基于USB接口的虛擬心電記錄系統(tǒng)設(shè)計

杜海濤 趙鑫 泰山醫(yī)學院信息工程學院 (泰安 271016)

基于USB接口的虛擬心電記錄系統(tǒng)設(shè)計

杜海濤 趙鑫 泰山醫(yī)學院信息工程學院 (泰安 271016)

基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡，利用虛擬儀器編程語言LabVIEW作為為開發(fā)平臺, 研制了一套虛擬心電數(shù)據(jù)采集、記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有心電波形實時顯示、心率顯示及報警, 波形存儲及回放等功能。

ECG USB接口 LabView 虛擬儀器

Abstract:A virtual ECG recording system has been developed based on DAQ of USB interface and the platform of virtual instrument program of LabVIEW. The system’s functions include real -time ECG waveform display, heart rate display, alarm for abnormal heart rate, ECG waveform storage and redisplay.

Key words:ECG, USB Interface, LabVIEW, virtual instrument

0 引言

心電圖分析是診斷心臟疾病的一種重要手段。簡單地說，心電圖是心肌細胞的綜合電活動在體表地的一種反映。心肌活動所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身體組織傳導到體表，使體表的不同部位產(chǎn)生不同的電位，將體表兩點間的電位記錄下來，就會按照心臟激動的時間順序形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖(Electrocardiogram，ECG)。

USB(Universal Serial Bus)，中文含義是“通用串行總線”。它不是一種新的總線標準，而是應用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。不過直到近期，它才得到廣泛地應用。從1994年11月11日發(fā)表了USB V0.7版本以后，USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為2.0版本，成為目前電腦中的標準擴展接口。USB自從1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當今個人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。

虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)、現(xiàn)代測控技術(shù)和電子儀器技術(shù)相互結(jié)合、滲透的產(chǎn)物。在虛擬儀器系統(tǒng)中，所有的數(shù)據(jù)采集、分析、控制、結(jié)果輸出和用戶界面等功能都由軟件完成，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，因此，軟件是整個儀器系統(tǒng)的核心，從某種意義上可以說：“軟件即儀器”。

本文介紹的基于USB接口的虛擬心電采集記錄系統(tǒng)實現(xiàn)了一種心電電極到計算機USB接口的數(shù)據(jù)采集，可將人體心電信號通過計算機的USB接口方便地傳入計算機，并利用LabView軟件進行虛擬心電記錄系統(tǒng)設(shè)計用于顯示、存儲和分析。這種設(shè)備成本低，便于攜帶，配備裝有虛擬儀器軟件的便攜式電腦可方便用于醫(yī)生出診。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于USB接口的虛擬心電采集記錄系統(tǒng)如圖1所示，主要由硬件、軟件兩大部分組成。硬件主要包括多路心電放大器、USB數(shù)據(jù)采集卡和PC機組成。其主要功能是實現(xiàn)心電信號的采集、處理和A/D轉(zhuǎn)換以及將信號通過USB數(shù)據(jù)采集卡送入PC機進行處理。軟件采用LabVIEW對采集到的心電信號進行顯示、分析和處理。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)多路心電放大器主要包括前置放大器、帶通濾波器、工頻濾波器、主放大器和光電耦合電路組成。前置放大主要滿足高輸入阻抗、高增益、低噪聲、低漂移等技術(shù)指標；帶通濾波器實現(xiàn)對干擾信號的濾除和讓0.05－100Hz的心電信號無失真地通過；工頻干擾的濾除由采用雙T有源濾波形式的50Hz陷波器完成；主放大器用來對處理過的心電信號進行調(diào)理，以滿足USB接口數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號的電平要求；光電耦合用來實現(xiàn)人體與電器上的隔離，保證人體安全。

數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。通常，必須在數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集之前調(diào)制傳感器信號，包括對其進行增益或衰減和隔離，放大，濾波等。本系統(tǒng)基于NI的USB數(shù)據(jù)采集卡進行設(shè)計與開發(fā)。需的心電圖。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

在信號調(diào)理和采集過程中，信號必然受到噪聲和干擾的影響，雖然我們在硬件設(shè)計時采取了相應措施來抑制它，但我們知道干擾可以消除，但噪聲只能抑制為改善信號質(zhì)量，為后續(xù)準確分析判斷做好準備，在系統(tǒng)中使用五點平滑數(shù)字濾波。

2.4 心率計算模塊

本模塊的程序代替了傳統(tǒng)心電圖機硬件電路中的微分, 整形和計數(shù)器電路, 采用軟件方法完成心電信號的R 波檢測、周期和心率計算功能。將采集到的實時心電信號接入該程序?qū)崿F(xiàn)R 波的檢測, 從而計算出兩個R 波間期和心率。

2.5 波形檢測與診斷模塊

ECG自動檢測技術(shù)的研究主要集中在QRS波檢測，P波和T波檢測，ST段檢測等方面。QRS波檢測是ECG檢測中的首要問題，QRS波檢測不僅是診斷心律失常的最重要根據(jù)，而且只有在QRS波確定后才能分析EGC的其它細節(jié)信息。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW虛擬儀器設(shè)計平臺的應用范圍廣泛，目前很多的電子儀器都采用該平臺進行開發(fā)和設(shè)計，基于對該軟件平臺的了解，在相關(guān)硬件的支持下本文研究采用該平臺來進行虛擬心電采集記錄系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。

2.1 USB通信模塊

利用USB數(shù)據(jù)采集卡自帶的LabView驅(qū)動程序，完成USB通信模塊的設(shè)計。利用該模塊，實現(xiàn)對多路數(shù)據(jù)的分時采集。

2.2 前面板

虛擬儀器的前面板是儀器與用戶交互的可視化操作界面，用戶通過操作前面板的各種開關(guān)和按鈕，可以實現(xiàn)心電信號的實時采集、心率計算與顯示、波形存儲和回放等各項功能。前面板中設(shè)置了兩個波形顯示控件，左上面用來實時顯示采集到的心電波形，左下面用來現(xiàn)實回訪的波形，以利于醫(yī)生觀察、診斷所

3 心電信號處理

3.1 預處理

在心電信號中，需要考慮的噪聲來源有：工頻干擾、呼吸引起的基線漂移、電極接觸噪聲、運動偽跡等而其中又以工頻干擾和呼吸引起的基線漂移是主要的噪聲干擾，本文主要考慮利用小波分解消除呼吸引起的基線漂移，利用帶通濾波器消解工頻干擾的影響。

圖2為系統(tǒng)使用五點平滑數(shù)字濾波的效果比較圖。該圖證明此方法進行數(shù)據(jù)預處理簡單有效。

圖2 五點平滑數(shù)字濾波效果比較圖

3.2 QRS波群檢測

QRS波是ECG中最顯著的部分，反映了心室收縮時心臟的電行為，其能量占了心電信號能量的很大百分比。QRS波的檢測是所有波形檢測的基礎(chǔ)，而其準確檢測一直是心電信號自動分析的焦點和難點。目前QRS波檢測方法主要有：差分法、帶通濾波法、小波變換、形態(tài)學運算、長度和能量變換等。本文采用小波變換進行QRS波群檢測。

3.3 處理結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理，得到如圖3所示結(jié)果及實時顯示心電曲線。

4 結(jié)束語

將虛擬儀器技術(shù)與醫(yī)療裝備中醫(yī)學信號的采集、分析及結(jié)果顯示結(jié)合起來為醫(yī)療裝備的開發(fā)提供了一個很好的方向。利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，集成的軟硬件平臺這4 大優(yōu)勢。

圖3 處理結(jié)果及顯示

本文介紹了基于USB接口的虛擬心電采集記錄系統(tǒng)用于對人體心電信號進行采集、處理、顯示及打印，從而最終在屏幕上顯示出心電波形及相關(guān)的重要心電特征參數(shù)。該系統(tǒng)的設(shè)計對虛擬儀器在醫(yī)學生物信號處理和醫(yī)療儀器開發(fā)有一定的參考價值。

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Design of Virtual ECG Recording System Based on USB Interface

DU Hai-tao ZHAO Xin Taishan Medical College, College of Information engineering (Tai’an 271016)

1006-6586(2010)02-0034-03

TP2

A

2009-11-10

杜海濤，講師，碩士；趙鑫，碩士研究生，助教