LabVIEW技術(shù)在病人體征信號(hào)采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要:該文對(duì)生物信號(hào)——心電和呼吸信號(hào)的調(diào)理、采集和處理進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波，以AD620為放大電路的核心器件;以8051作為微處理器控制芯片;AD轉(zhuǎn)換器采用12位的串行輸出芯片TLC2543;單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊采用串行接口。系統(tǒng)軟件采用LavVIEW圖形編程環(huán)境，分析了信號(hào)的頻譜特性;著重對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別，能自動(dòng)計(jì)算出心電信號(hào)的特征參數(shù)值，并作出相應(yīng)的病況診斷;信號(hào)數(shù)據(jù)、特征參數(shù)及診斷結(jié)果可以由用戶設(shè)定存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的采集處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能可以靈活定義，便于滿足用戶要求。而且系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作方便。

關(guān)鍵詞:心電信號(hào);呼吸信號(hào);LabVIEW;診斷

中圖分類號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)14-3806-03

Application of LabVIEW Technology in Acquisition And Processing System of Physiological Signals From Patients

CHEN Hao， SUN Jin， ZHAO Yao

(Information Center， North China Coal Medical College， Tangshan 063000， China)

Abstract: In this paper，it analyzed and designed how to condition，sample and process biologic signal，such as electrocardiosignal，respiration signal. The main function of the hardware is to amplify and filter signals. In this system，AD620 is the core device of the amplification;8051 is used as microprocessor;TLC2543 is used as the AD converter which is a 12-bit-resolution chip with serial peripheral interface;and the communication between the microprocessor and the computer is working by serial interface.The system's software is programmed by LabVIEW which has graphic programming environment. It analyzed the spectrum character of the signals. Speciallly，electrocardiosignal can be identified，the system can compute the values of the character parameters of electrocardiosignal and give the diagnostic result correspondingly.The information including the data of the signals，the values of the character parameters and the diagnostic result can save into the relative database.Because it is based on computer，the system's function is flexibly defined and meets users' requirement easily.And the system have good man-machine interface，and easy operation.

Key words: electrocardiosignal; respiration signal; LabVIEW; diagnosis

1 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)是各學(xué)科相互滲透，新興邊緣學(xué)科不斷出現(xiàn)。而生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)就是最令人矚目的新學(xué)科之一。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)作為邊緣學(xué)科，體現(xiàn)了新知識(shí)的綜合和發(fā)展，在生物醫(yī)學(xué)研究、知識(shí)產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化研究、衛(wèi)生保健和疾病的診斷中扮演了許多重要角色，對(duì)提高醫(yī)學(xué)水平，促進(jìn)醫(yī)學(xué)科學(xué)的現(xiàn)代化發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用[1]。

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI)是儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。[2]它充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源，并配以獨(dú)特設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件，能實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能，常被稱作“軟件儀器”。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)晶，代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的最新趨勢(shì)。

虛擬儀器技術(shù)在醫(yī)療裝備中主要的應(yīng)用有醫(yī)學(xué)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析、醫(yī)療裝備系統(tǒng)的控制及遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等?；谔摂M儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集多種生理信號(hào)，可應(yīng)用于臨床聽力學(xué)[3]、心血管病學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和神經(jīng)外科、手術(shù)監(jiān)護(hù)中的研究和臨床應(yīng)用中;基于虛擬儀器技術(shù)的控制系統(tǒng)則可應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、儀器控制和生物過程控制等。

目前國內(nèi)外已有的監(jiān)護(hù)儀器產(chǎn)品存在價(jià)格昂貴、靈活性差、難以滿足特定的實(shí)驗(yàn)需要等不足，所以進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)工作是十分必要的。本文介紹了基于虛擬技術(shù)的病人體征信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案和相關(guān)技術(shù)，以期充分利用計(jì)算機(jī)家庭普及程度提高的同時(shí)，只要配置較少硬件設(shè)施就可以完成心電監(jiān)護(hù)的目的，而為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療奠定了可行性基礎(chǔ)。

此外，將LabVIEW的虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)，可使教學(xué)生動(dòng)、形象化，這是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的一種改革。醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)將人體的生理信號(hào)檢測(cè)及處理作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，包括了人體心電信號(hào)、血壓、體溫、脈搏、皮膚阻抗等生理參數(shù)的測(cè)量。學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)?zāi)芰私夂驼莆杖梭w生理信號(hào)的特點(diǎn)、采集方法和檢測(cè)手段等方面的知識(shí)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要是針對(duì)臨床及科研教學(xué)而設(shè)計(jì)的，因此在技術(shù)方案的設(shè)計(jì)過程中，我們充分考慮了經(jīng)濟(jì)性，各種器件應(yīng)用的普遍性，可靠性以及軟硬件開發(fā)的通用性，以便使該系統(tǒng)盡可能地縮短開發(fā)周期和解決系統(tǒng)的升級(jí)問題。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)處理的信號(hào)包括心電、呼吸信號(hào)、體溫信號(hào)。其中心電信號(hào)以三導(dǎo)聯(lián)的方式輸出，呼吸信號(hào)的獲取是利用呼吸阻抗法原理，它是借用測(cè)量心電的胸部監(jiān)護(hù)電極獲得。此兩種信號(hào)非常微弱，容易受到外界干擾，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理排除干擾。在進(jìn)行信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)時(shí)，我們考慮這兩種信號(hào)有著不同的特點(diǎn)，所以采用了模塊化思想，將信號(hào)調(diào)理模塊分成兩個(gè)獨(dú)立的子模塊，對(duì)這兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理。處理后的信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，通過數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)。采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，再通過串行通訊口將其送入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和判斷分析，并得到最終結(jié)果。并且，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可以在計(jì)算機(jī)中通過設(shè)置進(jìn)行顯示和打印。

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集采系統(tǒng)時(shí)，考慮到被測(cè)信號(hào)的變化速率和通道數(shù)，以及對(duì)測(cè)量精度、分辨率、速度的要求及性價(jià)比，我們采用分時(shí)多通道數(shù)據(jù)采集。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，它適合于信號(hào)變化速率不高，對(duì)信號(hào)采樣不要求同步的場(chǎng)合。如果信號(hào)變化速率慢，也可以不用采樣/保持器。如果信號(hào)比較弱，混入的干擾信號(hào)比較大，還需要數(shù)據(jù)放大器和濾波器。從最后的測(cè)試結(jié)果來看，這種方案的選擇是合理的，既實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，又節(jié)省了成本。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

最早的生物電放大器采用分立元件設(shè)計(jì)，前置級(jí)是由低噪聲性能良好的場(chǎng)效應(yīng)管組成差動(dòng)放大器。當(dāng)前，隨著線性集成器件――集成運(yùn)算放大器的迅速發(fā)展，各種高性能的集成運(yùn)放不斷出現(xiàn)，生物電放大器都采用集成器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但設(shè)計(jì)過程大大簡(jiǎn)化，而且可靠性高，穩(wěn)定性好，從而促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)儀器質(zhì)量的進(jìn)一步提高。用集成器件構(gòu)成前置級(jí)電路設(shè)計(jì)的主要障礙，是集成運(yùn)放本身的噪聲比分立元件的噪聲大，因而限制了前置級(jí)的低噪聲性能。因此，為了確保第一級(jí)高增益放大的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移、低噪聲的要求，我們選用AD620進(jìn)行第一級(jí)放大。

心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05-5mV，頻譜范圍為0.05-100Hz，并且處于動(dòng)態(tài)變化之中，非常容易受到外界干擾，具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，這就要求心電信號(hào)的處理部分具有以下特點(diǎn)[4]:

1) 為了提高系統(tǒng)精度，信號(hào)應(yīng)盡量放大到接近A/D轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓(伏特級(jí))，而心電信號(hào)在正常輸入時(shí)幅值為1mV，所以此模塊的總體放大倍數(shù)至少要達(dá)1000倍。

2) 為了減少不需要的帶外噪聲，需要高通和低通濾波器來壓縮通頻帶。通頻帶內(nèi)覆蓋心電信號(hào)的一切頻率，通頻帶的上下范圍以+3dB— -3dB頻率表示。

3) 檢測(cè)心電信號(hào)時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，尤其是50Hz的工頻干擾，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路來濾除它。

呼吸信號(hào)的檢測(cè)是利用呼吸阻抗法原理來實(shí)現(xiàn)的。人體呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，胸壁肌肉交變弛張，胸廓也交替變形，肌體組織的電阻抗也交替變化。呼吸阻抗(肺阻抗)與肺容量存在一定的關(guān)系，肺阻抗隨肺容量的增大而增大。阻抗式呼吸測(cè)量就是根據(jù)肺阻抗的變化而設(shè)計(jì)的。測(cè)量中，呼吸阻抗電極與心電電極合用，即電極之間的阻抗作為待測(cè)阻抗 ，接在電橋的一個(gè)橋臂上。電橋的供電電源采用20-100kHz的高頻電源，這種電源的頻率不會(huì)引起心臟的刺激作用。呼吸阻抗經(jīng)電橋調(diào)制后變成電壓量，再對(duì)被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大、濾波就可獲得清晰穩(wěn)定的呼吸曲線。

單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位。系統(tǒng)所涉及到的有關(guān)單片機(jī)的設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)控制部分。本系統(tǒng)采用Intel公司的8051單片機(jī)。

NI公司提供的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)際上就是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，它將DUT(Device Under Test)的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)條理、采集、量化、編碼后送入計(jì)算機(jī)分析。數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)劣由它的轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率等技術(shù)指標(biāo)決定?，F(xiàn)今，在實(shí)驗(yàn)室研究、測(cè)試和測(cè)量以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，絕大多數(shù)科研人員和工程師使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的個(gè)人電腦(PC)采集數(shù)據(jù)。許多應(yīng)用使用插入式設(shè)備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，而在一些其它應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集硬件和PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。從基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果取決于PC、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件、軟件。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是12位的，而8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線寬度為8位，所以必須用兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)單元存儲(chǔ)一個(gè)12位的數(shù)據(jù)，才能保證不浪費(fèi)12位的分辨率，這樣計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)，其實(shí)是兩個(gè)數(shù)據(jù)表示一個(gè)采樣點(diǎn)。LabVIEW提供8位、16位、32位的二進(jìn)制數(shù)，要正確顯示和分析信號(hào)，就必須將相應(yīng)的兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成16位或32位的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用了16位的數(shù)據(jù)。在串口通信模塊中提到，來自串口的數(shù)據(jù)是字符串類型的，因此轉(zhuǎn)換之前必須先進(jìn)行字符串?dāng)?shù)據(jù)到數(shù)值型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

利用LabVIEW編程軟件設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)虛擬儀器前面板，如圖2所示。

用戶通過前面板，啟動(dòng)總開關(guān)后，使“心電采樣/回放”開關(guān)處于采樣狀態(tài)再選擇標(biāo)準(zhǔn)I、II、III導(dǎo)聯(lián)之一，按下“開始/停止采樣”按鈕，心電信號(hào)就可以在左上圖中實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)信號(hào)被暫存入緩沖區(qū)，當(dāng)停止采樣時(shí)，輸入存儲(chǔ)路徑和文件名，按下“存盤”按鈕，就可以將剛才采集到的心電信號(hào)存入文件中保存起來，建立數(shù)據(jù)檔案以便日后的回放。在心電波形的實(shí)時(shí)顯示過程當(dāng)中，同時(shí)一顯示瞬時(shí)心率，并對(duì)心率是否正常進(jìn)行判斷，當(dāng)心率異常時(shí)，顯示心動(dòng)過速/過緩的報(bào)警燈就呈現(xiàn)出高亮狀態(tài)。

本系統(tǒng)的主要功能模塊有:心電的實(shí)時(shí)顯示模塊、心率計(jì)算和分析模塊、數(shù)據(jù)保存和回放模塊。其中心率計(jì)算和分析模塊的程序替代了傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)儀器硬件中的微風(fēng)，整形、計(jì)數(shù)器電路，通過軟件的方法完成心電信號(hào)的R波檢測(cè)、心率計(jì)算分析和報(bào)警功能。程序的具體實(shí)現(xiàn)過程為:將采集到的心電波形先進(jìn)行微分，即利用LabVIEW提供的數(shù)組功能模塊檢索前后相鄰兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)，將其相減乘以采樣頻率200Hz，轉(zhuǎn)換成由導(dǎo)數(shù)值構(gòu)成的數(shù)組，在將改該導(dǎo)數(shù)數(shù)組中的每個(gè)元素分別與已經(jīng)設(shè)置好的閉值進(jìn)行比較，若大于閉值則輸出“1”，反之，輸出“0”，從而得到由“0”和“1”構(gòu)成的數(shù)組，對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形為一系列窄方波，這樣既完成了信號(hào)的整形又檢測(cè)出了R波。對(duì)于心率的計(jì)算，通過設(shè)置一計(jì)數(shù)器，在2s的時(shí)間間隔內(nèi)(采樣頻率為200Hz時(shí))，判斷前述整形信號(hào)中上升沿的出現(xiàn)并累計(jì)上升沿出現(xiàn)的次數(shù)，將其乘以30即為每分鐘的心率。心率異常的判斷依據(jù)是當(dāng)心率大于100次/分鐘時(shí)，為心動(dòng)過速;當(dāng)心率小于60次/分鐘時(shí)，為心動(dòng)過緩;心率正常值應(yīng)該在60一100次/分鐘范圍內(nèi)。對(duì)于不同的心率分析結(jié)果，控制顯示虛擬監(jiān)控面板上對(duì)應(yīng)的指示燈。

LabVIEW具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，它支持TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議等，還開發(fā)了Datasocket技術(shù)，用戶使用這種技術(shù)可以很容易的在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)算法及軟件實(shí)現(xiàn)的正確性，使用掌握的MIT數(shù)據(jù)庫和模擬器產(chǎn)生的共45個(gè)心電數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。這45個(gè)數(shù)據(jù)中，正常心電信號(hào)有10個(gè)，心動(dòng)過速的有5個(gè)，心動(dòng)過緩的有5個(gè)，二聯(lián)律的有7個(gè)，心室早搏的有3個(gè)，停搏、室顫的有3個(gè)，漏搏的有兩個(gè)，三聯(lián)律的有4個(gè)，R落在T上的有6個(gè)。測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)對(duì)這45個(gè)數(shù)據(jù)的診斷律為100%。下圖為測(cè)試過程中的一部分結(jié)構(gòu)顯示。由于條件所限，我們用于測(cè)試的心律失常病例數(shù)據(jù)不多，其次是不管使用多大的數(shù)據(jù)庫，也不可能包括所有可能的ECG波形，因此系統(tǒng)的完善要在長(zhǎng)期的和大量的臨床應(yīng)用過程中進(jìn)行。

對(duì)本系統(tǒng)的采樣方式分析可知，假設(shè)處理1(s)采樣數(shù)據(jù)序序列時(shí)間為t(s)，則對(duì)下1(s)采樣數(shù)據(jù)序序列中第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間延遲為1+t(s)，最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間延遲為t(s)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中對(duì)不同的采樣率下處理1s采樣數(shù)據(jù)序序列所需時(shí)間做了測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

可見對(duì)諸采樣率，處理1s采樣數(shù)據(jù)序列時(shí)間t<<1s，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

綜合考慮小波變換矩陣初始化時(shí)間長(zhǎng)短，采樣數(shù)據(jù)序列的處理時(shí)間以及采樣數(shù)據(jù)信息的完整性，推薦采樣率在360~540(scan/s)。采樣率過低會(huì)造成信息缺失，過高則實(shí)時(shí)性會(huì)變?nèi)酢?/p>

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用虛擬儀器技術(shù)，將傳統(tǒng)心電系統(tǒng)中需由硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，轉(zhuǎn)為由軟件來實(shí)現(xiàn)，入儀器面板的控制與顯示，ECG中R波的檢測(cè)、不同導(dǎo)聯(lián)的選擇與控制等功能，不僅節(jié)約了成本、避免了重復(fù)維修產(chǎn)生的浪費(fèi)，而且由于LabVIEW具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能和通用功能模塊，便于今后監(jiān)護(hù)項(xiàng)目由心電擴(kuò)展至諸如血壓、呼吸、脈搏等多種勝利內(nèi)容，監(jiān)護(hù)深度可以進(jìn)一步深入至更復(fù)雜的診斷和分析的深入分析、系統(tǒng)化存檔和檢索。

虛擬儀器利用PC機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立友好的虛擬儀器面板，操作人員通過圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運(yùn)行，完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面比傳統(tǒng)儀器更具優(yōu)勢(shì)，“軟件即儀器”這一新概念將完全改變整個(gè)測(cè)控領(lǐng)域的許多觀念[5]。目前在發(fā)達(dá)國家中虛擬儀器的生產(chǎn)、使用已十分普及，在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言己作為大學(xué)理工科學(xué)生的必修課程。有專家預(yù)測(cè):未來幾年內(nèi)，我國將有50%的儀器為虛擬儀器。將虛擬儀器技術(shù)與醫(yī)療裝備中醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集、分析及結(jié)果顯示結(jié)合起來為醫(yī)療裝備的開發(fā)提供了一個(gè)很好的方向。

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