(zhí)行順序取決于寫在前后位置 )，程序的執(zhí)行順序決定于節(jié)點在數(shù)據(jù)流中的位置。 LabVIEW的程序由三部分構(gòu)成，即前面板、圖形代碼和程序圖標(biāo)調(diào)用 C、 BASIC語言程序。 23 圖 38 17Hz脈搏 信號仿真結(jié)果 圖 39 50Hz脈搏 信號仿真結(jié)果 心電 信號調(diào)理電路仿真結(jié)果如下所示： 圖 310 為 20Hz 心電信號仿真結(jié)果，從圖中可以看出， 20Hz 模擬信號被很好的放大，放大倍數(shù)為 1000 倍左右，達(dá)到了預(yù)期的效果。故利用該器件可以實現(xiàn)高精度、低功耗的設(shè)計。 這里選取 HK2020B型傳感器，其技術(shù)性能指標(biāo)為：電源電壓 5～ 6VDC、壓力量程 50～ +300mmHg、靈敏度 2020181。 K值過大，又將在 50Hz附近丟失太多的信號，產(chǎn)生波形失真，這對于頻帶包含 50Hz的信號極為不利。雙 T網(wǎng)絡(luò)中，兩支路的 R、 C的對稱程度決定陷波點的衰減能達(dá)到的最低限度。 19 圖 35 后級放大及濾波電路 （ 1） 后級放大電路 后級放大電路由 U1和 R R R10組成，其放大倍數(shù)由 R R10決定，即 G=1+R10／ R9。共模抑制比是衡量心電處理電路對共模干擾抑制能力的一個重要指標(biāo)，也是克服溫度漂移的重要因素。作為生物醫(yī)學(xué)測量的生物電放大器還必須考慮設(shè)計保護(hù)電路，以防止醫(yī)護(hù)人員和病人在使用過程中受到電擊。把左上肢，右上肢和左下肢的三個電位 各通過 5000 歐姆高電阻，用導(dǎo)線連接在一點，其電位在心動周期的每個時刻均為零，把它連接到心電圖機(jī)的負(fù)極，在分別把把左上肢、左下肢、右上肢接到正極，這便形成了加壓肢體導(dǎo)聯(lián)的三種方式。 下面對本系統(tǒng)的心電信號調(diào)理電路做詳細(xì)說明。 本系統(tǒng) 的穩(wěn)壓電路采用集成穩(wěn)壓電路，即三端穩(wěn)壓器，它有三個引 腳，分別為輸入端，輸出端和公共端。這是因為取得的信號往往存在各種干擾，如臨近機(jī)器或部件的振動干擾及電器干擾等，尤其是 50Hz工頻干擾是影響心電信號最大的干擾。 本章詳細(xì)地講述了心電信號 、脈搏信號 的調(diào)理、采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠值脑O(shè)計 ， 并對其中關(guān)鍵器件的選擇作了必要的說明。生物信號的頻率范圍的下限很低，接近 0Hz，但不包括直流信號。V)。我們還希望系統(tǒng)能夠具有自動診斷功能，因此我們對處理后的信號要進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而得到信號的各種特征參數(shù)，通過與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍比較從而得出判斷結(jié)果。其主要優(yōu)越性如下： (1)在此圖形操作環(huán)境下拋棄了繁瑣的傳統(tǒng)菜單，窗口標(biāo)題下不再出現(xiàn)菜單欄，方便用戶使用。 硬件設(shè)計的各個功能模塊，構(gòu)成了整個測量系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。 PCI數(shù)據(jù)采集卡有 100GQ的輸入阻抗，保證干擾電流不會影響流入的信號，從而大大 提高數(shù)據(jù)精確度，這一高阻抗性能還簡化了許多問題，而這些是在設(shè)計外部電路時普遍存在的典型問題。性能測試 (Test Panel)能對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行簡單的測試。我們知道，放大的低噪聲性能主要取決于前置級，正確設(shè)計放大器的增益分配，在前置級的噪聲系數(shù)較小時，可以獲得良好的低噪聲性能。不平衡是絕對的，這種不平衡造成的危害是共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化，從而造成共模干擾輸出。如果放大器輸入阻抗不足夠高 (與源阻抗相比 )，則造成信號的低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生低頻失真。如 圖 22所示。 我們可以從硬件和軟件兩部分構(gòu)成的角度設(shè)計自己的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器 (Transducer)，信號調(diào)理 (Signal Conditioning)，采集硬件 (DAQ Hardware)，接 口 (Interface)，數(shù)據(jù)分析和處理軟件 (Software)等幾大部分組成 。 3．醫(yī)學(xué)因素 首先應(yīng)該考慮儀器與人體之間的作用方式，即從人體生理機(jī)能考慮，要求設(shè)計成有創(chuàng)還是無創(chuàng)。影響儀器設(shè)計的因素有五種，即信號因素，環(huán)境因素，醫(yī)學(xué)因素，經(jīng)濟(jì)因素和時代因素，這些因素都是設(shè)計時應(yīng)考慮的基本原則 。鑒于實際心電監(jiān)護(hù)儀難以普及和虛擬儀器的強大優(yōu)勢， 本文 采用 LabVIEW 的開發(fā)環(huán)境，設(shè)計 雙通道 虛擬心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)，實現(xiàn)對心電信號 、脈搏 信號 進(jìn)行采集 、 讀取、濾波 和 保存 ，自動計算心率并對異常心電給予報警。設(shè)計時，先設(shè)計各種 VI以完成每項子任務(wù)，然后把這些 VI組合起來以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個包括眾多功能子虛擬儀器的集合。它是電子測試與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代越來越復(fù)雜的測試系統(tǒng)。應(yīng)用計算機(jī)分析生物電信號，能有效降低信號處理的復(fù)雜性和困難度。心電信號是毫 伏級的微弱電信號。 隨機(jī)性 人體心電信號是反映人體機(jī)能的信號，它是整個人體系統(tǒng)信息的一部分。 PR間期代表由竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮經(jīng)由心房、房室交界和房室束到達(dá)心室并引起心室開始興奮所需的時間； QT 間期反映心室除極與復(fù)極過程總的時間，也代表心臟的電收縮時間； ST 段代表心室各部分已全部進(jìn)入去極化狀態(tài)，心室各部分之間沒有電位差存在，曲線又恢復(fù)到基線水平 [1]。在正常時，由竇房結(jié)的起 搏 細(xì)胞每分鐘自發(fā)的產(chǎn)生 50～ 100次可傳導(dǎo)的動作電位 。 QRS波群代表左右兩心房去極化過程的電位變化。 2 生物醫(yī)學(xué)信號包括心電信號、呼吸信號、腦電信號、肌電信號、血壓信號、脈搏信號等等，這些信號都具有以下幾個特點： (1)頻率特性絕大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)信號處在低頻段，一般認(rèn)為在 Dc至 10kHz之間。但目前國內(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、價格昂貴、靈活性差、難以滿足特定的需要等不足。 附錄 .......................................... 43 1 第一章 緒論 近些年來，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，每年有近 1200萬人死于心血管疾病，接近世界人口總死亡數(shù)的 1/4，成為人類健康的頭號殺手?；?LabVIEW的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計 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。世界衛(wèi)生組織 (WHO)總干事中島宏博士說：“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，并使千百萬人致殘。這使得整個數(shù)據(jù)采集裝置不容易攜帶，給那些行動有障礙的病人帶來不便，也給醫(yī)護(hù)人員的工作帶來不便 [1]。 (2)幅值特性絕大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)信號幅值非常微弱，隨人的年齡、人體部位的不同或個體差異，幅度變化也較大。典型的 QRS波群，包括三個緊密相連的電位波動，第一個向下的波為 Q波，以后是高而向上的 R波，最后是一個向下的 S波。 這種電興奮以有序方式通過心房內(nèi)的傳導(dǎo)束，首先激活右心房，然后是左心房。當(dāng)心臟因缺血受損或壞死時，心電活動的變化能正確及時地反映在心 電圖上，表現(xiàn)在各個波形的異常變化和進(jìn)行性演變過程，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)。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，從而使心電信號表現(xiàn)出隨機(jī)性。心臟的竇房結(jié)發(fā)出的一次興奮，按一定的途徑和時程，依次傳向心房和心室，引起整個心臟的興奮。特別是應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)分析生物醫(yī)學(xué)信號，將使心臟功能檢查、心電監(jiān)護(hù)等變得靈活，高效。 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)計的圖形化編程軟件。 使用傳統(tǒng)的程序設(shè)計語言開發(fā)儀器系統(tǒng)存在許多困難。此心電監(jiān)護(hù) 系統(tǒng) 可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)保存，而且操作界面簡潔友好，便于掌握。 1．信號因素 在利用 醫(yī)用換能器獲取信號時，或直接引出生物電信號時，信號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。另外，還要考慮換能器對人體組織界面的具體要求，要求所用材料無腐蝕性，無毒。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件中，傳感器用于將測試對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算機(jī)接收； 信號調(diào)理用于對傳感器輸出的模擬信號進(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；數(shù)據(jù)采集板卡對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，然后輸入到計算機(jī)中通過相應(yīng)的 分析軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，波形顯示，數(shù)據(jù)存儲，波形存儲 等功能。 被 測 信號 傳感器 信號調(diào)理 信號采集 計算機(jī) 分析軟件 9 圖 22 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件框圖 （ 1） 前置放大和后級放大：作用是將微弱的心電信號進(jìn)行放大，并將信號調(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。粗略估計，如果設(shè)計的放大器輸入阻抗為 10MΩ ，信號源內(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。對于已經(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濟(jì)于事。前置級的低噪聲設(shè)計，是整個放大器設(shè)計的主要任務(wù)。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)、計數(shù)器輸入輸出 (Counter I/O)和數(shù)字輸入輸出 (Digital I/O)的測試。 PCI6014數(shù)據(jù)采集卡能探測到模擬輸入信號 4V范圍內(nèi)的變化，從而可提高測量的精確度。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)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)并行，即用戶可以在任何時刻設(shè)定參數(shù)，而不干擾數(shù)據(jù)的顯示。為了能將我們從信號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曲線以外還能顯示各個特征參數(shù)的值及自動診斷結(jié)果 。 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。因此，在選用放大器的時 候，必須注意，該放大器能夠響應(yīng)低頻信號。 本心電監(jiān)控系統(tǒng)所測試的心 電信號應(yīng)包含的硬件處理模塊有信號采集、前級放大、后級放大和 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） 前置放大和后級放大： 這是信號調(diào)理最基本的方式，從傳感器輸出的信號非常微弱，為了完成信號預(yù)處理及以后的處理，必須對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大以提高分辨率，減少噪聲。濾波的實質(zhì)是去除或者抑制某些頻率范圍內(nèi)的信號成 心 電級 心電導(dǎo)連 前級放大 后級放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 PC機(jī) 應(yīng)用軟件 15 分。 W7800 系列輸出為正電壓， W7900 系列輸出電壓為負(fù)電壓。 心電極 心電極用于從人體提取心電信號，把非電 量轉(zhuǎn)換為電量。但用這種導(dǎo)聯(lián) 方式測得的心電信號較弱。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，由于 AD620的輸入電壓噪聲低，使它能成為一個很好的前置放大器。為防止心電信號的輸出被淹沒在 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。由于總的放大倍率為 1000倍，前置放大的倍率為 20倍，所以這里后級放大的倍率設(shè)計為 50倍。只有保持 R1 R13和 R12之間以及 C C6和 C5之間的嚴(yán)格對稱關(guān)系，才能使對應(yīng)于 f0的頻率的信號互相抵消，衰減到零。本系統(tǒng)中取 Q為 ，則 k=. 脈搏信號調(diào)理 本系統(tǒng) 脈搏信號調(diào)理電路 的設(shè)計主要完成人體脈搏信號的獲取、放大