【正文】 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)出類似本課題的簡便、開放、快速、靈活的新功能監(jiān)測系統(tǒng)尤其重要。 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。 (3)讀取傳送的數(shù)據(jù)并解碼，將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 ASCⅡ 碼并在 Read Buffer 中顯示出 來。 167。 圖標(biāo) /連接端口：是子 VI 被其它 VI 調(diào)用的 接口，用于把 LABVIEW 程序定義為一個子程序，從而實現(xiàn) LABVIEW 的模塊化編程。再則，用戶擁有一臺計算機，就可運行不同的應(yīng)用程序以得到相應(yīng)的儀器。 另外， 在 Windows 操作系統(tǒng)中， USB 驅(qū)動程序是基于 Win 32 Driver Model WDM 的，它用階層式驅(qū)動程序模式，每個驅(qū)動程序階層負(fù)責(zé)處理一部分通信工作，設(shè)備驅(qū)動程序 (含群組驅(qū)動程序 )可與系統(tǒng)的總線驅(qū)動程序進行通信，總線驅(qū)動程序用來處理 USB 的硬件。為此設(shè)置 ADC 轉(zhuǎn)換時鐘為系統(tǒng)時鐘的 16 分頻，啟動方式采用定時器 2 溢出和軟件寫 ADBUSY 位啟動相結(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。參數(shù)設(shè)置如圖 3–8 中所示。 二次放大電路設(shè)計 考慮到心電信號幅度約為 0~4 mV，而 A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號要求 1 V 左右，因此，整個信號電路的放大倍數(shù) 需 1 000 倍左右。且因其受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于 1 MHz 以下的低頻范圍。本設(shè)計選用儀用放大器 AD620 作為前置放大器。冠心病患者運動后 Q–T 間期或 Q–T 間期離散度異常是常見的表現(xiàn)，有時是唯一的改變。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。 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。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。 5) 對整體設(shè)計論文進行總結(jié)，并指出設(shè)計中的不足之處和改進方法。 167。在實際工程領(lǐng)域，除應(yīng)用于醫(yī)療檢測外，可廣泛用于信號分析、儀器控制和過程監(jiān)測與控制等領(lǐng)域中的相關(guān) 測試和 相關(guān)濾波等各種信號 的識別與處理。 尤其是計算機技術(shù)的進步，不斷 地 改進 了心電的處理和分析方法，比如 虛擬儀器 軟件開發(fā)平臺 LABVIEW的引入便能大大改進心功能檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計 。 主要模塊的子程序設(shè)計 ........................................................ 27 167。 硬件電路設(shè)計框圖 ............................................................... 12 167。 研究目的及意義 ...................................................................... 4 167。因而，如何及時準(zhǔn)確地輔助醫(yī)生檢測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。 U 波 ............................................................................... 10 167。 35 Hz 陷波電路設(shè)計 ................................................... 19 167。 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)的庫函數(shù)。本部分著重介紹了圖形化編程語言 LABVIEW的特點，及其在本課題設(shè)計過程中的重要應(yīng)用，包括系統(tǒng)設(shè)計主要模塊的前面板和程序流程圖設(shè)計。 另外，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得國內(nèi)外心電檢測系統(tǒng)的研發(fā)更有了新的突破。因而，本設(shè)計從儀器的便捷性、準(zhǔn)確性、智能性和人機交互界面的友好性等方面進行改進設(shè)計，以期能夠提高心功能檢測系統(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)費用，促進我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展 [13]。 由于細(xì)胞膜對鉀離子的通透性遠(yuǎn)超超過對鈉離子 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，鉀離子便會不斷地從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外滲出。 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。 T 波 T 波為心室的復(fù)極波，方向常與 R 波方向一致。2 . QRS 波群的變化 有研究表明運動試驗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)。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件。實際上，還可在上圖基礎(chǔ)上添加由另一集成運放 U，兩個電阻和一個電容 構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動電路，其主要是針對心電檢測系統(tǒng)中待檢測的對地浮動的差模信號問題 (通常待測信號與系統(tǒng)信號參考地之間存在一些較大數(shù)值的共模信號 )而采用的信號測量和處理方法，它可將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達到較強抑制 50 Hz 工頻干擾之目的。 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。 圖 3–6 50 Hz 陷波電路 19 幅頻特性如圖 3–7 所示。每一個 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100 ksps。對于復(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。 24 第四章 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計 167。 系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu) LABVIEW 應(yīng)用程序稱為 VI(Virtual Instrument)，每個 VI 包括前面板、程序框圖及圖標(biāo) /連接端口三部分。以登錄按鈕為例，先運行前面板，然后點擊上圖中的“ 數(shù)據(jù)存儲 ”按鈕，即可進入 數(shù)據(jù)存儲 子程序，如下圖 4–3 所示。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高或者進行遠(yuǎn)距離傳輸時，選擇串行通信。 即 VISA Configure Serial Port VI將對由 VISA resource name(VISA資源名稱 )指定的設(shè)備進 行設(shè)置， 主要是 初始化制定設(shè)備。 31 圖 4–9 心電信號的放大濾波前面板 圖 4–10 心電信號的放大濾波程序框圖 (其中 a 與 b 相連 ) a b 32 圖 4–11 心電信號的存儲形式 (a,b) 167。 3) 通信接口可改為 RS232(即 COM 接口 )和 USB 兩種與計算機的通信方。并且所存儲心電等數(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。 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包含錯誤信息。由于所測心電等生物信號具有頻率低、幅值小等特殊性，在數(shù)據(jù)采集的前端還要進行心電信號的拾取、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 再進行心電信號的采集、顯示、分析。然后根據(jù)設(shè)計任務(wù)，進行系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，如心功能檢測系統(tǒng)前面板及總體程序框圖的設(shè)計， 見圖 4–2。并且利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能使制成的心功能檢測系統(tǒng)各床邊機互為中央機，進而可與院方的 HIS 系統(tǒng)直接聯(lián)機，以實現(xiàn)資源網(wǎng)絡(luò)化，便于管理 分析，節(jié)約患者就醫(yī)費用等 [18–20]?？刂菩盘栍蓡纹瑱C發(fā)送，選用的芯片是 NTF3055–160,外觀引腳簡單方便。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。由于各路信號頻率特性相同，僅波形的形狀不同，因此各路信號可采用相同的信 號處理電路，即前置放大、濾波、陷波等電路。雖然二階有源帶阻濾波器的頻率特性對電路元件的參數(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，利于電路簡化，易于生產(chǎn)。 其特點是，輸入阻抗高，輸出阻抗低 ，電路如圖 3–1 所示。 圖 3–3 心電前置放大電路 14 由抗干擾理論與實踐證明，在傳輸弱信號的電纜線的屏蔽層加上一定電位時，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。 硬件電路設(shè)計框圖 本系統(tǒng)硬件部分主要完成心電信號的預(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，以使其能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上、下位機之間的數(shù)據(jù)通信，從而達到對心電信號進行檢測處理的效果。運動中 ST 段抬高往往是透壁性心肌缺血，反映嚴(yán)重的冠狀病變。觀察 ST 段有無變化，要以 J 點后 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。以 T 波為例， T 波代表晚期心室復(fù)極時的電位改變，是 S–T 段后出現(xiàn)的 8 一個占時較長的波，而 T 波低平代表心室激動過程顯著異常，或是心肌功能的改變。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。因而，利用計算機分析能力強、存儲空間大、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 出 基于虛擬儀器的由計算機控制的、簡便、開放、靈活、實用的心功能檢測系統(tǒng)，這樣既能輔助醫(yī)生更好 地 進行診斷，又能提高醫(yī)院的經(jīng)濟效益。并且，經(jīng)過廣大科研人員的努力，我國也已生產(chǎn)出了適合我國國情的特別適合廣大 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]。第三章主要是本系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，給出了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計方法及其選取，包括心電放大電路、濾波電路、 USB接口電路等的設(shè)計。 而 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺 LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言 [2]。 陷波電路設(shè)計 ........................................................................ 18 167。 T 波 ................................................................................. 9 167。現(xiàn)在較為有效的檢測方法就是采用記錄 24 小時以至更長時間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。 心電圖的產(chǎn)生及其特點 ......................................................... 6 167。 濾波電路及二次放大設(shè)計 ................................................... 14 167。 系統(tǒng)信號采集模塊的設(shè) 計 ......................................... 27 167。在對虛擬儀器技術(shù)進行了廣泛的地探討與研究和對多種測試系統(tǒng)構(gòu)建方案進行分析的基礎(chǔ)上，確定了以 NI公司 的 軟件開發(fā)平臺 LABVIEW的測試方案 [4]。 研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 德國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：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記錄的屏幕化。它們嚴(yán)重威脅著人類的健康和生命，因而，如何及時準(zhǔn)確地輔助醫(yī)生檢測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]。 心電圖的產(chǎn)生及其特點 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)生的動作電位綜合而成的一系列具有相同波群的心電信號構(gòu)成的波形，可從體表或胸腔測得，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]。復(fù)極結(jié)束后， 整個心肌細(xì)胞恢復(fù)極化狀態(tài) ，完成一個心電周期。 時程：正常人為 s~ s，兒童為 s~ s。 心電圖的臨床診斷意義 心電圖反映了心臟在興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的 電位變化，且在每個心動周期內(nèi)，心電由竇房結(jié)細(xì)胞產(chǎn)生興奮，依次傳向心房和心室，包含了大量心電信息，各段心電圖的變化