【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 大，并將信號(hào)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(hào)是強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，容易受到外界干擾，所以必須使用濾波器將信號(hào)頻帶外的干擾去除。 各種生物信號(hào)都屬于低頻的微弱自然信號(hào)。為了對(duì)生物信號(hào)進(jìn)行各種處理、記錄、顯示，必須首先把信號(hào)放大到所要求的強(qiáng)度。根據(jù)生物信號(hào)的 特點(diǎn)，在選擇設(shè)計(jì)生物信號(hào)放大器時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)參數(shù) [4]： 1．高輸入阻抗 生物信號(hào)源本身是高內(nèi)阻的微弱信號(hào)源，通過(guò)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(hào)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(hào)的低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生低頻失真。粗略估計(jì)，如果設(shè)計(jì)的放大器輸入阻抗為 10MΩ ，信號(hào)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(cè)量的參數(shù)外的其它生理作用的干擾，須選用差動(dòng)放大形式，因此 CMRR值是放大器的主要指標(biāo)。生物電放大器的 CMRR值一般要求 60dB～ 80dB，高性能放大器的 CMRR達(dá) 100dB，這說(shuō)明對(duì)于 100mv的共模干擾和 181。v的差模信號(hào)具有相同的輸出。值得注意的是放大器的實(shí)際共模抑制能力受到放大器前邊電極系統(tǒng)的影響。通過(guò)兩個(gè)電極提取生物電位時(shí)，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(gè)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(gè)電極本身的物理狀態(tài)不可能完全對(duì)稱，這樣使得與差動(dòng)放大器兩個(gè)輸入端相連的源阻抗實(shí) 前級(jí)放大 后級(jí)放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 心電信號(hào)、 脈搏信號(hào) 10 際變得十分復(fù)雜。不平衡是絕對(duì)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(duì)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(wú)濟(jì)于事。但是，提高放大器的輸入阻抗，則會(huì)減小這一轉(zhuǎn)化。 3．低噪聲、低漂移 相對(duì)于幅度僅在微伏、毫伏數(shù)量級(jí)的低頻生物電信號(hào)而言，放大器前置級(jí)的這一項(xiàng)要求是重要的。高阻抗源本身就帶來(lái)相當(dāng)可觀的熱噪聲，使輸入信號(hào)的質(zhì)量很差。所以，為了獲得一定信噪比的輸出 信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)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(jí)。這樣，放大器的內(nèi)部噪聲實(shí)際上使放大器能夠放大的信號(hào)具有一個(gè)下限，也就是說(shuō)放大器的噪聲電平成為放大器設(shè)計(jì)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(jí)，正確設(shè)計(jì)放大器的增益分配，在前置級(jí)的噪聲系數(shù)較小時(shí)，可以獲得良好的低噪聲性能。前置級(jí)的低噪聲設(shè)計(jì)，是整個(gè)放大器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器，信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集有許多種方式，其中最簡(jiǎn)單的方式莫過(guò)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(shí)現(xiàn)。將數(shù)據(jù)采集板卡安裝在計(jì)算機(jī)相應(yīng)的插槽內(nèi)，安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，這一步驟和計(jì)算機(jī)其它硬件沒(méi)什么區(qū)別。所不同的是 NI公司提供了一個(gè)專門的管理軟件 Measurement amp。 Automation Explorer，來(lái)對(duì) NI公司產(chǎn)品的相關(guān)硬件進(jìn)行管理。針對(duì)數(shù)據(jù)采集卡 ，這個(gè)軟件可以完成 NI公司數(shù)據(jù)采集卡的檢測(cè)，性能測(cè)試、屬性配置和硬件刪除。性能測(cè)試 (Test Panel)能對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)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(jì)數(shù)器輸入輸出 (Counter I/O)和數(shù)字輸入輸出 (Digital I/O)的測(cè)試。利用屬性配置操作 (Properties)可以對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的屬性進(jìn)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(hào)和 直 接內(nèi)存訪問(wèn)號(hào)，而在模擬輸入屬性中可以設(shè)置模擬輸入的范圍和信號(hào)輸入模式。除此之外， 屬性配置操作還可以對(duì)模擬輸出 (AO)、信號(hào)進(jìn)入方式(Accessory)、數(shù)據(jù)采集和模擬輸出的標(biāo)定周期 (OPC)和遠(yuǎn)程操作該數(shù)據(jù)卡的采集密碼 (Remote Access)等屬性進(jìn)行配置。 LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集實(shí)際上包含了模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入／輸出和計(jì)數(shù)器四種信號(hào)的輸入輸出方式。在典型的測(cè)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(shí)際需要，本設(shè)計(jì) 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(huì)影響流入的信號(hào)，從而大大 提高數(shù)據(jù)精確度，這一高阻抗性能還簡(jiǎn)化了許多問(wèn)題，而這些是在設(shè)計(jì)外部電路時(shí)普遍存在的典型問(wèn)題。 PCI6014數(shù)據(jù)采集卡能探測(cè)到模擬輸入信號(hào) 4V范圍內(nèi)的變化，從而可提高測(cè)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(hào)的方法，包括 8個(gè)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(shí)／計(jì)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(diǎn)輸入輸出接線端子。 為了優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，軟件開(kāi)發(fā)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，而且各程序模塊滿足以下條件： (1)透明性好：一個(gè)模塊在完成指定功能后，應(yīng)不影響主程序現(xiàn)場(chǎng)，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(qiáng)：各模塊能提供最常用的功能，以減輕程序的重復(fù)性開(kāi)發(fā)。 (3)質(zhì)量問(wèn)題：各模塊盡量?jī)?yōu)化算法，提高運(yùn)行速度，并能提供必要的出錯(cuò)信息。 (4)可讀性強(qiáng)：整個(gè)程序在編制過(guò)程中使用標(biāo)準(zhǔn)控件和標(biāo)準(zhǔn)顯示件，采用事件激活處理方式，且標(biāo)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(jìn)一步的研制和改進(jìn)。 硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)功能模塊，構(gòu)成了整個(gè)測(cè)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(guò)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(yùn)作起來(lái)，還需通過(guò)軟件將它們連成一個(gè)有機(jī)整體，整個(gè)系統(tǒng)才能完成指定的功能，并具有“自動(dòng)化”、“智能化”的特點(diǎn) [6]。 12 為了簡(jiǎn)化操作和提高開(kāi)發(fā)及操作效率，本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理軟件采用虛擬儀器LabVIEW來(lái)開(kāi) 發(fā) 。利用 LabVIEW可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上形象地模擬儀器的面板 (如顯示器、開(kāi)關(guān)、按鍵、旋鈕等 )以及相應(yīng)功能。用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)和按鍵，進(jìn)行儀器功能選用，設(shè)置工作參數(shù)，啟動(dòng)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(biāo)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(shí)刻設(shè)定參數(shù)，而不干擾數(shù)據(jù)的顯示。 (3)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有選擇地進(jìn)行保存，實(shí)時(shí)地報(bào)告數(shù)據(jù)狀態(tài)。除了使用LabVIEW開(kāi)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(jì)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(guò)共享數(shù)據(jù)資源以實(shí)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(shí)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(cè)試過(guò)程，主要完成對(duì)從硬件部分采集上來(lái)的生理信號(hào)進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(gè)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(jī)上軟件測(cè)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(bào)警模塊 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 13 數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，波形存儲(chǔ)模塊，診斷報(bào)警模塊，波形回放模塊等。在該系統(tǒng)中用戶對(duì)界面進(jìn)行操作，計(jì)算機(jī)接收到命令后，首先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)由 LabVIEW的 Waveform Graph圖控件顯示出信號(hào)曲線。我們還希望系統(tǒng)能夠具有自動(dòng)診斷功能，因此我們對(duì)處理后的信號(hào)要進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而得到信號(hào)的各種特征參數(shù)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)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(hào)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(hào)曲線以外還能顯示各個(gè)特征參數(shù)的值及自動(dòng)診斷結(jié)果 。 系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)技術(shù)指標(biāo) [7]： l、共模抑制比 系統(tǒng)中的干 擾信號(hào)主要是共模干擾，如 50Hz的工頻干擾，而且其幅值比生物信號(hào)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(hào)處理系統(tǒng)中，一般要求共模抑制比為 60～ 80dB，要求高的達(dá) 100dB以上【 8】 。本系統(tǒng)共模抑制比達(dá) 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(biāo)準(zhǔn) )推薦轉(zhuǎn)換器分辨 率至少到達(dá) 5181。V[8]。 時(shí)間分辨率 采樣頻率不僅影響時(shí)間分辨率，而且影響對(duì)波形幅度的準(zhǔn)確測(cè)量。因此對(duì)波形幅度的準(zhǔn)確的測(cè)量來(lái)說(shuō)，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(shí)間。另一個(gè)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(jì)為 1000Hz，即每秒采樣1000個(gè)點(diǎn)。 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)指的是，在輸入正弦信號(hào)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(hào)的頻率范圍的下限很低，接近 0Hz，但不包括直流信號(hào)。因此，在選用放大器的時(shí) 候，必須注意，該放大器能夠響應(yīng)低頻信號(hào)。 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(hào)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(zhǔn)電壓，由于生物信號(hào)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(jì) 14 心電信號(hào)的總增益均為 1000倍。 第三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 通常，在信號(hào)的量化、截取過(guò)程中很容易發(fā)生信號(hào)的失真，因此在采樣過(guò)程中要符合采樣定理。在測(cè)量過(guò)程中，不可避免的滲入一 些干擾信號(hào)，因此要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，提高信噪比，濾除信號(hào)中的干擾成分，提取有用信息。 本章詳細(xì)地講述了心電信號(hào) 、脈搏信號(hào) 的調(diào)理、采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠值脑O(shè)計(jì) ， 并對(duì)其中關(guān)鍵器件的選擇作了必要的說(shuō)明。 本心電監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)試的心 電信號(hào)應(yīng)包含的硬件處理模塊有信號(hào)采集、前級(jí)放大、后級(jí)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(jí)放大： 這是信號(hào)調(diào)理最基本的方式，從傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，為了完成信號(hào)預(yù)處理及以后的處理，必須對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)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(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)處理時(shí)將放大的信號(hào)還原。本系統(tǒng)中采集的心電信號(hào)更是低頻微弱信號(hào)，所以放大器在整個(gè)信號(hào)調(diào)理中起著舉足輕重的作用。當(dāng)被放大后的信號(hào)的最大動(dòng)態(tài)電壓范圍正好等于 ADC的動(dòng)態(tài)電壓范圍時(shí)，才可達(dá)到最優(yōu)的測(cè)量精度。 （ 2） 濾波 處理 ： 濾波的目的是為了消除被測(cè)信號(hào)中的一些干擾信號(hào)。預(yù)處理的核心是使用各種濾波技術(shù)提高信號(hào)的信噪比。這是因?yàn)槿〉玫男盘?hào)往往存在各種干擾，如臨近機(jī)器或部件的振動(dòng)干擾及電器干擾等，尤其是 50Hz工頻干擾是影響心電信號(hào)最大的干擾。濾波的實(shí)質(zhì)是去除或者抑制某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成 心 電級(jí) 心電導(dǎo)連 前級(jí)放大 后級(jí)放大和濾波 數(shù)據(jù)采集卡 PC機(jī)