杜海濤 趙鑫 泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院 (泰安 271016)

基于USB接口的虛擬心電記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜海濤 趙鑫 泰山醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)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(yǔ)言LabVIEW作為為開(kāi)發(fā)平臺(tái), 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(shí)時(shí)顯示、心率顯示及報(bào)警, 波形存儲(chǔ)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(jiǎn)單地說(shuō)，心電圖是心肌細(xì)胞的綜合電活動(dòng)在體表地的一種反映。心肌活動(dòng)所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過(guò)身體組織傳導(dǎo)到體表，使體表的不同部位產(chǎn)生不同的電位，將體表兩點(diǎn)間的電位記錄下來(lái)，就會(huì)按照心臟激動(dòng)的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)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(guò)直到近期，它才得到廣泛地應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)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(dāng)今個(gè)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(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)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(hào)的輸入輸出，因此，軟件是整個(gè)儀器系統(tǒng)的核心，從某種意義上可以說(shuō)：“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(shí)現(xiàn)了一種心電電極到計(jì)算機(jī)USB接口的數(shù)據(jù)采集，可將人體心電信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB接口方便地傳入計(jì)算機(jī)，并利用LabView軟件進(jìn)行虛擬心電記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于顯示、存儲(chǔ)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(jī)組成。其主要功能是實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、處理和A/D轉(zhuǎn)換以及將信號(hào)通過(guò)USB數(shù)據(jù)采集卡送入PC機(jī)進(jìn)行處理。軟件采用LabVIEW對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)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(biāo)；帶通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的濾除和讓0.05－100Hz的心電信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)；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(lái)對(duì)處理過(guò)的心電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以滿足USB接口數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入信號(hào)的電平要求；光電耦合用來(lái)實(shí)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(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)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(hào)，包括對(duì)其進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。需的心電圖。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

在信號(hào)調(diào)理和采集過(guò)程中，信號(hào)必然受到噪聲和干擾的影響，雖然我們?cè)谟布O(shè)計(jì)時(shí)采取了相應(yīng)措施來(lái)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(hào)質(zhì)量，為后續(xù)準(zhǔn)確分析判斷做好準(zhǔn)備，在系統(tǒng)中使用五點(diǎn)平滑數(shù)字濾波。

2.4 心率計(jì)算模塊

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

2.5 波形檢測(cè)與診斷模塊

ECG自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在QRS波檢測(cè)，P波和T波檢測(cè)，ST段檢測(cè)等方面。QRS波檢測(cè)是ECG檢測(cè)中的首要問(wèn)題，QRS波檢測(cè)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(xì)節(jié)信息。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用范圍廣泛，目前很多的電子儀器都采用該平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，基于對(duì)該軟件平臺(tái)的了解，在相關(guān)硬件的支持下本文研究采用該平臺(tái)來(lái)進(jìn)行虛擬心電采集記錄系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1 USB通信模塊

利用USB數(shù)據(jù)采集卡自帶的LabView驅(qū)動(dòng)程序，完成USB通信模塊的設(shè)計(jì)。利用該模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路數(shù)據(jù)的分時(shí)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(guò)操作前面板的各種開(kāi)關(guān)和按鈕，可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、心率計(jì)算與顯示、波形存儲(chǔ)和回放等各項(xiàng)功能。前面板中設(shè)置了兩個(gè)波形顯示控件，左上面用來(lái)實(shí)時(shí)顯示采集到的心電波形，左下面用來(lái)現(xiàn)實(shí)回訪的波形，以利于醫(yī)生觀察、診斷所

3 心電信號(hào)處理

3.1 預(yù)處理

在心電信號(hào)中，需要考慮的噪聲來(lái)源有：工頻干擾、呼吸引起的基線漂移、電極接觸噪聲、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)平滑數(shù)字濾波的效果比較圖。該圖證明此方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理簡(jiǎn)單有效。

圖2 五點(diǎn)平滑數(shù)字濾波效果比較圖

3.2 QRS波群檢測(cè)

QRS波是ECG中最顯著的部分，反映了心室收縮時(shí)心臟的電行為，其能量占了心電信號(hào)能量的很大百分比。QRS波的檢測(cè)是所有波形檢測(cè)的基礎(chǔ)，而其準(zhǔn)確檢測(cè)一直是心電信號(hào)自動(dòng)分析的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。目前QRS波檢測(cè)方法主要有：差分法、帶通濾波法、小波變換、形態(tài)學(xué)運(yùn)算、長(zhǎng)度和能量變換等。本文采用小波變換進(jìn)行QRS波群檢測(cè)。

3.3 處理結(jié)果

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到如圖3所示結(jié)果及實(shí)時(shí)顯示心電曲線。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)為醫(yī)療裝備的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)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(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少，集成的軟硬件平臺(tái)這4 大優(yōu)勢(shì)。

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(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)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(jì)對(duì)虛擬儀器在醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理和醫(yī)療儀器開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)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