【文章內(nèi)容簡介】 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。 （ 2） 濾波器：由于心電信號是強噪聲背景下的低頻微弱信號，容易受到外界干擾，所以必須使用濾波器將信號頻帶外的干擾去除。 各種生物信號都屬于低頻的微弱自然信號。為了對生物信號進行各種處理、記錄、顯示，必須首先把信號放大到所要求的強度。根據(jù)生物信號的 特點，在選擇設(shè)計生物信號放大器時，必須考慮以下幾個參數(shù) [4]： 1．高輸入阻抗 生物信號源本身是高內(nèi)阻的微弱信號源，通過電極提取又呈現(xiàn)不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì)。源阻抗的不穩(wěn)定性將使放大器電壓增益不穩(wěn)定。再者，理論上源阻抗是信號頻率的函數(shù)，電極阻抗也是頻率的函數(shù)，變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降。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。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。 2．高共模抑制比 為了抑制人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)外的其它生理作用的干擾，須選用差動放大形式，因此 CMRR值是放大器的主要指標。生物電放大器的 CMRR值一般要求 60dB～ 80dB，高性能放大器的 CMRR達 100dB，這說明對于 100mv的共模干擾和 181。v的差模信號具有相同的輸出。值得注意的是放大器的實際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響。通過兩個電極提取生物電位時，等效源阻抗 Zs1和 Zs2一般不完全相等，其數(shù)值大小與人體汗腺分泌情況、皮膚清潔程度有關(guān)。各個電極處的皮膚接觸電阻是不平衡的 ，而且因人而異，加之兩個電極本身的物理狀態(tài)不可能完全對稱，這樣使得與差動放大器兩個輸入端相連的源阻抗實 前級放大 后級放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 心電信號、 脈搏信號 10 際變得十分復(fù)雜。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。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于事。但是，提高放大器的輸入阻抗，則會減小這一轉(zhuǎn)化。 3．低噪聲、低漂移 相對于幅度僅在微伏、毫伏數(shù)量級的低頻生物電信號而言，放大器前置級的這一項要求是重要的。高阻抗源本身就帶來相當(dāng)可觀的熱噪聲，使輸入信號的質(zhì)量很差。所以，為了獲得一定信噪比的輸出 信號，對放大器的低噪聲性能有嚴格的要求。理想的生物電放大器，能夠抑制外界干擾使其減弱到和放大器的固有噪聲為同一數(shù)量級。這樣，放大器的內(nèi)部噪聲實際上使放大器能夠放大的信號具有一個下限，也就是說放大器的噪聲電平成為放大器設(shè)計的限制性條件。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。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)。 一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器，信號調(diào)理，采集硬件，接 口 ，數(shù)據(jù) 分析和處理軟件等幾大部分組成，其中，數(shù)據(jù)采集硬件的性 能直接影響到采集信號的質(zhì)量，所以，數(shù)據(jù)采集卡的選擇是非常重要的。 利用 LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集有許多種方式，其中最簡單的方式莫過于直接利用 NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集板卡和 LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集 VI實現(xiàn)。將數(shù)據(jù)采集板卡安裝在計算機相應(yīng)的插槽內(nèi)，安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，這一步驟和計算機其它硬件沒什么區(qū)別。所不同的是 NI公司提供了一個專門的管理軟件 Measurement amp。 Automation Explorer，來對 NI公司產(chǎn)品的相關(guān)硬件進行管理。針對數(shù)據(jù)采集卡 ，這個軟件可以完成 NI公司數(shù)據(jù)采集卡的檢測，性能測試、屬性配置和硬件刪除。性能測試 (Test Panel)能對數(shù)據(jù)采集卡進行簡單的測試。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。利用屬性配置操作 (Properties)可以對數(shù)據(jù)采集卡的屬性進行配置和檢查。在系統(tǒng)屬性中涉及到了采集卡占用的內(nèi)存、中斷號和 直 接內(nèi)存訪問號，而在模擬輸入屬性中可以設(shè)置模擬輸入的范圍和信號輸入模式。除此之外， 屬性配置操作還可以對模擬輸出 (AO)、信號進入方式(Accessory)、數(shù)據(jù)采集和模擬輸出的標定周期 (OPC)和遠程操作該數(shù)據(jù)卡的采集密碼 (Remote Access)等屬性進行配置。 LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集實際上包含了模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入／輸出和計數(shù)器四種信號的輸入輸出方式。在典型的測試系統(tǒng)中，用的最多的是模擬輸入方式 [13]。 基于以上的要求和本課題的實際需要，本設(shè)計 選擇了 NI公司的 PCI6014型數(shù) 11 據(jù)采集卡。 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。 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。為了更大程度減少數(shù)字化誤差，PCI6014還加入了許多技術(shù)，如防止溫度漂移電路，以減少原部件因溫度變化而引起的誤差，另 PCI6014還提供了多種連接信號的方法，包括 8個模擬輸入通道有不同的模式，最大程度地消除噪聲，以及 16路模擬輸入通道的非接地單端模 。 以下為 PCI6014的技術(shù)參數(shù) [14]： （ 1） 200KS／ s采樣率， 16位精度的 16路模擬輸入 （ 2） 2路模擬輸出， 16位精度 （ 3） 8條數(shù)字 I／ 0線 (5VTTL／ CMOS) （ 4） 2路 24位定時／計數(shù)器 （ 5） 數(shù)字觸發(fā) （ 6） 4組不同的模擬輸入范圍 與 PCI6014配套選用的還有附件 BNC2120以及專用的輸入／輸出數(shù)據(jù)線和100接點輸入輸出接線端子。 為了優(yōu)化程序設(shè)計，軟件開發(fā)采用的是模塊化設(shè)計，而且各程序模塊滿足以下條件： (1)透明性好：一個模塊在完成指定功能后，應(yīng)不影響主程序現(xiàn)場，不改變各種參數(shù)，可放心調(diào)用，不必一定讀 懂該模塊。 (2)功能性強：各模塊能提供最常用的功能，以減輕程序的重復(fù)性開發(fā)。 (3)質(zhì)量問題：各模塊盡量優(yōu)化算法，提高運行速度，并能提供必要的出錯信息。 (4)可讀性強：整個程序在編制過程中使用標準控件和標準顯示件，采用事件激活處理方式，且標明注釋，便于其他操作人員學(xué)習(xí)和使用，也有利于日后進一步的研制和改進。 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)。硬件功能模塊中有模擬模塊、數(shù)字模塊、模數(shù)混合模塊。各功能模塊需通過一定的軟件程序參與，才能完成自身功能。要使各功能模塊協(xié) 調(diào)配合，真正地運作起來，還需通過軟件將它們連成一個有機整體，整個系統(tǒng)才能完成指定的功能，并具有“自動化”、“智能化”的特點 [6]。 12 為了簡化操作和提高開發(fā)及操作效率，本系統(tǒng)計算機處理軟件采用虛擬儀器LabVIEW來開 發(fā) 。利用 LabVIEW可以在計算機的屏幕上形象地模擬儀器的面板 (如顯示器、開關(guān)、按鍵、旋鈕等 )以及相應(yīng)功能。用戶通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，進行儀器功能選用，設(shè)置工作參數(shù)，啟動或停止儀器的工作等。這不僅使操作者感到輕松自如，而且可減少用戶誤操作的可能性。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，窗口標題下不再出現(xiàn)菜單欄，方便用戶使用。 (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。 (3)可以對實驗數(shù)據(jù)有選擇地進行保存，實時地報告數(shù)據(jù)狀態(tài)。除了使用LabVIEW開發(fā)軟件提高系統(tǒng)可用性以外，我們還在系統(tǒng)軟件設(shè)計中注意到了在數(shù)據(jù)處理方面建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流，使各功能模塊通過共享數(shù)據(jù)資源以實現(xiàn)各功能模塊間的連結(jié)，采用高效的算法以提高效率。在結(jié)構(gòu)方面，盡量采用子函數(shù)以實現(xiàn)各種功能減少同樣功能的重復(fù)編寫，減少代碼。 圖 23 系統(tǒng)軟件組成框圖 本系統(tǒng)的軟件測試過程，主要完成對從硬件部分采集上來的生理信號進行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、波形回放、監(jiān)控診斷和數(shù)據(jù)回放等工作。如圖 23所示的結(jié)構(gòu)框圖，其中包括以下幾個模塊：用戶登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、DAQ 數(shù)據(jù)采集卡和 LabVIEW 軟件的安裝與配置 PC機上軟件測試 用戶登錄模塊 數(shù)據(jù)采集模塊 波形顯示模塊 數(shù)據(jù)分析模塊 診斷報警模塊 數(shù)據(jù)存儲模塊 13 數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，波形存儲模塊，診斷報警模塊，波形回放模塊等。在該系統(tǒng)中用戶對界面進行操作，計算機接收到命令后，首先進行原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)由 LabVIEW的 Waveform Graph圖控件顯示出信號曲線。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行進一步的分析，從而得到信號的各種特征參數(shù)，通過與標準參數(shù)范圍比較從而得出判斷結(jié)果。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 。 系統(tǒng)主要包含以下幾個技術(shù)指標 [7]： l、共模抑制比 系統(tǒng)中的干 擾信號主要是共模干擾，如 50Hz的工頻干擾，而且其幅值比生物信號的要大得多，要足夠抑制這些共模干擾，就要求系統(tǒng)的共模抑制比 足夠高。生物信號處理系統(tǒng)中，一般要求共模抑制比為 60～ 80dB，要求高的達 100dB以上【 8】 。本系統(tǒng)共模抑制比達 90dB左右。 幅度分辨率 系統(tǒng)的幅度分辨率與 AD轉(zhuǎn)換器的輸入量程與轉(zhuǎn)換精度有關(guān)，指的是系統(tǒng)可以分辨的最小電壓值。本系統(tǒng)選用的 DAQ數(shù)據(jù)采集卡的輸入量程為 10V～ +10V，轉(zhuǎn)換精度為 12位，則幅度分辨率為： A=5／ 4096=(mV)。本系統(tǒng)模擬放大器的放大倍數(shù)為 1000倍，則分辨率為： A=／ 1000=(181。V)。 CSE(歐共體心電圖通用標準 )推薦轉(zhuǎn)換器分辨 率至少到達 5181。V[8]。 時間分辨率 采樣頻率不僅影響時間分辨率，而且影響對波形幅度的準確測量。因此對波形幅度的準確的測量來說，采樣頻率越高越好，但高采樣率將影響成本和數(shù)據(jù)處理時間。另一個制約采樣頻率的因素是奈奎斯特采樣定理即要求 fs≥ 2f．目前臨床推薦心電圖采樣率不低于 250Hz。本系統(tǒng)的采樣率設(shè)計為 1000Hz，即每秒采樣1000個點。 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)指的是，在輸入正弦信號情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。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。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。 AD620的帶寬為 0～12kHz(G=1000)。另外，系統(tǒng)使用了高低通濾波器，保證系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍～ 106Hz，即所處理信號的頻帶范圍。 增益 為充分利用 A／ D轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率， A／ D的輸入應(yīng)盡可能接近其基準電壓，由于生物信號非常微弱，這就要求放大電路具有高增益的特性。本系統(tǒng)設(shè)計 14 心電信號的總增益均為 1000倍。 第三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 通常，在信號的量化、截取過程中很容易發(fā)生信號的失真，因此在采樣過程中要符合采樣定理。在測量過程中，不可避免的滲入一 些干擾信號，因此要對信號進行放大、濾波等預(yù)處理，提高信噪比，濾除信號中的干擾成分，提取有用信息。 本章詳細地講述了心電信號 、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。 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，如圖 31： 圖 31 心電監(jiān)護系統(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行放大以提高分辨率，減少噪聲。在采樣系統(tǒng)中完成前置放大任務(wù)的放大器稱為前置放大器。它們的基本功能是對信號進行放大和把傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，以滿足其它儀器的需要，但必須在信號處理時將放大的信號還原。本系統(tǒng)中采集的心電信號更是低頻微弱信號，所以放大器在整個信號調(diào)理中起著舉足輕重的作用。當(dāng)被放大后的信號的最大動態(tài)電壓范圍正好等于 ADC的動態(tài)電壓范圍時，才可達到最優(yōu)的測量精度。 （ 2） 濾波 處理 ： 濾波的目的是為了消除被測信號中的一些干擾信號。預(yù)處理的核心是使用各種濾波技術(shù)提高信號的信噪比。這是因為取得的信號往往存在各種干擾，如臨近機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。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