基于LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)

趙艷輝，趙修良，周 超，沈堯欣，吳榮燕，劉麗艷

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 核科學與技術學院，湖南 衡陽 421001）

心電信號是人體生物電活動信息的表征，通過心電信號可以判斷人體的健康狀況。心電研究一直是醫(yī)學領域的一個重要課題，心電圖是心血管等疾病臨床檢查診斷的重要方法。心電信號主要頻率范圍為 0.05～100 Hz，幅度約為 0～4 mV，信號十分微弱[1]。

傳統(tǒng)的心電記錄方法主要靠心電圖機來完成，其信號采集、處理和顯示主要由硬件電路完成，電路生產技術要求較高，設備價格較貴，且維護和更新不便。

基于LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)，除了能實現(xiàn)傳統(tǒng)心電圖機的采集功能外，還可通過編程可使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能等；儀器面板布置簡捷，設計靈活。

本設計系統(tǒng)采用的是編程軟件系統(tǒng)LabVIEW 8.2和數(shù)據(jù)采集卡PCI6251，構建了心電數(shù)據(jù)的實時采集系統(tǒng)。

1 心電信號采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[2-6]

設計系統(tǒng)是由硬件部分和虛擬儀器VI兩部分構成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 基于LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of ECG data acquisition system based on LabVIEW

1.1 心電信號采集系統(tǒng)的硬件部分

心電信號的硬件部分包括5個部分：電極、心電圖機、NI ELVIS（虛擬儀器技術教學和實驗室套件）、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。在使用標準的導聯(lián)方式下，心電圖機采集人體心電信號，并進行一系列的預處理，包括放大信號和濾除干擾，然后把信號送入數(shù)據(jù)采集卡，以供計算機的下一步處理。

1.2 心電信號采集系統(tǒng)的虛擬儀器VI

虛擬儀器VI包括前面板和與之相對應的程序框圖。前面板對應著一臺實際儀器的面板，實現(xiàn)的是對儀表的控制和信號表達功能；程序框圖是程序的圖形化源代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對信號的模/數(shù)轉換，信號的處理顯示等。其具體的程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of the system

1.2.1 心電信號采集系統(tǒng)VI的前面板設計

軟件前面板對應的是一臺實際儀器的面板，實現(xiàn)的是對儀表的控制和信號表達功能，設計包含了波形顯示、采樣時間、掃描率和停止按鈕等。心電信號采集系統(tǒng)VI的前面板如圖3所示。

圖3 心電信號采集系統(tǒng)VI的前面板Fig.3 Front panel of ECG acquisition system VI

心電實時顯示圖用來動態(tài)地顯示采集的心電信號的變化情況。其橫坐標為時間，設置顯示2 s，可以顯示一個完整的心動周期；縱坐標對應的是幅值，單位為毫伏。

1.2.2 心電信號采集系統(tǒng)VI的程序框圖

程序框圖是程序的圖形化源代碼，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對信號的模/數(shù)轉換，信號的處理顯示。

LabVIEW是通過利用數(shù)據(jù)采集助手（DAQmx）節(jié)點來控制DAQmx設備完成數(shù)據(jù)采集的，拖出DAQ Assist子模板，并完成設備和通道的選擇，以及相關屬性設定。然后在DAQ Assistant對應的引腳上添加了掃描率、采樣數(shù)、停止按鈕、以及一次采樣的周期。

DAQ Assistant的數(shù)據(jù)輸出引腳data連接心電實時顯示模塊，這樣就可以把經(jīng)數(shù)據(jù)采集板卡PCI6251處理的心電信號在心電實時顯示波形圖中顯示出心電信號波形。

添加while循環(huán)框，把整個設計的模塊框住，使得心電信號的采集在完成一次采集周期后再繼續(xù)下一次采樣周期，以實現(xiàn)連續(xù)心電信號采集的目的，達到動態(tài)、實時顯示心電信號的效果。心電信號采集系統(tǒng)VI的程序框圖如圖4所示。

圖4 心電信號采集系統(tǒng)VI的程序框圖Fig.4 Block diagram of ECG data acquisition system VI

2 心電信號采集系統(tǒng)的測試[7]

按圖1連接實驗設備。心電圖機的標準導聯(lián)有4個電極，分別為紅、黃、綠、黑，把它們分別接到右手、左手、左腳和右腳的各個腕部。心電圖機的CRO接口分別接到NI ELVIS面板的模擬信號輸入端的ACHO+端和ACHO－端。NI ELVIS輸出與內插在PC機的數(shù)據(jù)采集卡相連。

選擇心電圖機的各種按鍵，打開心電圖機和NI ELVIS。在數(shù)據(jù)采集的軟件部分，要設定前面板掃描率為250 Hz，采樣數(shù)為500。右擊心電實時顯示波形圖的屬性，將橫坐標改為0～2 s，以使采集的波形多于一個周期；縱坐標為幅值，單位毫伏。檢查無誤后，點擊運行，可以看到在心電實時顯示波形圖中有不斷變化的心電信號，這就是基于LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)在進行連續(xù)的采集任務，并在心電實時顯示波形圖中動態(tài)地顯示出來了。同時前面板的采集時間也實時地顯示了一個周期的采集任務進行的時間。為方便看到采集的波形圖，點擊前面板的停止按鈕，系統(tǒng)暫停采集任務，采集到的波形如圖5所示。

圖5 采集到的心電信號Fig.5 Electrocardiogram collected by VI

3 結 論

基于LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)，除了能實現(xiàn)傳統(tǒng)心電圖機的采集功能外，還可通過編程可使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能等；儀器面板布置簡捷，設計靈活。采用LabVIEW編程軟件和數(shù)據(jù)采集卡PCI6251，構建了心電數(shù)據(jù)的實時采集系統(tǒng)，實現(xiàn)心電信號的動態(tài)實時顯示。其中在程序框圖VI上增加心率計算模塊，完成R波的提取和心率顯示，有待進一步地研究。

[1]齊頌揚.醫(yī)學儀器[M].河北：高等教育出版社，1996.

[2]申焱華，王汝杰，雷振山.LabVIEW入門與提高范例教程[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[3]楊樂平.LabVIEW程序設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]李濤，劉延武.基于LabVIEW 的心電信號采集和分析[J].醫(yī)療設備信息，2007，22（6）：15-17.LI Tao，LIU Yan-wu.Acquisition and analysis system of ECG signal based on Labview[J].Information of Medical Equipment，2007，22（6）：15-17.

[5]張艷，牛明，王衛(wèi)東.基于LabVIEW 的心電信號采集系統(tǒng)[J].中國醫(yī)學裝備，2005，2（12）：50-52.ZHANG Yan，NIU Ming，WANG Wei-dong.ECG signal gathering system based on LabVIEW[J].China Medical Equipment，2005，2（12）：50-52.

[6]王步青，王衛(wèi)東.基于LabVIEW心電信號的采集與分析系統(tǒng)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27（10）：26-28.WANG Bu-qing，WANG Wei-dong.An acquisition and analysis system of ECG based on LabVIEW[J].Chinese Medical Equipment Journal，2006，27（10）：26-28.

[7]National Instruments Corporation.LabVIEW User Manual[M].2006.