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[導(dǎo)讀]摘要:介紹了基于虛擬儀器的家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)人體心電信號的特征,設(shè)計了性能優(yōu)良的心電信號調(diào)理、采集電路;利用NI公司的USB6008作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備,配置了DAO數(shù)據(jù)采集卡。利用LabVIEW友好的圖形化界面和流程圖

摘要:介紹了基于虛擬儀器的家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)人體心電信號的特征,設(shè)計了性能優(yōu)良的心電信號調(diào)理、采集電路;利用NI公司的USB6008作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備,配置了DAO數(shù)據(jù)采集卡。利用LabVIEW友好的圖形化界面和流程圖設(shè)計軟件,設(shè)計了用戶登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊,數(shù)據(jù)存儲模塊,波形存儲模塊,診斷報警模塊等模塊。
關(guān)鍵詞:心電信號;MSP430;數(shù)字濾波

    由于人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快和環(huán)境污染等一系列因素的影響,心臟病、高血壓等心腦血管疾病進(jìn)入高發(fā)期,這類疾病的發(fā)作具有隱藏性、突發(fā)性和極大危險性,一般需要通過心電監(jiān)護(hù)儀對心電進(jìn)行實時監(jiān)護(hù)。若病人在家進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)既可緩解醫(yī)院病床、醫(yī)護(hù)人員等醫(yī)療資源的壓力,又可減輕病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),本文正是在這種背景下設(shè)計了一個基于虛擬儀器的家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 心電信號的硬件采集電路
    通過體表電位提取出的心電信號屬于強(qiáng)噪聲背景下的生物電信號,它具有一般生物信號的特點(diǎn):1)信號強(qiáng)度微弱;2)不穩(wěn)定性;3)低頻特性;4)隨機(jī)性。在利用電極采集心電信號的過程中,常常摻雜著各種各樣的噪聲。由于心電信號比較微弱,極易受到外部環(huán)境的影響。來自心臟以外的人體器官也會產(chǎn)生生理信號,這種生理信號會嚴(yán)重干擾心電信號的識別,甚至完全湮沒心電信號。還有,外部機(jī)器設(shè)備的信號噪聲干擾等,都會對心電信號的測量、波形識別和病癥診斷帶來不利影響。


    本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計如圖1所示,首先由體表前置電極采集心電信號,經(jīng)放大電路放大(包括前置放大和次級放大電路),心電濾波電路濾波(低通和高通濾波電路),50Hz工頻陷波器陷波濾除工頻干擾,最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集輸入計算機(jī),進(jìn)行后期處理,其中還包括檢測電極是否脫落電路。
1.1 前置運(yùn)算放大電路
    為了克服測量生物電時伴隨的較強(qiáng)的共模干擾(主要是50Hz干擾),在生物電放大器的前置級通常采用差動放大以提高共模抑制比。


1.2 次級放大電路
    由于前置運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)有限(一般不大于30倍)。信號放大倍數(shù)不足,在實際應(yīng)用中往往要求輸出信號為伏級,需要次級放大電路,又由于經(jīng)前置運(yùn)算放大器放大的信號變?yōu)榉聪?,因此采用反相比例放大電路。則,最終輸出信號與輸入信號同相。


    本設(shè)計中反相放大器的放大倍數(shù)為30。與前置放大器的放大倍數(shù)相疊加后,總的放大倍數(shù)可達(dá)600倍,可以將毫伏級的心電信號放大到伏級,并處于0V到1.8V之間。
1.3 心電信號濾波電路
    為使電路具有較窄的過渡帶和較好的濾波效果,本文采用壓控電壓源二階低通濾波電路進(jìn)行濾波,電路如圖4所示。該電路由兩級RC濾波器串聯(lián)和同相放大電路組成。其中同相放大電路實際上就是所謂的壓控電壓源,它的電壓增益就是低通濾波的通帶電壓增益。


    由于心電信號微弱,且頻率為0.5~100Hz,需要多級濾波,必須設(shè)計高通濾波電路,這里采用壓控電壓源二階高通濾波器。電路如圖5所示。


1.4 50Hz工頻陷波電路
    心電信號微弱,易于受到外界信號干擾,特別是在此頻段內(nèi)容易受到強(qiáng)烈的干擾源,如50Hz或60Hz市電電剛信號的影響。為了去除系統(tǒng)中產(chǎn)生的50Hz交流干擾,本設(shè)計采用了雙T網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。Q越高,頻率選擇性越好,但是Q值越高,濾波器總體的性能不穩(wěn)定,當(dāng)Q值過大時,將在50Hz附近丟失過多的信號,產(chǎn)生波形失真,對于包含50Hz的信號是不利的。


1.5 電極脫落檢測電路
    由于患者在使用便攜心電監(jiān)護(hù)儀時行動是不受限制的,患者在身體活動時,貼在患者身上的導(dǎo)聯(lián)極有可能發(fā)生松動或脫落的現(xiàn)象。如果在采集心電信號時出現(xiàn)電極脫落,或?qū)щ姼喔稍锒蓜踊蛎撀涞那闆r,但未被患者察覺,采集到的數(shù)據(jù)將失去意義。
    因此,電極導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路是十分必要的,電路如圖7所示。


    U3A采用LM324,構(gòu)成電壓跟隨器,以隔離前后電路,使其不相互影響。R3、R4、R5、C2組成低通濾波器,防止50Hz工頻干擾使其誤翻轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)
    本文用美國國家儀器有限公司(NI)開發(fā)的虛擬儀器編程軟件LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺,利用其強(qiáng)大的界面及控件設(shè)計功能和信息處理能力,進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)的信息處理。選擇了NI公司的USB6008作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。


    系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要包括以下幾個模塊:用戶登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、波形存儲模塊和診斷報警模塊等,如圖8所示。
2.1 系統(tǒng)主界面設(shè)計
    系統(tǒng)軟件主界面是系統(tǒng)的核心界面,操作者可通過點(diǎn)擊界面上的按鈕實現(xiàn)軟件的功能,其中在主界面上顯示心電信號波形、用戶信息、心電信號測試數(shù)據(jù),和心率診斷情況,還包括系統(tǒng)停止按鈕和信息存儲按鈕,如圖9所示。


    用戶界面顯示采集到的心電信號,操作者可以輸入用戶信息,系統(tǒng)將自動顯示受試者的心電波形信息,并對心率進(jìn)行診斷,可以判斷心率正常、心律不齊、心動過速、心動過緩等;當(dāng)需要保存用戶信息時,點(diǎn)擊“保存至文件”按鈕,可以對信息進(jìn)行保存;當(dāng)需要停止系統(tǒng)時,點(diǎn)擊“停止”按鈕,系統(tǒng)就自動停止工作。
2.2 用戶登錄模塊
    用戶登錄模塊也可以稱為患者信息記錄模塊,主要為了錄入使用者的個人信息,便于醫(yī)生查看和與相應(yīng)的心電信號對應(yīng)存放。錄入的信息主要是與疾病診斷和預(yù)防有關(guān)的個人信息,包括姓名、性別、年齡,如圖10所示。此外,還可以設(shè)置密碼,以便專用人員才可以錄入、查看和修改患者的個人信息,保護(hù)患者個人隱私的安全。


2.3 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過設(shè)備驅(qū)動程序接口完成對DAQ數(shù)據(jù)采集卡的初始化工作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理過程中,信號必然要受到外界干擾和內(nèi)部噪聲的影響,雖然我們對信號進(jìn)行了濾波處理,來消除外部干擾,但由于硬件電路內(nèi)部的噪聲仍然存在,噪聲不能消除,只能抑制。為了改善信號的質(zhì)量,方便后期處理,可以在軟件中采用五點(diǎn)平滑消噪法,以抑制噪聲的影響。


    X[t]和Y[t]分別為原始信號采樣數(shù)據(jù)和處理后的信號采樣數(shù)據(jù),圖11為五點(diǎn)平滑消噪法處理信號的效果比較圖。
2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊
    數(shù)據(jù)顯示模塊的主要功能是將采集到的心電數(shù)據(jù)以及分析后的結(jié)果,及患者個人信息顯示在前面板上。數(shù)據(jù)顯示界面中最為直觀的是心電波形顯示界面,如圖12所示。


2.5 數(shù)據(jù)分析模塊
    信號分析與處理模塊是虛擬儀器必不可少的重要組成部分。在由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成信號的采集后,就要對信號進(jìn)行分析處理,分析處理方法不同,就能構(gòu)成不同的儀器。信號的分析與處理方法有很多種,在設(shè)計虛擬儀器時可根據(jù)所需的功能和信號的特點(diǎn),來選擇最合適的方法。


    本系統(tǒng)中測量電壓的直流分量,心電信號峰值、谷值、峰峰值、周期平均值、周期均方根等,選用現(xiàn)成的VI函數(shù)Amplitude&Level Meas urement VI,而Timing&Transition Measurement可以直接用來測量心電信號的頻率、周期等參數(shù)。然后再通過簡單的公式計算,就可算出心率,進(jìn)而可以判斷心率是否正常等。分析結(jié)果在前面板上顯示如圖13所示。
2.6 數(shù)據(jù)管理模塊和波形存儲模塊
    數(shù)據(jù)管理模塊和波形存儲模塊都屬于信息的管理與存儲,可以合并為一個部分。在LabVIEW中對數(shù)據(jù)的管理有兩種基本方式:基于文件的數(shù)據(jù)存儲方式和基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲方式。


    在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中,通過實驗采集了一些志愿者的心電信號,并進(jìn)行了分析處理,病人的心電波形圖如圖14所示;病人的診斷報告如圖15所示,通過把心電信號存儲為文檔形式,可以直接從中看出病人的診斷報告數(shù)據(jù),便于醫(yī)生作為診斷治療的依據(jù)和參考。
2.7 診斷報警模塊
    心電信號的診斷與報警系統(tǒng)的主要作用是對所采集的心電信號進(jìn)行處理、判斷和報警等操作。在本系統(tǒng)設(shè)計中所采用的判斷方法有兩種,即設(shè)定心率的最大值和最小值,也就是上下限,分別為100次每分鐘和160次每分鐘。本系統(tǒng)中用長條布爾指示燈顯示報警狀態(tài),當(dāng)采集的心率高于100次每分鐘時,紅色指示燈便點(diǎn)亮,表示心動過速;當(dāng)心率低于60次每分鐘時,橙色指示燈便點(diǎn)亮,表示心動過緩;當(dāng)心率為60-100次每分鐘時,心率正常的指示燈點(diǎn)亮為綠色,表示心率在正常范圍內(nèi);當(dāng)間隔超過30秒的兩次平均心率相差5次以上,就顯示為心律不齊,心律不齊的黃色指示燈便點(diǎn)亮,如圖16所示。


    當(dāng)診斷結(jié)束時可以點(diǎn)擊“保存至文件”按鈕,將患者個人信息、患者心電波形、心電信號參數(shù)及診斷信息保存至文件或數(shù)據(jù)庫,以便以后查閱。最后,可以點(diǎn)擊“停止”按鈕,使系統(tǒng)停止工作。
    本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能完整、操作方便、界面友好,能夠完成對心電的實時監(jiān)護(hù)。

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