【導(dǎo)讀】心臟病是嚴(yán)重威脅人類健康和生命的主要疾病之一。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以及時。臟病死亡率的有效手段之一。擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，從而利用計算機(jī)儀器系統(tǒng)技術(shù)來完成各種測試功能。用LabVIEW平臺開發(fā)了基于虛擬儀器的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。PC機(jī)測試系統(tǒng)，包括對采集上來的心電信號、脈搏信號的分析處理和顯示存儲，出診斷，及早治療。keywords：VirtualInstrument；ECGdata；LabVIEW；real-timedetection

　　

【正文】 Hz脈搏 信號仿真結(jié)果 心電 信號調(diào)理電路仿真結(jié)果如下所示： 圖 310 為 20Hz 心電信號仿真結(jié)果，從圖中可以看出， 20Hz 模擬信號被很好的放大，放大倍數(shù)為 1000 倍左右，達(dá)到了預(yù)期的效果。 圖 311 為 50Hz 心電 信號仿真結(jié)果，從圖中可以看出， 50Hz 模擬信號因為 24 有濾波電路的存在，被很好的抑制了，達(dá)到了預(yù)期的效果。 圖 310 20Hz心電信號仿真結(jié)果 圖 311 50Hz心電信號仿真結(jié)果 25 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 “軟件就是儀器”的說法充分體現(xiàn)了軟件在虛擬儀器測試系統(tǒng)中的重要性。如果說硬件電路是整個系統(tǒng)的軀干和四肢，那么系統(tǒng)軟件就是整個系統(tǒng)的大腦，由系統(tǒng)軟件這個大腦來指揮作為軀干和四肢的硬件電路來完成各種所需要的工作。 軟件是虛擬儀器的靈魂，沒有軟件，也就無從談起虛擬儀器了。因此，要開發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前，虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩種。一種是文本式編程語言：如 Visual C++， Visual Basic等；另一種是圖形化編程語言：如 LabVIEW， HPVEE等，本系統(tǒng)設(shè)計所用的是 LabVIEW虛擬儀器編程語言。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工作平臺 )是美國 NI公司 (Nation Instrument Company，簡稱 NI公司 )推出的一種基于 G語言 (Graphics Language，圖形化編程語言 )的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，用 LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離 LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶最終看到的是和實際硬件儀器相似的操作面板，同時 LabVIEW還為虛擬儀器設(shè)計者提供了一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼的編寫。 LabVIEW的程序由三部分構(gòu)成，即前面板、圖形代碼和程序圖標(biāo)調(diào)用 C、 BASIC語言程序。支持 ActiveX技術(shù)，可以直接使用 VB、 VC生成的控件，可以在控件和程序之問交換數(shù)據(jù)。 目前， LabVIEW已成為數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等方面的領(lǐng)先開發(fā)平臺，在世界范圍內(nèi)擁有眾多的用戶。由于本系統(tǒng)的開發(fā)選用了 LabVIEW開發(fā)平臺，使得在實際開發(fā)時可以 更多地考慮如何實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而不用太多地注重程序設(shè)計的細(xì)節(jié)問題，從而大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度。 系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu) VIs是 LabVIEW的基本單元， LabVIEW的 VIs是按模塊化、層次化方式設(shè)計的。每個 VI既可以單獨運行，也可被其他 VI當(dāng)成子 VI調(diào)用。 LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以為自己的 VI創(chuàng)建新的圖標(biāo)，可以設(shè)計 VI層和子層作為應(yīng)用程序的各部流程。建立 VIs之間的層次結(jié)構(gòu)，使用戶易于修改、交互、改變，并組合其他 VIs以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，子 VI調(diào)用的層次是沒有限制的。 在 LabVIEW中，各個 VI內(nèi)部及 VI之問的程序執(zhí)行的流程機(jī)制是數(shù)掘流，即LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程模式，這不同于一些基于文本編程語言的線性結(jié)構(gòu) (如 C語言函數(shù)執(zhí)行順序取決于寫在前后位置 )，程序的執(zhí)行順序決定于節(jié)點在數(shù)據(jù)流中的位置。節(jié)點、端點、連線構(gòu)成不同的數(shù)據(jù)流域，數(shù)據(jù)由起點向終點方向流動。 26 在程序中控制對象始終作為數(shù)據(jù)流線的起點，而顯示對象永遠(yuǎn)作為數(shù)據(jù)流線的終點。對一個節(jié)點而言，只有當(dāng)它的所有輸入端口上的數(shù)據(jù)都成為有效數(shù)據(jù)時，它才能被執(zhí)行。當(dāng)節(jié)點程序運行完畢后，它才把結(jié)果數(shù)據(jù)送給所有的輸出端口，使之成為有效數(shù)據(jù) ，并且很快送到目的端口。 主程序?qū)优c用戶需求緊密相關(guān)，是程序之間交互和控制的有效手段。我們在編寫主程序?qū)訒r，不但要滿足功能需求，而且應(yīng)當(dāng)充分考慮到用戶的需求。本系統(tǒng)主要體現(xiàn)三個功能： (1)用戶提供簡單、美觀的操作界面。 (2)完成測試任務(wù)，調(diào)用測試層的各個子Ⅵ，管理測試流程。 (3)解決程序所出現(xiàn)的錯誤。 本設(shè)計的系統(tǒng)程序框圖和系統(tǒng)前面板如下圖所示： 圖 41 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)程序框圖 27 圖 42 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)前面板 下面將詳細(xì)介紹各個模塊的設(shè)計原理。 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(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控診斷 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、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 等。 系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 43所示。 28 圖 43 系統(tǒng)軟件流程 圖 用戶登入模塊主要是為了保護(hù)用戶信息安全設(shè)置的，當(dāng)用戶運行程序時，程序會自動彈出需要輸 入用戶名和密碼的口令信息對話框，輸入不正確則不能進(jìn)入運行狀態(tài)，所以，可以保證用戶信息的安全 [15]。 開始 初 始 化PCI6014數(shù)據(jù)采集卡 創(chuàng)建兩路模 擬輸入通道 用 戶 登 錄 開始采集數(shù)據(jù) 退 出 系 統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)分析模塊 數(shù)據(jù)診斷模塊 數(shù)據(jù)存儲模塊 數(shù)據(jù)顯示模塊 No Yes 29 圖 44 建立數(shù)據(jù)庫 VI 圖 42為建立數(shù)據(jù)庫的 VI，用于存儲用戶數(shù)據(jù) [5]。 圖 45 管理員系統(tǒng)前面板 圖 46 管理員系統(tǒng)程序框圖 30 圖 43和圖 44分別為管理員系統(tǒng)的前面板和程序框圖，用與管理員對用戶數(shù)據(jù)的管理。 圖 47 用戶登錄系統(tǒng)主程序框圖 圖 47為用戶登錄系統(tǒng)的主程序框圖，用于用 戶的登錄和管理。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要通過設(shè)備驅(qū)動程序接口完成對 DAQ數(shù)據(jù)采集卡的初始化工作，包括對 A／ D設(shè)備對象 的創(chuàng)建和管理，以及采集卡工作方式、通道數(shù)、采樣頻率 等參數(shù)的設(shè)置。 本設(shè)計使用的 方法 是 對 DAQ助手進(jìn)行設(shè)置，如圖 46所示。 圖 48 DAQ助手的設(shè)置 31 程序運行以后，數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)不斷的送入到緩存 (Buffers)中去，并在前面板上顯示連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)波形。 如圖 49所示，顯示出了所模擬采集的心電信號和脈搏信號，圖 410則為數(shù)據(jù)采集 VI的程序框圖。 圖 49 數(shù)據(jù)采集 VI前面板 圖 410 數(shù)據(jù)采集 VI程序框圖 32 數(shù)字濾波器是數(shù)字信號分析中的重要組成部分，它實現(xiàn)對信號的濾波、提取、增強(qiáng)信號的有用分量、削弱無用的分量。經(jīng)典濾波器的特點是輸入信號中的有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶 ， 通過一個合適的選頻濾波器達(dá)到濾波目的。但如果信號和干擾的頻率相重疊，那么經(jīng)典濾波器將無能為力，這時需要采用現(xiàn)代濾波 器，如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等。 從 實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或從單位脈沖響應(yīng)分類，數(shù)字濾波器可以分為無限脈沖響應(yīng)濾波器 (Infinite impulse response， IIR)和有限脈沖響 應(yīng)濾波器 (Finite impulse response， FIR)。與 IIR相比， FIR數(shù)字濾波器能夠被設(shè)計成具有線性相位特性的濾波器。因此，它在要求具有線性相位的應(yīng)用場合具有廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計 中使用的便是 FIR濾波器。 圖 411 FIR濾波器 VI前面板 33 圖 412 FIR濾波器 VI程序框圖 圖 411和 412分別為 FIR濾波器 VI的前面板和程序框圖，該濾波器可由使用者自主設(shè)置濾波器類型、抽頭數(shù)、低頻截止頻率和高頻截止頻率，其中濾波器類型可設(shè)置為“ Lowpass”、“ Highpass”、“ Bandpass”和“ Bandstop”四種。濾波 效果如圖 413所示。 圖 413 濾波前后對比 34 在該設(shè)計中，最主要的控件為數(shù)字 FIR濾波器 和 FFT頻譜（幅度 相位） ，如下 所示。 （ 1） 數(shù)字 FIR濾波器： 重置 濾波器 的值為 TRUE 時， 濾波器 系數(shù)將被強(qiáng)制重新設(shè)定，內(nèi)部 濾波器 狀態(tài)將被強(qiáng)制重置為 0。 信號輸入 是要進(jìn)行濾波的波形。 錯誤輸入 表明 VI 或函數(shù)運行前發(fā)生的錯誤。默認(rèn)值為 無錯誤 。如錯誤發(fā)生在 VI 或函數(shù)運行之前， VI 或函數(shù)將把 錯誤輸入 值傳遞至 錯誤輸出 。如在 VI或函數(shù)運行前沒有發(fā)生錯誤， VI 或函數(shù)將正常 運行。如在 VI 或函數(shù)運行時發(fā)生錯誤， VI 或函數(shù)將正常運行并在 錯誤輸出 中設(shè)置自身的錯誤狀態(tài)。簡易錯誤處理器或通用錯誤處理器 VI可用于顯示錯誤代碼的說明信息。 錯誤輸入 和 錯誤輸出 用于檢查錯誤并通過將一個節(jié)點的 錯誤輸出 與另一個節(jié)點的 錯誤輸入 連線指定執(zhí)行順序。 狀態(tài) 的值為 TRUE（叉）時表示在 VI 或函數(shù)運行前已發(fā)生錯誤，值為 FALSE（勾）時表示警告或無錯誤。默認(rèn)值為 FALSE。 代碼 是錯誤或警告代碼。默認(rèn)值為 0。如 果 狀態(tài) 的值為 TRUE， 代碼 將為非零錯誤代碼。如 果 狀態(tài) 的值為 FALSE， 代碼 將為 0或警告代碼。 源 表示錯誤或警告的源，大多數(shù)情況下表示出現(xiàn)錯誤或警告的 VI或函數(shù)名。默認(rèn)值為空字符串。 FIR 濾波器 規(guī)范 是用于指定 FIR 濾波器 的最小值。 （ 2） FFT 頻譜（幅度 相位）： 計算時間信號的平均 FFT 頻譜。該 VI 以實部和虛部返回 FFT 結(jié)果。連接至?xí)r間信號輸入端的數(shù)據(jù)類型決定使用哪個多態(tài)實例。 35 、報警模塊 虛擬儀器通常由三大部分組成：信號的獲取與采集，信號的分析與處理，結(jié)果輸出與顯示。與傳統(tǒng)儀器一樣，信號分析與處理是虛擬儀器必不可少的重要組成部分。在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號的獲取與采集由以計算機(jī)為核心的硬件平臺來完成。在此硬件平臺基礎(chǔ)上，調(diào)用軟件完成某種功能的任務(wù)，便可構(gòu)成對應(yīng)的虛擬測量儀器。在同一個硬件平臺上，調(diào)用不同功能的軟件可構(gòu)成不同功能的虛擬儀器，軟件是根據(jù)不同的信號分 析與處理技術(shù)編制的。時至今日，信號的分析與處理方法很多，在設(shè)計虛擬儀器時，需要根據(jù)儀器的功能要求和所處理信號的實際情況選擇合適的分析和處理方法。 本系統(tǒng)中選用 Express VI中的 “幅值和電平測量” VI用來測量電壓的直流分量，心電信號 、脈搏信號 峰值、谷值、峰峰值、周期平均值、周期均方根等。用“信號的時間與瞬態(tài)特性測量” VI來測量心電信號的周期、頻率等。并通過公式計算心率 、脈率 ，從而 準(zhǔn)確的判斷心率 和脈率 的變化。 一套監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析和處理能力 ， 本設(shè)計設(shè)計了心率和脈率的計算。 心率是指心臟每分鐘搏 起的次數(shù)，心率測量是根據(jù)心電圖測量定瞬時心率和平均心率 【 8】 。瞬時心率是指心電圖兩個相鄰 R波的時間間隔 (R— R間期 )的倒數(shù)，即： 1 6 0F = =TT（ 次 / 秒 ） （ 次 / 分 ） （ 41） 式中， T為 R— R間期 (秒 )。 平均心率是在一定計數(shù)時間內(nèi)， R波個數(shù)和計數(shù)時間的比值，即 NF= T（ 次 /分 ） （ 42） 式中， T為計數(shù)時間 (分 )， N是 R波個數(shù) [16]。 脈率則為 是每分鐘脈 搏 的次數(shù)，正常情況下與心率一致，與呼吸的比例約為 4： 1～ 5： 1，計算方法與心率的計算方法類似。 健康成年人靜息狀態(tài)下心率每分鐘 75次左右，搏出量約 70ml，心輸出量約為5L。強(qiáng)體力勞動時，心率可達(dá)每分鐘 180～ 200次，搏出量可增加到 150ml左右，心輸出量可達(dá) 25～ 30L，為靜息時的 5～ 6倍。表明健康人心臟泵血功能有一定的儲備量，能夠在需要時成倍地增長。 信號的診斷與報警系 統(tǒng)對所采集的信號要進(jìn)行處理和判斷。在本系統(tǒng)中采用的判斷方法 為 ：設(shè)定心率的最大值和最小值，也就是上限和下限。當(dāng)采集的心電信號的心率高于最大值或者低 于 最小值時，啟動報警程序， 并在前面板上指出出現(xiàn)異常的信號類型，點亮指示燈，提示管理人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼? 本系統(tǒng)中用布爾指示燈顯示報警狀態(tài)，設(shè)定心率上限為 90次 /分，下限為 70 36 次 /分，當(dāng)采集的心率高于 90次／分時，心動過速的指示燈便點亮 ， 當(dāng)心率低于70次／分時，心動過緩的指示燈便點亮，顯示心率異常報警狀態(tài)，當(dāng)心率為 80次／分時，則心率正常的指示燈點亮，同時，診斷結(jié)果提示框內(nèi)也顯示相應(yīng)的文字信息．需要工作人員注意。脈率的上下限 則分別為 50次 /分和 120次 /分，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析報警程序如下所示 。 圖 414 心率分析報警主程序前面板