【正文】 優(yōu)點是兩個電容和兩個電阻均分別相等，利于集成生產(chǎn)。將 二階低通有源濾波器電路 R 與 C 的位置互換，就構(gòu)成了的單正反饋型二階高通有源濾波器電路 ，電路如圖 3–3 所示。 截止頻率為 2121 CCRR1?2c? (3–3) 即 21211π21 CCRRf ? (3–4) 幅頻特性如圖 3–2 所示 fFcKK0 圖 3–2 低通濾波器幅頻特性 16 167。 其特點是，輸入阻抗高，輸出阻抗低 ，電路如圖 3–1 所示。 二階低通有源濾波器的工作原理 電路為典型的單端正反饋型低通有源濾波器。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。由于心電信號頻帶主要集中在 ~100 Hz，頻帶較寬，為此，可選用有源低通濾波電路和有源高通濾波電路串聯(lián)后組成的帶同濾波電路對采集 到的心電信號進(jìn)行濾波處理。根據(jù)通過信號的容許頻率范圍，可分為低通、高通、帶通、帶阻等四種濾波器。 濾波電路及二次放大設(shè)計 由 RC 元 件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，面對此頻率范圍以外的信號抑制或急劇衰減。 U1, U2 主要用于穩(wěn)定輸入信號和提高輸入阻抗，進(jìn)一步提高共模抑制比。實際上，還可在上圖基礎(chǔ)上添加由另一集成運(yùn)放 U，兩個電阻和一個電容 構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動電路，其主要是針對心電檢測系統(tǒng)中待檢測的對地浮動的差模信號問題 (通常待測信號與系統(tǒng)信號參考地之間存在一些較大數(shù)值的共模信號 )而采用的信號測量和處理方法，它可將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達(dá)到較強(qiáng)抑制 50 Hz 工頻干擾之目的。 圖 3–3 心電前置放大電路 14 由抗干擾理論與實踐證明，在傳輸弱信號的電纜線的屏蔽層加上一定電位時，將大大減小由屏蔽層與芯線之間分布電容耦合引入的干擾。為防止前置放大器工作于飽區(qū) 和或截止區(qū)，其增益不能過大，試驗表明： 10 倍左右效果較好。 AD620 輸入端具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá) 130 dB，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。它是單片低功耗、高精度、儀表放大器，有三個運(yùn)算放大器組成，并在傳統(tǒng)的三運(yùn)放方式的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn) (內(nèi)部電路略 )。 心電放大電路設(shè)計 由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大 (比心電差值幅度大幾百倍 )，因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設(shè)計時一般都采用差分放大電路。綜合以上各種條件，這里采取以下處 理過程，如圖 3–2 所示。并且心電信號中通?；祀s有其它生物電信號，加之體外以 50 Hz 工頻干擾為主的電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測量條件比較復(fù)雜。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件。 硬件電路設(shè)計框圖 本系統(tǒng)硬件部分主要完成心電信號的預(yù)處理，數(shù)據(jù)采集 (包括 USB 接口電路 )系統(tǒng)，以及踏車阻力電路的設(shè)計，以使其能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到對心電信號進(jìn)行檢測處理的效果。 心律失常 在健康 人和冠心病患者，運(yùn)動都可誘發(fā)各種心律失常，但運(yùn)動試驗陽性會伴有嚴(yán)重的心律失常，多提示嚴(yán)重冠狀病變：①在輕微運(yùn)動時或心率不很快時發(fā)生；②年齡較大者；③靜息時有早搏，運(yùn)動時早搏增多；④運(yùn)動中多源、頻發(fā)、成串的早搏 [10–16]。 NU 現(xiàn)象的發(fā)生 ，與患者心肌缺血發(fā)作、心臟舒張功能減退有密切的關(guān)系是一個對冠心病、心絞痛的診斷以及判斷心功能改變有價值的指標(biāo) 。 11 167。 Q–T 間期變化 心肌缺血主要是心肌復(fù)極異常，往往出現(xiàn) Q–T 間期延長及 Q–T 間期離散度增加。運(yùn)動試驗中 QRS 波的 變化可作為判定冠心病的一項指標(biāo)。 QRS 波振幅、間期及形態(tài)的異常變化反映了心室肌新店不穩(wěn)定性、心室肌結(jié)構(gòu)及功能紊亂，而運(yùn)動試驗則使上述表現(xiàn)更加充分，并能揭示靜息狀態(tài)下不能發(fā)現(xiàn)的問題。2 . QRS 波群的變化 有研究表明運(yùn)動試驗同樣引起冠心病患者 QRS 波振幅的變化，使之振幅降低，且欲冠狀病變支數(shù)正相關(guān)。運(yùn)動中 ST 段抬高往往是透壁性心肌缺血，反映嚴(yán)重的冠狀病變。 ST 段變化 ST 段水平型或下斜型壓低是診斷冠心病最有價值的指標(biāo)之一。一旦產(chǎn)生病變，心電圖將會表現(xiàn)為 QRS 變寬， ST 段位移改變，心率變化等。 167。 U 波 位于 T 波之后的小波，其產(chǎn)生機(jī)制尚不清楚。該值隨心率快慢而變異，心率若在 60–90 次 /分鐘時， QT 間期約為 s~ s。 10 167。 T 波 T 波為心室的復(fù)極波，方向常與 R 波方向一致。觀察 ST 段有無變化，要以 J 點后 s 或 s 為準(zhǔn)，其正常電壓值在肢體導(dǎo)聯(lián)上升高小于 mV，右側(cè)胸導(dǎo)聯(lián)升高小于 mV，左側(cè)胸導(dǎo)聯(lián)升高小于 mV，任何導(dǎo)聯(lián)水平降低小于 mV。 167。 電壓： Q 波的深度小于同導(dǎo)聯(lián) R 波的四分之一，時間小于 s 各導(dǎo)聯(lián)的 R 波和 S 波中， RV1 小于 mV， RaVL 于 mV， RaVF 小于 mV，RV5 小于 mV， RaVR 小于 mV， RV5+SV1 小于 mV。第一個向下的波叫 Q波，第一個向 上波叫 R 波，在 R 波后出現(xiàn)的倒置波稱為 S 波。 167。 167。其起點表示竇房結(jié)開始激動，終點表示兩心房激動結(jié)束。 圖 2–4 標(biāo)準(zhǔn) I, II, III 肢體導(dǎo)聯(lián) R: right arm I=EL–ER L: left arm II=EF–ER, F: left foot III=EF–EL 9 167。以 T 波為例， T 波代表晚期心室復(fù)極時的電位改變，是 S–T 段后出現(xiàn)的 8 一個占時較長的波，而 T 波低平代表心室激動過程顯著異常，或是心肌功能的改變。由于臨床上用于診斷的心電圖形是由各部分心肌細(xì)胞產(chǎn)生的動作電位綜合而成的，包含 一系列具有相同波群的心電信號，即 P 波、 QRS 波、 T 波及各個間期等。以心室肌細(xì)胞動作電位示意圖為例，如圖 2–2 所示。 此時 Na+的內(nèi)流已銳減，細(xì)胞膜對 K+和 Cl–的通透性增大，引起 K+的外流和 Cl–的內(nèi)流，其中 K+外流是主要的，使膜內(nèi)電 位 快速自 +20 mV 下降 。但 除極 過程是一個極其短暫的過程， 心肌細(xì)胞經(jīng)過除極后，又逐漸恢復(fù) 為原來的內(nèi) 負(fù) 外正狀態(tài)，即 復(fù)極 過程。這時膜內(nèi)外的電位必然改變，使原來的極化狀態(tài)遭到破壞，稱此種現(xiàn)象為 除極 現(xiàn)象。 因而使膜內(nèi)電位維持在 –90 mV 的水平上，形成了靜息電位 [14–15]。 由于細(xì)胞膜對鉀離子的通透性遠(yuǎn)超超過對鈉離子 的 通透性，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度又高于細(xì)胞外數(shù)十倍，鉀離子便會不斷地從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外滲出。在靜息狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度約為細(xì)胞外鉀離子濃度的 30 倍，相反細(xì)胞外鈉離子濃度約為細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度的 15 倍。 圖 2–1 極化狀態(tài)圖 通過實驗，測得極化狀態(tài)的單一心肌細(xì)胞 膜 內(nèi)電位為 –90 mV，膜外為零 ，這種靜息狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)外的電位差稱為靜息電位。 一片心肌是由多個心肌細(xì)胞所組成 ，這些細(xì)胞具有細(xì)長的形狀，典型的心肌細(xì)胞約長 100 μm，寬 15 μm，每個細(xì)胞都被一層厚度為 8 nm~10 nm 的細(xì)胞膜所包圍，膜內(nèi)有導(dǎo)電的細(xì)胞內(nèi)液，膜內(nèi)有導(dǎo)電的細(xì)胞間液，他們都是電解液。 6 第二章 心電信號基礎(chǔ)知識 167。主要是虛擬儀器 LABVIEW 軟件的功能概述，及本課題欲采用該軟件開發(fā)平臺所要實現(xiàn)的有關(guān)心功能檢測的編程過程和部分程序設(shè)計。 心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 踏車阻力控制電路 濾 波 處 理 接 口 電 路 前 置 放 大 L A B V I E W 前面板計程序設(shè)計 圖 1–1 總體框圖 3) 介紹課題的硬件電路設(shè)計， 給出心電信號預(yù)處理的幾種常見方法，對比選擇最優(yōu)的心電放大、濾波等處理方法。 總體方案 1) 介紹與課題相關(guān)一些背景知識，如心電信號的產(chǎn)生機(jī)理，心電圖的分析及心功能檢測儀的發(fā)展等。因而，本設(shè)計從儀器的便捷性、準(zhǔn)確性、智能性和人機(jī)交互界面的友好性等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以期能夠提高心功能檢測系統(tǒng)的技術(shù)性能，從而減少醫(yī)院設(shè)備投入和節(jié)省患者就醫(yī)費用，促進(jìn)我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展 [13]。因而，利用計算機(jī)分析能力強(qiáng)、存儲空間大、可裝載多種仿真軟件且便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和打印等便捷資源，結(jié)合集成電路技術(shù)、心臟疾病的心電診斷等依據(jù)，可設(shè)計 出 基于虛擬儀器的由計算機(jī)控制的、簡便、開放、靈活、實用的心功能檢測系統(tǒng)，這樣既能輔助醫(yī)生更好 地 進(jìn)行診斷，又能提高醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)效益。但是，目前大多廠家研發(fā)生產(chǎn)的心功能檢測儀與心電監(jiān)護(hù)儀是兩套分別獨立的產(chǎn)品，不利于心血管疾病患者的快速監(jiān)測診斷，醫(yī)生使用起來也較為復(fù)雜、繁瑣，并且還會加大醫(yī)院的設(shè)備 投資和患者的就醫(yī)費用。 眾所周知，心電信號幾乎涵蓋了所有心功能正常與否的信息，是評價心臟功能的主要依據(jù)，因而也是心血管疾病最基本的檢測和監(jiān)護(hù)參數(shù)。 研究目的及意義 近些年來，隨著人們生活水平的日益提高，不合理的飲食和作息習(xí)慣使得心血管類疾病的發(fā)生率逐年增高，如冠心病、心絞痛、心肌缺氧、心慌胸悶、心肌梗塞等多種心功能不全疾病。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，還可與醫(yī)院的醫(yī)院信息系統(tǒng) (HIS)進(jìn)行直接聯(lián)機(jī)，以實現(xiàn)有用信息的資源共享和對比分析等?？紤]到心電圖數(shù)據(jù)的海量性，目前科研人員又結(jié)合計算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)，著手于心電自 動分析系統(tǒng)的研究，以實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的自動分 4 類和智能診斷，并使其具備對心電數(shù)據(jù)、病人信息、醫(yī)生診斷分析等數(shù)據(jù)的管理功能，對心血管疾病的分析和診斷有著十分重要的意義 [8]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用計算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)和單片機(jī)等技術(shù)設(shè)計而成的醫(yī)用電子監(jiān)護(hù)已逐漸應(yīng)用于臨床診斷。 另外，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得國內(nèi)外心電檢測系統(tǒng)的研發(fā)更有了新的突破。并且，經(jīng)過廣大科研人員的努力，我國也已生產(chǎn)出了適合我國國情的特別適合廣大 中小醫(yī)院使用的心電儀系列，如深圳邁瑞、上海光電、廣東寶萊特等公司 [ 5]。目前國內(nèi)外逐漸有相關(guān)的心功能檢測產(chǎn)品問世，并逐漸趨于多通道導(dǎo)聯(lián)的心電監(jiān)護(hù)裝置，體積和重量都大幅減小，且大多產(chǎn)品采用內(nèi)置液晶顯示屏，中英文分析，操作十分簡便。美國在 20世紀(jì) 50 年代首先研究用計算機(jī)來處理心電圖，并逐漸用于臨床，可長時間監(jiān)測病人在各 種工作、生活等狀態(tài)下的心肌生理變化和病變情況及嚴(yán)重程度。 3 第一章 緒 論 167。同時，本心 功能 檢測系統(tǒng)還具有良好的專用性、相通性和開放性。 通過 本次基于 虛擬儀器 的 心 功能 檢測系統(tǒng)這個課題的研究，認(rèn)識到虛擬儀器技術(shù)是開發(fā)自動化，柔性化和網(wǎng)終化測量儀器的有效方法。 本文使用所開發(fā)的虛擬儀器心 功能 檢測系統(tǒng)，在 虛擬 操作中對系統(tǒng)各功能模塊的具體應(yīng)用情況進(jìn)行了檢驗，完成了在 設(shè)計中 的任務(wù) 要求。本部分著重介紹了圖形化編程語言 LABVIEW的特點，及其在本課題設(shè)計過程中的重要應(yīng)用，包括系統(tǒng)設(shè)計主要模塊的前面板和程序流程圖設(shè)計。第三章主要是本系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，給出了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計方法及其選取，包括心電放大電路、濾波電路、 USB接口電路等的設(shè)計。 緒論部分 主要介紹了心 功能檢測系統(tǒng) 的研究意義、 研究現(xiàn)狀及設(shè)計的總體方案。本文對 心功能檢測 系統(tǒng)作了 多方面的 的 比較分析 ， 參考市場上的多種類似心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，最終 確定了 課題研究的硬件和 軟件 各主要 模塊 的 組成 ，并側(cè)重 完成了 LABVIEW軟件開發(fā) 平臺下 的 虛擬 檢測 系統(tǒng)各個模塊的具體設(shè)計，開發(fā)了 VISA串行通信，數(shù)據(jù) 采集 ，數(shù)據(jù)處理 和數(shù)據(jù)存儲等 模塊。 本課題 正是 將測量儀器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合為一體，構(gòu)建以計算機(jī)及 LABVIEW軟件為核心的虛擬 心電 檢測系統(tǒng)，模擬醫(yī)療領(lǐng)域 的心電檢測系統(tǒng)，以期能推動虛擬儀器技 術(shù)在醫(yī)療測試領(lǐng)域中的普及應(yīng)用。因此，關(guān)于心電信號的處理和分析的研究顯得越來越重要了 [ 3]?？梢钥闯?，虛擬儀器開發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時期。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣，簡單。 LABVIEW 集成了與滿足 GPIB，VXI， RS–232 和 RS–485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP， ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。 而 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺 LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言 [2]。 系統(tǒng)信息的分析 ......................................................... 32 總 結(jié) ......................................................................