【正文】 心功能檢測系統(tǒng)是一個包含多種技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，很多功能都有待進(jìn)一步提高。常用上午心電圖監(jiān)測方法，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，它是一種時頻局部分析法，在信號頻率高的區(qū)域具有“顯微”能力，能相對準(zhǔn)確地確定出心電等微弱生物信號的特征 [ 28–29]。 167。 相應(yīng)的串行通信前面板如圖 4–7所示。 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。 在本系統(tǒng) 的串行通信設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集卡通過 USB 接口將心電信號傳輸?shù)?PC 機(jī)，而 PC 將數(shù)據(jù)采集卡識別為虛擬串行接口，因此，信號采集程序的核心就是接口部分的讀寫通訊操作。 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計 (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，如信號采集、信號處理、信號分析等。接下來關(guān)鍵的一步就是程序測試階段，由于每一個子 VI 都可以單獨(dú)執(zhí)行，所以每完成一個模塊就應(yīng)測試一個，發(fā)現(xiàn)問題及時修改，將使最后的總體程序調(diào)試變得非常方便 [ 24]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計是計算機(jī)軟件處理部分，主要實現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析、自動檢測等功能。 程序框圖：與每一個前面板相對應(yīng)，利用圖形化編程語言 對前面板上的控件對象進(jìn)行控制，將系統(tǒng)所需要的功能模塊進(jìn)行有序的安置，并定義連接各個模塊的輸入輸出端口，以確定框圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動方向。并且測量結(jié)果可以從虛擬儀器面板直接讀出。它是美國 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) 計的開發(fā)軟件 [17]。 踏車控制電路的設(shè)計 傳統(tǒng)的心功能監(jiān)測工具是按鍵式的踏車功量計，用于產(chǎn)生運(yùn)動心電電荷。 總之， 基于 USB 接口的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能。為此 ， 本 設(shè)計可采用 基于 USB接口的心電信號數(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。則單片機(jī)與前面的信號處理電路連接框圖如圖 3–9 所示。 此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩部分電路的設(shè)計，即單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和 基于 USB 接口的 電路設(shè)計分別介紹如下。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)計了圖 3–8 所示的 35 Hz 的無限增益多路反饋型二階 陷波器。 陷波電路設(shè)計 167。 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。 167。 167。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。為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號，需要對直接獲取的心電信號進(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。 167。因此。 167。 QT間期 QT 間期為 QRS 波群起點(diǎn)至終點(diǎn)的時間，代表心室除極、復(fù)極過程中總共所需要的時間，有成為心臟電收縮時間。 總的來說， QRS 綜合波的電壓在三個加壓肢體導(dǎo)聯(lián)或三個肢體導(dǎo)聯(lián)中，每一個導(dǎo)聯(lián) R+S 或 Q+S 電壓之和若都小于 mV，三個加壓肢體導(dǎo)聯(lián) QRS波總電 壓之和 (負(fù)電壓要按絕對值計算 )小于 mV，均為低電壓 [6]。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； 時程： P 波的寬度應(yīng)小于 s； 電壓：即表示 P 波振幅，對肢體導(dǎo)聯(lián)應(yīng)小于 mV，對心前導(dǎo)聯(lián)應(yīng)小于 mV。 圖 2–2 心室肌細(xì)胞動作電位示意圖 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]。 對應(yīng)靜息電位， 心肌細(xì)胞在興奮時所發(fā)生的電位變化稱為動作電位，即心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過程所發(fā)生的電 位變化 。這些細(xì)胞在未受到任何刺激時，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。 2) 擬出課題設(shè)計的原理框圖，明確課題設(shè)計的具體方向。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。在心電信號的計算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)開發(fā)過程中，可利用多種計算機(jī)仿真軟件，來提高心電檢測和監(jiān)護(hù)水平，并使成本最低化、功耗最小化、操作簡便化。近幾年來，美等國家開始利用動態(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)行實時監(jiān)護(hù)，已取得大量經(jīng)驗，其臨床意義得到醫(yī)療專家的高度重視，發(fā)達(dá)國家已普遍采用。 隨著低成本高性能的計算機(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)時間 。本文 首先 是對心電信號的預(yù)處理和分析，采用的心電信號均來自國際上公認(rèn)的 2 MIT–BIH數(shù)據(jù)庫。 目前 ， 虛擬儀器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)、圖像的采集和分析處理、系統(tǒng)仿真、運(yùn)動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、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。 系統(tǒng)信息存儲模塊的設(shè)計 ......................................... 30 167。 USB 接口電路的設(shè)計 ................................................. 22 167。 二階高通有源濾波器的工作原理 ............................ 16 167。 QRS 波群的變化 ......................................................... 10 167。 PR 間期 .......................................................................... 9 167。本課題主要包含了硬件和軟件等功能模塊的設(shè)計，通過軟件開發(fā)平臺 (LabView)，設(shè)計了一種基于虛擬儀器的由計算機(jī)控制的、簡便、開放、靈活、實用的心功能檢測系統(tǒng)。 I 基于虛擬儀器的心臟功能檢測系統(tǒng)的設(shè)計 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)慣使得心血管類疾病的發(fā)生率逐年增高。該系統(tǒng)利用 LabView 圖形化語言編程，將心電電極采集的信號進(jìn)行顯示、分析、存儲、打印，使其能夠 進(jìn)行心電信號的采集、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。 QRS 綜合 波群 ............................................................... 9 167。 Q–T 間期變化 .............................................................. 10 167。 二階有源高通、低通濾波器的參數(shù)設(shè)置 ................ 17 V 167。 踏車控制電路的設(shè)計 ........................................................... 23 第四章 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計 ............................................................. 24 167。 系統(tǒng)信息的分析 ......................................................... 32 總 結(jié) ....................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................. 34 致 謝 .........................................................................錯誤 !未定義書簽?？梢钥闯觯摂M儀器開發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時期。 緒論部分 主要介紹了心 功能檢測系統(tǒng) 的研究意義、 研究現(xiàn)狀及設(shè)計的總體方案。 通過 本次基于 虛擬儀器 的 心 功能 檢測系統(tǒng)這個課題的研究，認(rèn)識到虛擬儀器技術(shù)是開發(fā)自動化，柔性化和網(wǎng)終化測量儀器的有效方法。目前國內(nèi)外逐漸有相關(guān)的心功能檢測產(chǎn)品問世，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，操作十分簡便。考慮到心電圖數(shù)據(jù)的海量性，目前科研人員又結(jié)合計算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)，著手于心電自 動分析系統(tǒng)的研究，以實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的自動分 4 類和智能診斷，并使其具備對心電數(shù)據(jù)、病人信息、醫(yī)生診斷分析等數(shù)據(jù)的管理功能，對心血管疾病的分析和診斷有著十分重要的意義 [8]。但是，目前大多廠家研發(fā)生產(chǎn)的心功能檢測儀與心電監(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)測診斷，醫(yī)生使用起來也較為復(fù)雜、繁瑣，并且還會加大醫(yī)院的設(shè)備 投資和患者的就醫(yī)費(fèi)用。 心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 踏車阻力控制電路 濾 波 處 理 接 口 電 路 前 置 放 大 L A B V I E W 前面板計程序設(shè)計 圖 1–1 總體框圖 3) 介紹課題的硬件電路設(shè)計， 給出心電信號預(yù)處理的幾種常見方法，對比選擇最優(yōu)的心電放大、濾波等處理方法。 圖 2–1 極化狀態(tài)圖 通過實驗，測得極化狀態(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。這時膜內(nèi)外的電位必然改變，使原來的極化狀態(tài)遭到破壞，稱此種現(xiàn)象為 除極 現(xiàn)象。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)生的動作電位綜合而成的，包含 一系列具有相同波群的心電信號，即 P 波、 QRS 波、 T 波及各個間期等。 167。 167。該值隨心率快慢而變異，心率若在 60–90 次 /分鐘時， QT 間期約為 s~ s。 ST 段變化 ST 段水平型或下斜型壓低是診斷冠心病最有價值的指標(biāo)之一。運(yùn)動試驗中 QRS 波的 變化可作為判定冠心病的一項指標(biāo)。 心律失常 在健康 人和冠心病患者，運(yùn)動都可誘發(fā)各種心律失常，但運(yùn)動試驗陽性會伴有嚴(yán)重的心律失常，多提示嚴(yán)重冠狀病變：①在輕微運(yùn)動時或心率不很快時發(fā)生；②年齡較大者；③靜息時有早搏，運(yùn)動時早搏增多；④運(yùn)動中多源、頻發(fā)、成串的早搏 [10–16]。綜合以上各種條件，這里采取以下處 理過程，如圖 3–2 所示。為防止前置放大器工作于飽區(qū) 和或截止區(qū)，其增益不能過大，試驗表明： 10 倍左右效果較好。 濾波電路及二次放大設(shè)計 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)的信號通過，面對此頻率范圍以外的信號抑制或急劇衰減。 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。 二階有源高通、低通濾波器的參數(shù)設(shè)置 由于心電信號 頻帶主要集中在 ~100 Hz 左右，為了保證無心電信號損失，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的低頻成分，其截止頻率設(shè)計為 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)計優(yōu)點(diǎn)是兩個電容和兩個電阻均分別相等，利于集成生產(chǎn)。 50 Hz 陷波電路設(shè)計 工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較