【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)測較為費時費錢，不利于心血。大醫(yī)院的設(shè)備投資和患者的就醫(yī)費用。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)提高測試的靈活性和可擴充性。這使得基于虛擬儀器的生。物醫(yī)學(xué)儀器，如心功能檢測和分析系統(tǒng)的綜合設(shè)計逐漸成為可能。該系統(tǒng)利用LabView圖形化語言編程，將心電電極采集的信號進。據(jù)處理，可較好地輔助醫(yī)生更好地進行診斷。

　　

【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，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，一出廠其功能及外觀已經(jīng)固化，用戶只是被動操作。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。換句話就是，一臺計算機完全可以取代實驗室里的所有儀器以實現(xiàn)功能，從而節(jié)約大筆資金。這是因為虛擬儀器能夠借助于計算機的軟硬件平臺，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)平臺在計算機屏幕上設(shè)計出儀器的面板，用戶通過鼠標(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)，啟動或停止儀器。并且測量結(jié)果可以從虛擬儀器面板直接讀出。即用戶在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。另外，個人計算機的參與大大提高儀器的數(shù)據(jù)處理能力。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]。 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。 前面板：模擬真實儀器的用戶面板，是用戶可以見到的，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，以實現(xiàn)用戶需要的各種功能操作。 程序框圖：與每一個前面板相對應(yīng)，利用圖形化編程語言 對前面板上的控件對象進行控制，將系統(tǒng)所需要的功能模塊進行有序的安置，并定義連接各個模塊的輸入輸出端口，以確定框圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動方向。程序框圖實際是支持虛擬儀器實現(xiàn)其功能的核心，由 LABVIEW 圖形編程語言編寫，也可把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。對程序框圖的設(shè)計涉及到數(shù)據(jù)端口、節(jié)點、圖框和連線等的設(shè)計。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。 圖標(biāo) /連接端口：是子 VI 被其它 VI 調(diào)用的 接口，用于把 LABVIEW 程序定義為一個子程序，從而實現(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)點表現(xiàn)形式；而連接端口則表示節(jié)點數(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)計方法的基礎(chǔ)上，本文進行了基于虛擬儀器的心功能檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計。本系統(tǒng)軟件設(shè)計是計算機軟件處理部分，主要實現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析、自動檢測等功能。在該系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，主要經(jīng)歷了以下設(shè)計階段 ，如圖 4–1所示。 系統(tǒng)需求分析 結(jié)構(gòu)設(shè)計 程序調(diào)試 細節(jié)設(shè)計 編寫代碼 圖 4–1 虛擬儀器軟件開發(fā)流程 26 針對本設(shè)計的系統(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)存儲等設(shè)計任務(wù)。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。 圖 4–2 總體前面板 通過點擊該面板上的各功能模塊按鈕，可進入相應(yīng)的下級功能模塊操作。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。 圖 4–3 總體前面板 在細節(jié)設(shè)計階段，應(yīng)按照軟件的 結(jié)構(gòu)確定每個模塊的設(shè)計指標(biāo)、輸入輸出及完成的功能，主要是各個子 VI 的設(shè)計與創(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。接下來關(guān)鍵的一步就是程序測試階段，由于每一個子 VI 都可以單獨執(zhí)行，所以每完成一個模塊就應(yīng)測試一個，發(fā)現(xiàn)問題及時修改，將使最后的總體程序調(diào)試變得非常方便 [ 24]。當(dāng)然，以上各個開發(fā)階段并不能完全獨立，相互交疊的情況非常普遍，并且在完成了整個軟件開發(fā)后，對系統(tǒng)軟件的維護也是很重要的，以使設(shè)計出的基于虛擬儀器的心功能檢測系統(tǒng)具有較強的實用性。 為了簡化整體程序框圖的設(shè)計，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，非常方便實用。 167。 主要模塊的子程序設(shè)計 本心電檢測系統(tǒng)功能由以下幾大模塊來實現(xiàn)，依次為串口通信模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、信號分析模塊、信息存儲和數(shù)據(jù)回放模塊等。其主要功能模塊設(shè)計如下。 167。 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計 (a) (b) 圖 4–4 (a) 登錄前面板 (b) 登錄程序框圖 通過運行此登錄界面，即可進入主程序前面板進行虛擬儀器的一系列操作，如信號采集、信號處理、信號分析等。 167。 系統(tǒng)信號采集模塊的設(shè)計 基于 LABVIEW 的醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)和其他電子類測量儀器一樣，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。由于本模 塊是心電檢測系統(tǒng)軟件部分研究的主要模塊，故心電信號的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)作為一個獨立的環(huán)節(jié)來設(shè)計，以實現(xiàn)此模塊的上位機，下位機之間的通信。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高或者進行遠距離傳輸時，選擇串行通信。作為一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，即通過一個簡單的數(shù)據(jù)線由一個發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)，一次發(fā)送一位到達接收者，串行通信常用于計算機與外設(shè) (例如一臺可編程儀器 )，或者與另外一臺計算機之間的通訊?；旧厦颗_計算機都有一到兩個串口，在進行串行通信時除了一根連接設(shè)備與計算機的電纜線外，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)計中，數(shù)據(jù)采集卡通過 USB 接口將心電信號傳輸?shù)?PC 機，而 PC 將數(shù)據(jù)采集卡識別為虛擬串行接口，因此，信號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 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，奇偶校驗位和停止位。 (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。 29 (4)關(guān)閉 VISA 傳送機制。 (5)報告是否有錯誤發(fā)生，錯誤首先在哪里發(fā)生。 其中 文件讀取操作主要 是 VISA Write和 VISA Read兩個功能模塊，進行串行通信時， 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平臺中，寫數(shù)據(jù)是同步進行的。在其余別的平臺中寫數(shù)據(jù)都是異步進行的。 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。但是由于串行通信需要進行額外的參數(shù)配置，因此在進行串行通信之前，用戶必須通過 VISA Configure Serial Port VI對串行端口進行配置。 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。 如圖 4–5中的延遲顯示時間 (Timeout)指定傳輸一幀超時的時間，若超過這個時間將產(chǎn)生錯誤。 Baud rate(波特率 )、 data bits(數(shù)據(jù)比特 )、 parity(奇偶 )和 low control(流控制 )指定這個串行端口的參數(shù)， error in和 error out包含傳輸?shù)腻e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)動程序安裝正確的條件下，VISA通過調(diào)用底層驅(qū)動程序，經(jīng)數(shù)據(jù)采集函數(shù)，運 行已經(jīng)調(diào)試通過的數(shù)據(jù)采集程序，由數(shù)據(jù)采集卡通過 USB接口即可實現(xiàn)心電信號的上下位機之間的傳遞，即可實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的傳輸與采集?；?NILabViewDAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 4–8所示。 驅(qū)動程序的用戶接口 ( 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)信號處理模塊的設(shè)計 首先需要采集動態(tài)心電信號，進而按照硬件電路設(shè)計中的心電信號預(yù)處理過程，依次完成信號的放大、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。 通過操作前面板上的按鈕即可實現(xiàn)心電信號的放大、 高 /低通濾波、陷波等處理，以最終獲得利于心電檢測和心電圖分析的純凈信號。 167。 系統(tǒng)信息存儲模塊的設(shè)計 數(shù)據(jù)存儲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。實際的數(shù)據(jù)存儲模塊的 VI 程序很復(fù)雜，但鑒于LABVIEW 的框圖編程快捷性，本系統(tǒng)采用了簡單的正弦波、三角波等信號發(fā)生器進行了簡單的仿真模擬，用戶只需選擇一個簡單的按鈕控件，通過與信號采集系統(tǒng)的正確連線，即可順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。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。 本系統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)存儲程序框圖如 圖 4–11 所示。 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。 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別方法。在心電信號中， QRS 波占很大比例，而且分布于心電信號的中、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過程中，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 值為時間基準(zhǔn)，一一得到檢測分析，通過與正常心電信號的比較分析，進而診斷出可能的心臟疾病。常用上午心電圖監(jiān)測方法，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，它是一種時頻局部分析法，在信號頻率高的區(qū)域具有“顯微”能力，能相對準(zhǔn)確地確定出心電等微弱生物信號的特征 [ 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系統(tǒng)主要硬件及軟件部分預(yù)定功能的設(shè)計。其間包括課題設(shè)計總體方案的確定、硬件電路設(shè)計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 (LABVIEW)各功能模塊的軟件程序設(shè)計。 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。本文正是依據(jù)此類儀器的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)要求，通過自定義心功能檢測儀器功能，選擇友好的人機交互界面圖標(biāo)符號，經(jīng)程序框圖的創(chuàng)建而設(shè)計了一種基于虛擬儀器的心功能檢測系統(tǒng)。該設(shè)計過程包含了硬件部分對心電信號的放大、濾波、陷波等預(yù)處理，單片機與 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 編程時遇到不少問題。另外，許多細節(jié)問題，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)計為符合實際要求等還有待提高。心功能檢測系統(tǒng)是一個包含多種技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，很多功能都有待進一步提高。今后有機會進行后續(xù)研究時，可依次進行以下改進： 1) 增加檢測項目，如包含心臟、血管、血液、微循環(huán)四大類的各項參數(shù)，動態(tài)顯示多通道信號波形，對可能患有冠心病、血管硬化、高血脂、高血粘度的患者給出及時診斷。 2) 增加數(shù)據(jù)庫管理功能，使其能夠長期保存客戶檔案及診斷信息，可隨時 調(diào)用及打印檢測報告，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 兩種與計算機的通