【正文】 2) 增加數據庫管理功能，使其能夠長期保存客戶檔案及診斷信息，可隨時 調用及打印檢測報告，具有智能查詢客戶資料功能。該設計過程包含了硬件部分對心電信號的放大、濾波、陷波等預處理，單片機與 PC及之間的數據通信及 LABVIEW 軟 件部分的編程等步驟，內容較為煩瑣，尤其是在 LABVIEW 編程時遇到不少問題。 33 總 結 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定功能的設計。 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。實際的數據存儲模塊的 VI 程序很復雜，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，即可順利實現數據的存儲。該模塊前面板如 圖 4–9所示，相應的程序框圖如 圖 4–10所示?；?NILabViewDAQ的數據采集系統(tǒng)結構如 圖 4–8所示。 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生錯誤。在其余別的平臺中寫數據都是異步進行的。 (5)報告是否有錯誤發(fā)生，錯誤首先在哪里發(fā)生。 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，為數據傳送做準備工作。作為一種常用的數據傳輸方法，即通過一個簡單的數據線由一個發(fā)送者發(fā)送數據，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 (例如一臺可編程儀器 )，或者與另外一臺計算機之間的通訊。 系統(tǒng)信號采集模塊的設計 基于 LABVIEW 的醫(yī)學測量系統(tǒng)和其他電子類測量儀器一樣，都是由數據采集、數據分析和結果顯示三部分組成。其主要功能模塊設計如下。 為了簡化整體程序框圖的設計，可將各功能模塊的程序設為子 VI，以方便調用。 圖 4–3 總體前面板 在細節(jié)設計階段，應按照軟件的 結構確定每個模塊的設計指標、輸入輸出及完成的功能，主要是各個子 VI 的設計與創(chuàng)建及其參數設置等。 系統(tǒng)需求分析 結構設計 程序調試 細節(jié)設計 編寫代碼 圖 4–1 虛擬儀器軟件開發(fā)流程 26 針對本設計的系統(tǒng)需求，該系統(tǒng)需完成心電圖的數據采集、數據處理、數據顯示和數據存儲等設計任務。用戶必須指定連線端口與前面板的控制和顯示一一對應 [21–23]。對程序框圖的設計涉及到數據端口、節(jié)點、圖框和連線等的設計。 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、設置輸入參數和觀測輸出量等，常由開關、旋鈕、按鈕、圖形、圖標等構成。另外，個人計算機的參與大大提高儀器的數據處理能力。這是因為虛擬儀器能夠借助于計算機的軟硬件平臺，只需 配以少量的輔助設備 (或器件 )，就能構成功能適合用戶要求的儀器。相對于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有明顯的優(yōu)點：靈活性、高性價比、技術更新快、易于網絡化、能夠實現傳統(tǒng)儀器不可能實現的功能。 軟件開發(fā)平臺 — LABVIEW 目前，虛擬系統(tǒng)應用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：一種是基于傳統(tǒng)的文本語言式平臺，主要是 NI 公司 LabWindows, Visual C++, Delphi 等；另一種是基于圖形化工程環(huán)境的平臺，主要是 HP 公司的 HPVEE， NI 公司的LABVIEW 等。踏車運動實驗負荷量為 1–7 級，需 7 檔調節(jié)，因此需要設計一種 8 通道的踏車控制電路，通道 1–7 為阻力調節(jié)，通道 8 控制踏車體制轉動。由于 Windows 操作系統(tǒng)中已包含了總線驅動程 序和一些群組驅動程序，因此用戶只需編寫自己的用戶設備驅動程序或選用Windows 提供的群組驅動程序即可。尤其是它與筆記本電腦相結合構成移動式心電信號檢測分析儀 時 ， 可 方便地應用于野外、救護車、病房等傳統(tǒng)心電分析儀不便使用的場合，具有很高的實用推廣價值。 CY7C64613 支持 USB 協議 同時可支持12 Mbps 的全速傳輸。目前各個廠商推出的 USB 芯片類型 很 多，功能各異。 USB 接口電路的設計 計算機的使用使得 心電檢測 系統(tǒng)在信號分析、儲存、打印等方面比傳統(tǒng)的心電圖機具有明顯的優(yōu)勢。本系統(tǒng)可選擇內部時鐘源，頻率16 MHz，并采用內部電壓基準 VDD。 這些特點使得 C8051F206 非常適合作為本數據采集系統(tǒng)的控制器。 單片機采集電路的設計 12 通道心電數據采集系統(tǒng)的各路心電信號可從人體體表不同部位獲取。 167。其截止頻率約為 35 Hz，Q 約為 7，可符合實際要求。 fFoKK0 圖 3–7 50 Hz 陷波電路 (有源帶阻濾波電路 )的幅頻特性 其中中心頻率為 21212c 1CRR?? (3–13) 而 π100π2 0c ?? f? (3–14) 一旦確定了 C1 和其中一個電阻，陷波電路參數便可以完全確定下來，具體參數值如下所示， 取 C1= R1=R2= ?k R3=21 R1= ?k 167。由于 陷波器是利用壓電效應制成的帶阻濾波器 ,其 作用 便 是阻止或濾掉信號中有害分量對電路的影響 ，因而，這里可以采用常規(guī)的有源陷波器，即二階有源帶阻濾波進行 50 Hz 工頻干擾的濾波處理。 18 圖 3–5 二次放大電路 放大倍數為rf1 RRG ?? 。 同理：二階高通濾波電路的參數設置也可采用對偶形式進行設計。 二階高通有源濾波器的工作原理 二階高通有源濾波器和二階低通有源濾波器的幅頻特性具有對偶關系。它是由兩節(jié) RC 濾波電路和同相放大電路組成，其中 由具有正相增益的常用二階低通濾波器電路，運放和它的兩個連接電阻形成的 同相比例放大電路實際上就是所謂的壓控電壓源 (VCVS)。為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，可在一節(jié)濾波電路中再加一節(jié) RC 濾波環(huán)節(jié)，構成二階有源濾波電路。該類有源濾波電路具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、調理方便等優(yōu)點，因而被廣泛用于信息處理、數據傳輸、抑制干擾等方面。但此種做法會使電路變得很復雜，參數也不易設置，所以這里采用了后面的 50 Hz陷波器對工頻干擾進行了相應的濾波處理。前置放大電路如圖 3–3 所示。作 為一種 低功耗的儀用放大器， AD620 特別適合做小信號的前置放大級，經 AD620 放大后的小信號失真度很小，加一 級 AD620 組成的前置放大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設計要求的范圍內 。 前置放大 帶通濾波 二次放大 5 0 H z 陷波 3 5 H z 陷波 A / D 轉換 圖 3–2 心電數據采集系統(tǒng)原理框圖 13 167。人體心電信號的主要頻率范圍為 ~100 Hz，幅度約為0~4 mV，信號十分微弱。 12 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設計 167。 U 波變化 運動后 U 波倒置是冠心病診斷的一條重要線索，對 ST 段無變化的病例更具診斷意義，其多見于左前降支或左主干明顯的狹窄。 167。 QRS 波反映興奮在來那個心室肌傳播過程的電位變化，心肌缺血時心肌細胞內鉀離子減少，鈉離子增加，使靜息膜電位降低、心肌細胞 0 相及 1 相傳到速度和幅度降低，減慢浦氏纖維等的傳導速度，因此，心電圖 QRS 波時限延長，振幅降低。目前仍為運動試驗陽性的主要標準， ST 段下移程度越重、越早、持續(xù)時間越長、陽性導聯數越多，則心肌缺血越重。 心電圖的臨床診斷意義 心電圖反映了心臟在興奮的產生、傳導和恢復過程中的 電位變化，且在每個心動周期內，心電由竇房結細胞產生興奮，依次傳向心房和心室，包含了大量心電信息，各段心電圖的變化均可作為心臟疾病 (如傳導阻滯、早搏、室顫、房顫、心肌缺血、梗塞等 )診斷的依據。 167。 T 波的形狀與幅度在不同導聯變化較 大，可以直立、倒置、雙向或低平，且在 R 波為主的導聯中 T波不應低于 R 波的十分之一。 ST 段 ST 段為 QRS 波群終點到 T 波起點的一段等位線，代表心室除極完畢到復極開始的一段時間，其開始部位 ST 交接點成為 J 點。 時程：正常人為 s~ s，兒童為 s~ s。 PR 間期 PR 間期是 P 波起點至 QRS 波起點的時間間隔，它表示激動從竇房結發(fā)出，經結間傳導束，房室交界區(qū)心室肌興奮，該過程所需時間，成人為 s~ s，兒童不超過 s。 P 波 P 波反映左右兩心房的電激動過程，也叫心房除極波。典型心電波形如圖 2–3 所示，從心電圖中可以觀察到各心電波段的信息。復極結束后， 整個心肌細胞恢復極化狀態(tài) ，完成一個心電周期。 心肌細胞受刺激時鈉通道開放，細胞膜對 Na+的通透性急驟升高，使細胞外液中的大量 Na+滲入細胞內，膜內電位從靜息狀態(tài)的 –90 mV 迅速上升到 +30 mV，當一個心肌細胞的甲端受刺激而首先除極，由于 Na+的內流使此處膜內變?yōu)檎娢唬ね庾優(yōu)樨撾娢?，并且興奮可沿著細胞依次向下傳播。當鉀離子外滲時，氯離子亦隨之外滲，但因細胞膜本身帶有負電荷，氯離子滲出受阻，就使較多的鉀離子滲出到膜外，而未能滲出的游離型陰離子 (主要是蛋白陰離子，其次是氯離子 )留在膜內，使 7 膜內電位顯著低于膜外。極化狀態(tài)時靜息電位的恒定，有賴于細胞的代謝活動，細胞內外鉀離子及鈉離子濃度的比值以及細胞膜對鉀、鈉、鈣、蛋白質、氯離子等具有不同的通透性。 心電圖的產生及其特點 心電圖是在心臟有規(guī)律地收縮和舒張過程中，各部分心肌細胞產生的動作電位綜合而成的一系列具有相同波群的心電信號構成的波形，可從體表或胸腔測得，經放大后被顯示或描記下來，然后 用于心臟疾病的診斷分析，具有較大的臨床意義 [14]。 4) 介紹課題的軟件設計。 5 167。隨著信息現代化的發(fā)展，尤其是虛擬儀器技術的出現，改變了許多儀器的設計和生產方式，進而基于虛擬儀器的生物醫(yī)學儀器也開始出現 [10–12]，使得利用計算機網絡和通訊技術來提高心功能檢測和分析系統(tǒng)的綜合設計，逐漸成為可能。它們嚴重威脅著人類的健康和生命，因而，如何及時準確地輔助醫(yī)生檢測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課題 [9]。 總之，目前的心電檢測系統(tǒng)逐漸趨于便攜式、智能化、多導同步檢測且又節(jié)約成本等方向發(fā)展。作為計算機網絡技術與傳統(tǒng)儀器融合的產物，虛擬儀器以其傳統(tǒng)儀器無可比擬的優(yōu)勢，利用 LABVIEW 或 LABVIEW 圖形化語言編程，將心電電極采集的信號進行顯示、分析、存儲、打印等處理，性能可靠、工作穩(wěn)定，大大降低了心電信號采集系統(tǒng)的成本 [ 7]。我國各大城市的主要醫(yī)療單位也都已能進行此項檢查，并積累了不少臨床經驗。 研究背景及國內外研究現狀 德國的西門子和霍爾斯克公司在心電處理方法上做出了突出的貢獻：他們率先在其制造的儀器上采用了真空管和示波器兩大技術，這不僅大大提高了儀器的靈敏度，而且導致體積的小型化和信號記錄的屏幕化?；趫D形編程語言開發(fā)平臺的 LABVIEW能大幅度縮短虛擬儀器應用程序的開發(fā)周期。之后是論文的總結部分，包括本次設計中存在的一些問題及其解決方法， 并對課題的研究做了一些展望。第二章則側重介紹了心電及心電圖的一些基礎知識及其對臨床診斷的重要意義。在對虛擬儀器技術進行了廣泛的地探討與研究和對多種測試系統(tǒng)構建方案進行分析的基礎上，確定了以 NI公司 的 軟件開發(fā)平臺 LABVIEW的測試方案 [4]。 其中，在醫(yī)療領域， 心臟病已被公認為 威脅人類健康的最嚴重的疾病之一 ， 我國人口的心臟病發(fā)病率很高 ， 呈逐年遞增的趨勢，所 以心臟病的防治和診斷已成為當今醫(yī)學界面臨的主要問題，而心電信號 (electrocardiogram， ECG)是診斷心血管疾病的重要依據。這是一個功能強大且靈活的軟件。 1 前 言 虛 擬儀器 (Virtual Instrument)是隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、現代測量技術、電子儀器技術的發(fā)展而產生的一種新型儀器 [ 1]。 系統(tǒng)信號采集模塊的設 計 ......................................... 27 167。 軟件開發(fā)平臺 —LABVIEW ................................................. 24 167。 數據采集系統(tǒng)的設計 ........................................................... 20 167。 二次放大電路設計 ..................................................... 17 167。 濾波電路及二次放大設計 ................................................... 14 167。 U 波變化 ........................................................................11 167。 心電圖的臨