【導(dǎo)讀】的發(fā)生率逐年增高。它們嚴(yán)重威脅著人類的健康，是導(dǎo)致疾病患者死亡的主。要疾病之一，許多患者心臟病發(fā)作后由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和搶救極易發(fā)生死亡。以分析以期捕捉到心律失常波形。但是此種監(jiān)測(cè)較為費(fèi)時(shí)費(fèi)錢，不利于心血。大醫(yī)院的設(shè)備投資和患者的就醫(yī)費(fèi)用。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。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。這使得基于虛擬儀器的生。物醫(yī)學(xué)儀器，如心功能檢測(cè)和分析系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)逐漸成為可能。該系統(tǒng)利用LabView圖形化語(yǔ)言編程，將心電電極采集的信號(hào)進(jìn)。據(jù)處理，可較好地輔助醫(yī)生更好地進(jìn)行診斷。

　　

【正文】 現(xiàn)的功能。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。再則，用戶擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可運(yùn)行不同的應(yīng)用程序以得到相應(yīng)的儀器。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。這是因?yàn)樘摂M儀器能夠借助于計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)，只需 配以少量的輔助設(shè)備 (或器件 )，就能構(gòu)成功能適合用戶要求的儀器。利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)屏幕上設(shè)計(jì)出儀器的面板，用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止儀器。并且測(cè)量結(jié)果可以從虛擬儀器面板直接讀出。即用戶在屏幕上通過(guò)虛擬儀器面板對(duì)儀器的操作如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。另外，個(gè)人計(jì)算機(jī)的參與大大提高儀器的數(shù)據(jù)處理能力。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]。 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(gè) VI 包括前面板、程序框圖及圖標(biāo) /連接端口三部分。 前面板：模擬真實(shí)儀器的用戶面板，是用戶可以見(jiàn)到的，類似傳統(tǒng)儀器 25 的操作面板，用于儀器的操作控制、設(shè)置輸入?yún)?shù)和觀測(cè)輸出量等，常由開關(guān)、旋鈕、按鈕、圖形、圖標(biāo)等構(gòu)成。并利用工具模板添加輸入控制器、輸出指示器，且控制器和指示器種類可選擇，以實(shí)現(xiàn)用戶需要的各種功能操作。 程序框圖：與每一個(gè)前面板相對(duì)應(yīng)，利用圖形化編程語(yǔ)言 對(duì)前面板上的控件對(duì)象進(jìn)行控制，將系統(tǒng)所需要的功能模塊進(jìn)行有序的安置，并定義連接各個(gè)模塊的輸入輸出端口，以確定框圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。程序框圖實(shí)際是支持虛擬儀器實(shí)現(xiàn)其功能的核心，由 LABVIEW 圖形編程語(yǔ)言編寫，也可把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。對(duì)程序框圖的設(shè)計(jì)涉及到數(shù)據(jù)端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線等的設(shè)計(jì)。其中端口被用來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來(lái)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(guò)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。 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(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn) LABVIEW 的模塊化編程。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)。用戶必須指定連線端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng) [21–23]。 在掌握了前面板、程序框圖和圖標(biāo) /連接端口的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了基于虛擬儀器的心功能檢測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)軟件處理部分，主要實(shí)現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、分析、自動(dòng)檢測(cè)等功能。在該系統(tǒng)軟件開發(fā)過(guò)程中，主要經(jīng)歷了以下設(shè)計(jì)階段 ，如圖 4–1所示。 系統(tǒng)需求分析 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 程序調(diào)試 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 編寫代碼 圖 4–1 虛擬儀器軟件開發(fā)流程 26 針對(duì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需求，該系統(tǒng)需完成心電圖的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等設(shè)計(jì)任務(wù)。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(jiàn)圖 4–2。 圖 4–2 總體前面板 通過(guò)點(diǎn)擊該面板上的各功能模塊按鈕，可進(jìn)入相應(yīng)的下級(jí)功能模塊操作。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。 圖 4–3 總體前面板 在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)按照軟件的 結(jié)構(gòu)確定每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)、輸入輸出及完成的功能，主要是各個(gè)子 VI 的設(shè)計(jì)與創(chuàng)建及其參數(shù)設(shè)置等。編寫代碼階段，應(yīng)先由底層 VI 開始編寫圖形代碼，在逐步向上集成，直到生成頂 27 層程序。接下來(lái)關(guān)鍵的一步就是程序測(cè)試階段，由于每一個(gè)子 VI 都可以單獨(dú)執(zhí)行，所以每完成一個(gè)模塊就應(yīng)測(cè)試一個(gè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改，將使最后的總體程序調(diào)試變得非常方便 [ 24]。當(dāng)然，以上各個(gè)開發(fā)階段并不能完全獨(dú)立，相互交疊的情況非常普遍，并且在完成了整個(gè)軟件開發(fā)后，對(duì)系統(tǒng)軟件的維護(hù)也是很重要的，以使設(shè)計(jì)出的基于虛擬儀器的心功能檢測(cè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 為了簡(jiǎn)化整體程序框圖的設(shè)計(jì)，可將各功能模塊的程序設(shè)為子 VI，以方便調(diào)用。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。 167。 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(lái)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。其主要功能模塊設(shè)計(jì)如下。 167。 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計(jì) (a) (b) 圖 4–4 (a) 登錄前面板 (b) 登錄程序框圖 通過(guò)運(yùn)行此登錄界面，即可進(jìn)入主程序前面板進(jìn)行虛擬儀器的一系列操作，如信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)分析等。 167。 系統(tǒng)信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì) 基于 LABVIEW 的醫(yī)學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和其他電子類測(cè)量?jī)x器一樣，都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示三部分組成。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(guò)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。由于本模 塊是心電檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分研究的主要模塊，故心電信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)作為一個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)此模塊的上位機(jī)，下位機(jī)之間的通信。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。作為一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，即通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)線由一個(gè)發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)，一次發(fā)送一位到達(dá)接收者，串行通信常用于計(jì)算機(jī)與外設(shè) (例如一臺(tái)可編程儀器 )，或者與另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通訊?；旧厦颗_(tái)計(jì)算機(jī)都有一到兩個(gè)串口，在進(jìn)行串行通信時(shí)除了一根連接設(shè)備與計(jì)算機(jī)的電纜線外，不需要附加其它硬件，因此串行通信非常受歡迎 [25]。 在本系統(tǒng) 的串行通信設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò) USB 接口將心電信號(hào)傳輸?shù)?PC 機(jī)，而 PC 將數(shù)據(jù)采集卡識(shí)別為虛擬串行接口，因此，信號(hào)采集程序的核心就是接口部分的讀寫通訊操作。串口讀寫程序框圖如圖 4–5 所示。 圖 4–5 串口通信程序框圖 這個(gè) VI 程序主要做如下工作 [ 26]： (1)配置串行通信的參數(shù)，為數(shù)據(jù)傳送做準(zhǔn)備工作。 (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。 (3)讀取傳送的數(shù)據(jù)并解碼，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 ASCⅡ 碼并在 Read Buffer 中顯示出 來(lái)。 29 (4)關(guān)閉 VISA 傳送機(jī)制。 (5)報(bào)告是否有錯(cuò)誤發(fā)生，錯(cuò)誤首先在哪里發(fā)生。 其中 文件讀取操作主要 是 VISA Write和 VISA Read兩個(gè)功能模塊，進(jìn)行串行通信時(shí)， VISA Read函數(shù)和 VISA Write函數(shù)可以在不同類型的設(shè)備之間工作，而不管是串行通信還是 GPIB通信 [24–26]。 以 VISA Write模塊 為例，介紹VISA的功能如下： 圖 4–6 VISA Write 控件 該模塊將數(shù)據(jù)寫入 VISA resource name指定的設(shè)備的緩沖區(qū)內(nèi)， dup VISA resource name返回同樣的設(shè)備句柄。只有在 UNXI平臺(tái)中，寫數(shù)據(jù)是同步進(jìn)行的。在其余別的平臺(tái)中寫數(shù)據(jù)都是異步進(jìn)行的。 Return count包含確切已經(jīng)傳輸過(guò) GPIB的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)， error in和 error out包含錯(cuò)誤信息。但是由于串行通信需要進(jìn)行額外的參數(shù)配置，因此在進(jìn)行串行通信之前，用戶必須通過(guò) VISA Configure Serial Port VI對(duì)串行端口進(jìn)行配置。 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。 如圖 4–5中的延遲顯示時(shí)間 (Timeout)指定傳輸一幀超時(shí)的時(shí)間，若超過(guò)這個(gè)時(shí)間將產(chǎn)生錯(cuò)誤。 Baud rate(波特率 )、 data bits(數(shù)據(jù)比特 )、 parity(奇偶 )和 low control(流控制 )指定這個(gè)串行端口的參數(shù)， error in和 error out包含傳輸?shù)腻e(cuò)誤信息。 相應(yīng)的串行通信前面板如圖 4–7所示。 圖 4–7 串行通信 VI 的前面板 30 最終，在 LABVIEW開發(fā)環(huán)境的 NI–DAQ驅(qū)動(dòng)程序安裝正確的條件下，VISA通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序，經(jīng)數(shù)據(jù)采集函數(shù)，運(yùn) 行已經(jīng)調(diào)試通過(guò)的數(shù)據(jù)采集程序，由數(shù)據(jù)采集卡通過(guò) USB接口即可實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的上下位機(jī)之間的傳遞，即可實(shí)現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的傳輸與采集。基于 NILabViewDAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 4–8所示。 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。 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。 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(guò)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。該模塊前面板如 圖 4–9所示，相應(yīng)的程序框圖如 圖 4–10所示。 通過(guò)操作前面板上的按鈕即可實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的放大、 高 /低通濾波、陷波等處理，以最終獲得利于心電檢測(cè)和心電圖分析的純凈信號(hào)。 167。 系統(tǒng)信息存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是為了保存所采集和處理的心電數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)的重復(fù)利用、顯示和打印等功能。實(shí)際的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的 VI 程序很復(fù)雜，但鑒于LABVIEW 的框圖編程快捷性，本系統(tǒng)采用了簡(jiǎn)單的正弦波、三角波等信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的仿真模擬，用戶只需選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的按鈕控件，通過(guò)與信號(hào)采集系統(tǒng)的正確連線，即可順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。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(lái)。 本系統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖如 圖 4–11 所示。 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)信息的分析 由于心電圖含有大量心電信息，因而，分析心電圖是是主要的心電特征識(shí)別方法。在心電信號(hào)中， QRS 波占很大比例，而且分布于心電信號(hào)的中、高頻區(qū)域，其幅度特征也非常明顯，與其他波形的區(qū)別較為顯著，因而在心電特征檢測(cè)過(guò)程中，常常先定位 QRS 波群，其他如 P 波、 T 波、 U 波及 ST段則可以 R 波峰 值為時(shí)間基準(zhǔn)，一一得到檢測(cè)分析，通過(guò)與正常心電信號(hào)的比較分析，進(jìn)而診斷出可能的心臟疾病。常用上午心電圖監(jiān)測(cè)方法，以 QRS波為例，有差分閾值法、模板匹配法、小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化等，其中小波分析法最為常用，它是一種時(shí)頻局部分析法，在信號(hào)頻率高的區(qū)域具有“顯微”能力，能相對(duì)準(zhǔn)確地確定出心電等微弱生物信號(hào)的特征 [ 28–29]。具體分析方法牽涉到太多醫(yī)學(xué)專題，在此不再詳述。 33 總 結(jié) 本文基本完成了心功能檢測(cè)系統(tǒng)主要硬件及軟件部分預(yù)定功能的設(shè)計(jì)。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)。 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(duì)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(jiǎn)便、開放、快速、靈活的新功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤其重要。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(guò)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)。該設(shè)計(jì)過(guò)程包含了硬件部分對(duì)心電信號(hào)的放大、濾波、陷波等預(yù)處理，單片機(jī)與 PC及之間的數(shù)據(jù)通信及 LABVIEW 軟 件部分的編程等步驟，內(nèi)容較為煩瑣，尤其是在 LABVIEW 編程時(shí)遇到不少問(wèn)題。另外，許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，如硬件部分精準(zhǔn)的電路參數(shù)設(shè)置，軟件部分虛擬儀器面板的設(shè)計(jì)為符合實(shí)際要求等還有待提高。心功能檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)包含多種技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，很多功能都有待進(jìn)一步提高。今后有機(jī)會(huì)進(jìn)行后續(xù)研究時(shí)，可依次進(jìn)行以下改進(jìn)： 1) 增加檢測(cè)項(xiàng)目，如包含心臟、血管、血液、微循環(huán)四大類的各項(xiàng)參數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示多通道信號(hào)波形，對(duì)可能患有冠心病、血管硬化、高血脂、高血粘度的患者給出及時(shí)診斷。 2) 增加數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，使其能夠長(zhǎng)期保存客戶檔案及診斷信息，可隨時(shí) 調(diào)用及打印檢測(cè)報(bào)告，具有智能查詢客戶資料功能。 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