【正文】 的形狀與幅度在不同導(dǎo)聯(lián)變化較 大，可以直立、倒置、雙向或低平，且在 R 波為主的導(dǎo)聯(lián)中 T波不應(yīng)低于 R 波的十分之一。 時(shí)程：正常人為 s~ s，兒童為 s~ s。 P 波 P 波反映左右兩心房的電激動(dòng)過程，也叫心房除極波。復(fù)極結(jié)束后， 整個(gè)心肌細(xì)胞恢復(fù)極化狀態(tài) ，完成一個(gè)心電周期。當(dāng)鉀離子外滲時(shí)，氯離子亦隨之外滲，但因細(xì)胞膜本身帶有負(fù)電荷，氯離子滲出受阻，就使較多的鉀離子滲出到膜外，而未能滲出的游離型陰離子 (主要是蛋白陰離子，其次是氯離子 )留在膜內(nèi)，使 7 膜內(nèi)電位顯著低于膜外。 心電圖的產(chǎn)生及其特點(diǎn) 心電圖是在心臟有規(guī)律地收縮和舒張過程中，各部分心肌細(xì)胞產(chǎn)生的動(dòng)作電位綜合而成的一系列具有相同波群的心電信號(hào)構(gòu)成的波形，可從體表或胸腔測(cè)得，經(jīng)放大后被顯示或描記下來，然后 用于心臟疾病的診斷分析，具有較大的臨床意義 [14]。 5 167。它們嚴(yán)重威脅著人類的健康和生命，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課題 [9]。作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)儀器融合的產(chǎn)物，虛擬儀器以其傳統(tǒng)儀器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，利用 LABVIEW 或 LABVIEW 圖形化語言編程，將心電電極采集的信號(hào)進(jìn)行顯示、分析、存儲(chǔ)、打印等處理，性能可靠、工作穩(wěn)定，大大降低了心電信號(hào)采集系統(tǒng)的成本 [ 7]。 研究背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 德國(guó)的西門子和霍爾斯克公司在心電處理方法上做出了突出的貢獻(xiàn)：他們率先在其制造的儀器上采用了真空管和示波器兩大技術(shù)，這不僅大大提高了儀器的靈敏度，而且導(dǎo)致體積的小型化和信號(hào)記錄的屏幕化。之后是論文的總結(jié)部分，包括本次設(shè)計(jì)中存在的一些問題及其解決方法， 并對(duì)課題的研究做了一些展望。在對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了廣泛的地探討與研究和對(duì)多種測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了以 NI公司 的 軟件開發(fā)平臺(tái) LABVIEW的測(cè)試方案 [4]。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 系統(tǒng)信號(hào)采集模塊的設(shè) 計(jì) ......................................... 27 167。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ........................................................... 20 167。 濾波電路及二次放大設(shè)計(jì) ................................................... 14 167。 心電圖的臨床診斷意義 ....................................................... 10 167。 心電圖的產(chǎn)生及其特點(diǎn) ......................................................... 6 167。 虛擬儀器技術(shù) (LabView)是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，并用數(shù)字化和軟件技術(shù)提高測(cè)試的靈活性和可擴(kuò)充性?，F(xiàn)在較為有效的檢測(cè)方法就是采用記錄 24 小時(shí)以至更長(zhǎng)時(shí)間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。 研究背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................. 3 167。 T 波 ................................................................................. 9 167。 心律失常 .......................................................................11 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ............................................................. 12 167。 陷波電路設(shè)計(jì) ........................................................................ 18 167。 系統(tǒng) 軟件程序結(jié)構(gòu) ............................................................... 24 167。 而 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言 [2]。因此，關(guān)于心電信號(hào)的處理和分析的研究顯得越來越重要了 [ 3]。第三章主要是本系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法及其選取，包括心電放大電路、濾波電路、 USB接口電路等的設(shè)計(jì)。同時(shí)，本心 功能 檢測(cè)系統(tǒng)還具有良好的專用性、相通性和開放性。并且，經(jīng)過廣大科研人員的努力，我國(guó)也已生產(chǎn)出了適合我國(guó)國(guó)情的特別適合廣大 中小醫(yī)院使用的心電儀系列，如深圳邁瑞、上海光電、廣東寶萊特等公司 [ 5]。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，還可與醫(yī)院的醫(yī)院信息系統(tǒng) (HIS)進(jìn)行直接聯(lián)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)有用信息的資源共享和對(duì)比分析等。因而，利用計(jì)算機(jī)分析能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間大、可裝載多種仿真軟件且便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和打印等便捷資源，結(jié)合集成電路技術(shù)、心臟疾病的心電診斷等依據(jù)，可設(shè)計(jì) 出 基于虛擬儀器的由計(jì)算機(jī)控制的、簡(jiǎn)便、開放、靈活、實(shí)用的心功能檢測(cè)系統(tǒng)，這樣既能輔助醫(yī)生更好 地 進(jìn)行診斷，又能提高醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)效益。主要是虛擬儀器 LABVIEW 軟件的功能概述，及本課題欲采用該軟件開發(fā)平臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的有關(guān)心功能檢測(cè)的編程過程和部分程序設(shè)計(jì)。在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度約為細(xì)胞外鉀離子濃度的 30 倍，相反細(xì)胞外鈉離子濃度約為細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度的 15 倍。但 除極 過程是一個(gè)極其短暫的過程， 心肌細(xì)胞經(jīng)過除極后，又逐漸恢復(fù) 為原來的內(nèi) 負(fù) 外正狀態(tài)，即 復(fù)極 過程。以 T 波為例， T 波代表晚期心室復(fù)極時(shí)的電位改變，是 S–T 段后出現(xiàn)的 8 一個(gè)占時(shí)較長(zhǎng)的波，而 T 波低平代表心室激動(dòng)過程顯著異常，或是心肌功能的改變。 167。觀察 ST 段有無變化，要以 J 點(diǎn)后 s 或 s 為準(zhǔn)，其正常電壓值在肢體導(dǎo)聯(lián)上升高小于 mV，右側(cè)胸導(dǎo)聯(lián)升高小于 mV，左側(cè)胸導(dǎo)聯(lián)升高小于 mV，任何導(dǎo)聯(lián)水平降低小于 mV。 U 波 位于 T 波之后的小波，其產(chǎn)生機(jī)制尚不清楚。運(yùn)動(dòng)中 ST 段抬高往往是透壁性心肌缺血，反映嚴(yán)重的冠狀病變。 Q–T 間期變化 心肌缺血主要是心肌復(fù)極異常，往往出現(xiàn) Q–T 間期延長(zhǎng)及 Q–T 間期離散度增加。 硬件電路設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)硬件部分主要完成心電信號(hào)的預(yù)處理，數(shù)據(jù)采集 (包括 USB 接口電路 )系統(tǒng)，以及踏車阻力電路的設(shè)計(jì)，以使其能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理的效果。 心電放大電路設(shè)計(jì) 由于人體心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大 (比心電差值幅度大幾百倍 )，因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能，設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用差分放大電路。 圖 3–3 心電前置放大電路 14 由抗干擾理論與實(shí)踐證明，在傳輸弱信號(hào)的電纜線的屏蔽層加上一定電位時(shí)，將大大減小由屏蔽層與芯線之間分布電容耦合引入的干擾。根據(jù)通過信號(hào)的容許頻率范圍，可分為低通、高通、帶通、帶阻等四種濾波器。 其特點(diǎn)是，輸入阻抗高，輸出阻抗低 ，電路如圖 3–1 所示。 或者選用： fAH?0 (3–9) 0fπ20?? (3–10) C1=C2=C=合適值 (一般選擇 C1=C2=C= μF100f) (3–11) 當(dāng)選擇 fA =1，則 CQR 01 2 1?? CQR 02 2?? (3–12) 167。雖然二階有源帶阻濾波器的頻率特性對(duì)電路元件的參數(shù)比較敏感，甚至?xí)怪y以精確調(diào)試，且電路穩(wěn)定性也較差，但是，這種濾波器需用的元件數(shù)最少，并可得到正相增益，利于電路簡(jiǎn)化，易于生產(chǎn)。 經(jīng)過一系列信號(hào)調(diào)理后，陷波輸出的心電信號(hào)為交變信號(hào)，而本系統(tǒng)中單片機(jī)內(nèi)置 ADC 轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為 0~ V，因此，在送入 ADC 之前還需進(jìn)行電平抬升，在圖 3–8 中，電平抬升部分由 U1, R1, R2, R3 構(gòu)成。由于各路信號(hào)頻率特性相同，僅波形的形狀不同，因此各路信號(hào)可采用相同的信 號(hào)處理電路，即前置放大、濾波、陷波等電路。由于心電信號(hào)的主要頻率范圍為~100 Hz，根據(jù)采樣定理，為了不失真地采集信號(hào)，設(shè)計(jì)時(shí)將采樣頻率定為 200 Hz，即 12 通道的心電數(shù)據(jù)采樣周期為 5 ms。本系統(tǒng)選用 Cypress 半導(dǎo)體公司推出的 EZ–USB FX 全速系列中的 CY7C64613–128NC 芯片。 在進(jìn)行系統(tǒng)硬件信號(hào)仿真時(shí)，本系統(tǒng)中 USB 接口模塊與單片機(jī)連接時(shí)，單片機(jī)的八位端口與 USB模塊的八位總線連接，單片機(jī)的四個(gè) I/O 口與 USB 的 WR, RD, TXE, RXF 引腳連接，進(jìn)而可由單片機(jī)控制。控制信號(hào)由單片機(jī)發(fā)送，選用的芯片是 NTF3055–160,外觀引腳簡(jiǎn)單方便。比如它的靈活性體現(xiàn)在，用戶可以自定義儀器功能，選擇自己喜歡的界面圖標(biāo)符號(hào)，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，一出廠其功能及外觀已經(jīng)固化，用戶只是被動(dòng)操作。并且利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能使制成的心功能檢測(cè)系統(tǒng)各床邊機(jī)互為中央機(jī)，進(jìn)而可與院方的 HIS 系統(tǒng)直接聯(lián)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)資源網(wǎng)絡(luò)化，便于管理 分析，節(jié)約患者就醫(yī)費(fèi)用等 [18–20]。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。然后根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如心功能檢測(cè)系統(tǒng)前面板及總體程序框圖的設(shè)計(jì)， 見圖 4–2。其子 VI 的形式如同兇橫許框圖中的控件圖標(biāo)，可根據(jù)需要自行設(shè)定起圖標(biāo)引腳，非常方便實(shí)用。由于所測(cè)心電等生物信號(hào)具有頻率低、幅值小等特殊性，在數(shù)據(jù)采集的前端還要進(jìn)行心電信號(hào)的拾取、放大、 28 濾波等預(yù)處理，然后通過虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)和 LABVIEW 再進(jìn)行心電信號(hào)的采集、顯示、分析。 (2)將寫入 Write Buffer 的字符轉(zhuǎn)換成傳送的正確形式，它包含起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位和停止位。 Return count包含確切已經(jīng)傳輸過 GPIB的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)， error in和 error out包含錯(cuò)誤信息。 驅(qū)動(dòng)程序的用戶接口 ( M A X ) M e a s u r e m e n t amp。并且所存儲(chǔ)心電等數(shù)據(jù)的格式并非是心電圖等圖表形式，而是以文本文檔 [27]的形式記錄下來。其間包括課題設(shè)計(jì)總體方案的確定、硬件電路設(shè)計(jì)方法的選取與電路調(diào)試，以 及主要功能部分 — 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái) (LABVIEW)各功能模塊的軟件程序設(shè)計(jì)。 3) 通信接口可改為 RS232(即 COM 接口 )和 USB 兩種與計(jì)算機(jī)的通信方。本文正是依據(jù)此類儀器的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)要求，通過自定義心功能檢測(cè)儀器功能，選擇友好的人機(jī)交互界面圖標(biāo)符號(hào)，經(jīng)程序框圖的創(chuàng)建而設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的心功能檢測(cè)系統(tǒng)。 31 圖 4–9 心電信號(hào)的放大濾波前面板 圖 4–10 心電信號(hào)的放大濾波程序框圖 (其中 a 與 b 相連 ) a b 32 圖 4–11 心電信號(hào)的存儲(chǔ)形式 (a,b) 167。 系統(tǒng)信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) 首先需要采集動(dòng)態(tài)心電信號(hào)，進(jìn)而按照硬件電路設(shè)計(jì)中的心電信號(hào)預(yù)處理過程，依次完成信號(hào)的放大、低通濾波、高通濾波及陷波等處理。 即 VISA Configure Serial Port VI將對(duì)由 VISA resource name(VISA資源名稱 )指定的設(shè)備進(jìn) 行設(shè)置， 主要是 初始化制定設(shè)備。 29 (4)關(guān)閉 VISA 傳送機(jī)制。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高或者進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，選擇串行通信。 主要模塊的子程序設(shè)計(jì) 本心電檢測(cè)系統(tǒng)功能由以下幾大模塊來實(shí)現(xiàn)，依次為串口通信模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)分析模塊、信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回放模塊等。以登錄按鈕為例，先運(yùn)行前面板，然后點(diǎn)擊上圖中的“ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ”按鈕，即可進(jìn)入 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 子程序，如下圖 4–3 所示。其中圖標(biāo)是子 VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接端口則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入∕ 輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。 系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu) LABVIEW 應(yīng)用程序稱為 VI(Virtual Instrument)，每個(gè) VI 包括前面板、程序框圖及圖標(biāo) /連接端口三部分。換句話就是，一臺(tái)計(jì)算機(jī)完全可以取代實(shí)驗(yàn)室里的所有儀器以實(shí)現(xiàn)功能，從而節(jié)約大筆資金。 24 第四章 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì) 167。用戶應(yīng)用程序并不直接與硬件打交道，而是使用 Win 32 API 調(diào)用函數(shù)對(duì) Win 32 子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，同時(shí)給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā) I/O 請(qǐng)求包 (IRP)。對(duì)于復(fù)雜與繁瑣的 USB通信，該器件可提供 EZUSB FX 固件函數(shù)庫與固件架構(gòu)，從而可大幅度地降低編寫固件程序代碼的困難程度。 22 選擇合適芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)