基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電儀的設(shè)計

 0 引言

心血管疾病日益嚴重地威脅著人類的生命，通過日常監(jiān)護預(yù)先發(fā)現(xiàn)異常，及時施救，是對抗心血管疾病的重要手段。近年來一些便攜式的家用心電儀陸續(xù)誕生，滿足了心電參數(shù)快速采集的基本需求，改善了家庭護理條件。隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠程監(jiān)護系統(tǒng)應(yīng)運而生，遠程數(shù)據(jù)采集和分析對便攜式心電儀在信息可視化、數(shù)據(jù)記錄分析以及資源共享等方面提出了新的需求。

虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測試系統(tǒng)。它以計算機作為統(tǒng)一的硬件平臺，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，兼具傳統(tǒng)儀器的功能和計算機智能資源。利用虛擬儀器強大的數(shù)據(jù)分析和圖形界面功能，開發(fā)小型化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的家用心電儀，可以很好地實現(xiàn)信息可視化、數(shù)據(jù)分析和遠程共享功能。

本文設(shè)計了一種基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監(jiān)護系統(tǒng)(如圖1)，重點介紹可移動終端與虛擬分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)?？梢苿咏K端基于51單片機與相關(guān)的模擬電路開發(fā)實現(xiàn)，虛擬分析儀則通過計算機上的LabVIEW軟件編程實現(xiàn)?；颊叩男碾娦畔⒂煽梢苿咏K端采集，經(jīng)處理得到標準化的數(shù)字信號，無線傳送至虛擬分析儀，實現(xiàn)圖形化的顯示、記錄與數(shù)據(jù)分析功能。虛擬分析儀還能通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與專業(yè)醫(yī)療機構(gòu)的信息共享，達到對特定對象重點監(jiān)護的目的。

1 可移動終端

可移動終端實現(xiàn)心電信號的采集、傳輸與就地顯示，由心電信息采集模塊、主控制器、顯示模塊、電源模塊和無線通訊模塊五部分組成(圖2)。

1.1 心電信息采集模塊

體表心電信號極其微弱，極易夾雜噪聲干擾，心電信息采集模塊就是通過反復(fù)的放大與濾波來提取其中的有效信息。信號處理步驟主要包括：前置放大、帶通濾波、工頻陷波、次級放大和電平抬升(圖3)。

前置放大部分采用具有高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路。帶通濾波部分由高通濾波器和低通濾波器組成，設(shè)計通頻帶為0.3～100Hz。50Hz工頻干擾采用雙T陷波電路來抑制。濾除噪聲之后，還需經(jīng)過次級放大與電平抬升以使波形覆蓋A/D采樣的電壓范圍，保證轉(zhuǎn)換精度，通過同相放大電路與加法電路實現(xiàn)。信號最后輸出到主控制器STC12C5A08AD的A/D模塊。

為保證系統(tǒng)的性能，前置放大電路采用高精度、高輸入阻抗儀表放大器AD620，其他電路均選用高精度低噪聲運算放大器OP07來設(shè)計。

1.2 電源模塊

系統(tǒng)采用5V鋰電池供電，但由于運算放大器需要正負電源供電，所以通過LMC7660來設(shè)計一個-5V的電壓轉(zhuǎn)換電路。LMC7660是高度集成的CMOS電壓轉(zhuǎn)換器，只需外接一個10 μF的充電電容(圖4)，具有寬工作電壓范圍與高電壓轉(zhuǎn)換效率的特點。

1.3 無線通訊模塊

無線通訊模塊是聯(lián)系可移動終端與虛擬分析儀的紐帶，保證了系統(tǒng)的便攜性與靈活性。選用APC220集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，為底層設(shè)置提供了通用接口，方便在線修改參數(shù)，無需編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，大大提高了開發(fā)效率。其引腳定義如表1所示。

可移動終端與虛擬分析儀各配一塊APC220模塊，終端與APC220直接通過串口(RXD、TXD)連接，分析儀則通過TTL-USB轉(zhuǎn)換器與APC220通訊。

1.4 主控制器與顯示模塊

主控制器是整個可移動終端的核心，接收信息采集模塊輸出的波形，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出功能，選用51內(nèi)核的單片機STC12C5A08 AD。STC12C5A08AD是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k字節(jié)Flash，1280字節(jié)RAM，內(nèi)部集成8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換通道。顯示模塊選用點陣式圖形液晶顯示屏FYD12864，分辨率為128×64點，帶中文字庫。

主控制器電路包括時鐘電路、復(fù)位電路、A/D接口電路、顯示接口電路和串行通信電路(圖5)。單片機通過P1.0(ADC0)口接收采集模塊的輸出信號;通過地址線(P2.3，P2.4)、數(shù)據(jù)線(P0口)、控制線(P2.0，P2.1，P2.2，P2.5)控制12864顯示屏;通過串行口(P3.0，P3.1)與通訊模塊相連。復(fù)位電路包括上電復(fù)位與按鍵復(fù)位;晶振的時鐘頻率選為11.0592MHz，確保精確的通信波特率。

STC12C5A08AD兼容標準8051指令系統(tǒng)，采用工程上普遍使用的C51語言來編寫程序。主要包括A/D轉(zhuǎn)換、串口發(fā)送和波形顯示。

首先設(shè)置串口的工作方式、波特率，選擇STC12C5A08AD自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道ADC0，定義其工作在單端方式，通過定時器溢出觸發(fā)方式來啟動A/D轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換完成自動進入中斷服務(wù)程序，將結(jié)果存入RAM。再將RAM中的數(shù)據(jù)寫入串口緩存器SBUF，完成串口發(fā)送。程序流程如圖6所示。

波形顯示主要通過定時刷新液晶屏圖片的方式來實現(xiàn)。屏幕橫軸表示時間刻度，縱軸表示電壓值;根據(jù)橫向分辨率定義一個長度為128的數(shù)組。每隔一定的時間，根據(jù)當(dāng)前RAM存入的數(shù)據(jù)a點亮坐標(1，a)，同時將之前點亮的點全體向右移動一格，并將數(shù)組長度減1。待數(shù)組長度減至0，則清屏重新開始，如此往復(fù)循環(huán)。程序流程如圖7所示。

2 虛擬分析儀

虛擬分析儀包括無線通訊模塊與計算機，無線通訊模塊在1.3小節(jié)中已有詳細介紹，計算機為普通家用計算機。該部分是整個系統(tǒng)的樞紐，承擔(dān)著信息展示、綜合分析與資源發(fā)布等功能，通過LabVIEW軟件編程實現(xiàn)，其功能結(jié)構(gòu)與工作流程如圖8所示。

虛擬分析儀采用NI公司的LabVIEW8.5軟件進行開發(fā)，其面板采用圖形化的編程語言(G語言)進行開發(fā)，設(shè)計了通訊端口設(shè)置、心電圖顯示存儲、心率計算、健康狀況評估、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能模塊。程序流程圖如圖9所示，首先設(shè)置通訊端口參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)并通過波形圖的方式顯示與保存;同時通過波形圖計算心率，并存入數(shù)據(jù)庫;根據(jù)數(shù)據(jù)庫建立的模型與實時心率綜合分析患者當(dāng)前的健康狀況，并將波形、心率、評估信息通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享。

2.1 通訊端口設(shè)置

無線通訊模塊與分析儀通過USB映射的虛擬串口通訊，不同的終端設(shè)備通過串口號來區(qū)分。同時，還需設(shè)置數(shù)據(jù)格式和傳輸速率，以便相互匹配。該功能利用LabVIEW自帶的visa驅(qū)動來開發(fā)，端口號為COM3，波特率9600b/s，8bit，1位停止位，無奇偶校驗位。

2.2 心電圖顯示與存儲

心電圖顯示是將從通訊端口讀取的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示在面板上，同時將歷史波形以文件的形式存儲，隨時調(diào)用回放。波形顯示利用LabVIEW自帶的波形圖控件，將串口讀入的值轉(zhuǎn)化成數(shù)組，再轉(zhuǎn)化成圖形顯示在面板上。波形存儲則利用”寫入波形至文件”函數(shù)實現(xiàn)，用條件結(jié)構(gòu)來控制其運行。

2.3 心率計算與分析

由于心電圖波形信號成分比較復(fù)雜，波形的頻率并不直接等于心率，所以心率的計算需要基于波形圖像的分析來實現(xiàn)。通過觀察波形可知，一次心跳伴隨著一個較窄的尖峰脈沖，只要準確地捕捉到尖峰脈沖，就能求得心率。對尖峰脈沖的檢測，可以調(diào)用LabVIEW自帶的“波峰檢測”函數(shù)，注意合理的閾值和寬度設(shè)置，需要在實驗過程中反復(fù)調(diào)試。心率計算的算法為：

式中，F(xiàn)表示心率，T表示相鄰波峰時間間隔，l表示相鄰波峰索引位置之差，t表示相鄰兩點采樣時間間隔，f表示采樣頻率。

“波峰檢測”函數(shù)計算出當(dāng)前波峰所處的索引位置，利用移位寄存器可以求出相鄰兩波峰的索引位置之差l，將其乘以相鄰采樣點的時間間隔t，得到相鄰波峰的時間間隔，也即兩次心跳的時間間隔，從而得到心率。

分析儀將長期監(jiān)測得到的波形和心率數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，綜合時間、環(huán)境、既往病史等因素建立患者的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀８鶕?jù)大量的數(shù)據(jù)計算出患者的心率平均值、正常心率范圍等參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前的測量值，給出異常狀況的提醒與分析，實現(xiàn)對健康狀況的初步評估。

2.4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能為遠程訪問提供了一個客戶端接口，醫(yī)療機構(gòu)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)從web瀏覽器直接訪問虛擬分析儀，獲取最及時的患者信息，進行更為專業(yè)的分析與診斷。利用“Web發(fā)布工具”，設(shè)置查看方式與URL地址，即可實現(xiàn)該功能。

3 實驗結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計、制板、安裝、聯(lián)調(diào)，運行穩(wěn)定之后，選取健康志愿者進行測試。測試實驗原理如圖10所示，體表信號通過心電導(dǎo)聯(lián)進入可移動終端，在虛擬分析儀面板上顯示心電圖波形、心率以及分析結(jié)果：同時，用示波器測量心電信息采集模塊的輸出信號，以此作為真實的心電圖波形，人工計算心率真實值，對分析儀顯示的結(jié)果進行校驗。

以一名志愿者的實驗數(shù)據(jù)為例，分別得到心電信息采集模塊輸出的波形(圖11)和虛擬分析儀的運行界面(圖12)，兩種方法得到的測試數(shù)據(jù)對比如表2所示。同時，分析儀的心率數(shù)據(jù)以儀表盤的形式圖形化顯示，數(shù)據(jù)分析面板顯示為“正常”，遠程訪問的功能也基本實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，心電儀波形失真小、測量精度較高、數(shù)據(jù)分析功能強、可視化程度高，達到了預(yù)期目標。

4 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電儀遵循模塊化的設(shè)計理念，以低廉的硬件成本實現(xiàn)了對患者心電信息的采集、顯示、存儲和分析，具有靈活便攜、可靠性高的特點;借助計算機與LabVIEW軟件強大的數(shù)據(jù)計算能力，開發(fā)了人性化的信息集成與數(shù)據(jù)分析功能，對異常狀況及潛在威脅給予提醒，達到預(yù)防保健的目的;開放式的網(wǎng)絡(luò)訪問接口便于專業(yè)醫(yī)療機構(gòu)對患者進行重點監(jiān)護，進一步保障了患者的生命安全。具有較強的臨床實用價值。