基于labview的虛擬心電信號采集系統(tǒng)

基于labview的虛擬心電信號采集系統(tǒng)

1虛擬儀器技術(shù)心電圖（ecg）是心臟自適應(yīng)和復極速度過程的電生理過程的反應(yīng)。在醫(yī)學上,心電圖是診斷心腦血管疾病(如心率失常、心肌梗塞、心肌病等)的一種有效手段,因此,研發(fā)一個心電信號采集系統(tǒng)在輔助醫(yī)學診斷和科學研究中都具有重要的意義。過去幾十年,已有許多型號的心電信號采集系統(tǒng)被研發(fā)出來。傳統(tǒng)的心電圖儀就是其中一個最杰出的代表,但它們都有一個設(shè)計復雜和成本過高的通病。隨著計算機技術(shù)與電子技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是低成本高性能的計算機資源得到普及應(yīng)用,虛擬儀器(virtualinstrument)應(yīng)運而生。所謂“虛擬儀器”,就是在一臺計算機上配備應(yīng)用軟件和低成本硬件,完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)得到工業(yè)界的廣泛接受與運用,成為儀器技術(shù)的主流。人們紛紛試圖引入該技術(shù)以減少工作量,降低成本。范壽年、何保全等利用NI公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一個虛擬心電信號采集系統(tǒng),但該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡的成本較高,而且該采集卡的設(shè)計是基于工業(yè)安全標準設(shè)計的,因此不便也不適合于推廣。戚仕濤等利用單片機技術(shù)制作了前端數(shù)據(jù)采集卡,在降低成本的同時利用電源隔離和信號隔離技術(shù)提高了安全標準,但是該采集卡的通帶頻率范圍(0～50Hz)有限,使得有助于醫(yī)學診斷的心電信號高頻成分的信息丟失了。本文所設(shè)計的心電信號采集系統(tǒng)結(jié)合了單片機技術(shù)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù),減少了工作量,降低了成本,在提高安全標準的同時保留了更多的原始波形信息。2前端數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計該系統(tǒng)主要由上位機(PC)的虛擬儀器操作界面和前端數(shù)據(jù)采集卡組成。上位機以LabVIEW為操作平臺,發(fā)出操作指令、接收和存儲數(shù)據(jù)、顯示信號波形。前端數(shù)據(jù)采集卡的核心是單片機AT89S51,其中包括前置放大濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、串口傳輸電路,負責采樣心電信號、接收發(fā)送數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。3數(shù)據(jù)采集卡的組成系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是前端數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計,而該前端數(shù)據(jù)采集卡主要由前置放大濾波電路和單片機系統(tǒng)兩部分組成。前置放大濾波電路負責心電信號的放大和濾波;單片機系統(tǒng)負責信號的采樣、A/D轉(zhuǎn)換和向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。3.1前級電路結(jié)構(gòu)前置放大濾波電路包括前置放大電路、高通濾波電路、低通濾波電路和50Hz的工頻陷波器。圖2為該部分電路原理圖。采用這樣的設(shè)計方案,主要是由心電信號的特點及其采集過程中所受到干擾決定的。心電信號是微弱信號,幅度僅在0.5mV～4mV之間。因此為了便于顯示和后端處理,需要對信號進行放大。而在心電信號采集過程中,前置放大電路對心電信號的影響最大,為此,美國心臟協(xié)會(AHA)曾在1967年和1975年的報告中對前置放大電路的一些主要性能指標作過規(guī)定,其中主要包括共模抑制比不應(yīng)低于1000∶1(≥60dB),等效輸入噪聲有效值應(yīng)小于10μV,放大器差模輸入阻抗應(yīng)不小于20MΩ等。因此,在前置放大電路采用具有高輸入阻抗,高共模抑制比,低噪聲,增益可調(diào)的生物信號放大芯片AD620AN,芯片的放大倍數(shù)由電阻RG決定,G=49.4kΩRG+1(1)G=49.4kΩRG+1(1)為避免因信號電壓過大而導致后級電路飽和,前置級放大倍數(shù)應(yīng)小于30。在電路中,取RG為2.7kΩ,這樣前置放大電路的放大倍數(shù)G=18.3。由于心電信號采集過程中極易受共模信號影響,為了減少共模信號干擾同時也從提高安全性考慮,前置放大電路中增加了一個右腿驅(qū)動電路(RLC),它通過電阻R6,R7取出平均交流共模電壓,送入右腿驅(qū)動放大器反相放大,經(jīng)限流電阻R3加到右腿電極。而當人與地之間出現(xiàn)高壓時,又會使A1飽和,起到保護病人的作用。該RLC的轉(zhuǎn)移函數(shù)為Ηr(s)=2R6(1+sC1R5)R3(1+sC1R5)+sC1R3R6(2)Hr(s)=2R6(1+sC1R5)R3(1+sC1R5)+sC1R3R6(2)濾波電路主要由二階Sallen-Key高通濾波電路、二階多路反饋低通濾波電路和傳統(tǒng)雙T陷波電路組成。一般來說,電極和皮膚的接觸處由于化學反應(yīng)容易產(chǎn)生直流極化電壓。因此在濾波電路中將二階Sallen-Key高通濾波電路提前,可有效地去除電極產(chǎn)生的直流極化電壓。該高通濾波電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)為Ηh(s)=As2s2+s[1-AR8C2+(1C2+1C3)/R9]+1R8R9C2C3(3)Hh(s)=As2s2+s[1?AR8C2+(1C2+1C3)/R9]+1R8R9C2C3(3)截止頻率fc=12π√R8R9C2C3?Afc=12πR8R9C2C3√?A為該高通濾波電路的通頻帶增益,在電路中為1。由于心電信號主要集中在0.05Hz～250Hz的頻率范圍內(nèi),而具有醫(yī)學生理意義的最低有效頻率為150Hz,因此我們將低通濾波器的截止頻率定為150Hz,而高通濾波器的截止頻率為0.1Hz,這樣采集到的心電信號的頻率范圍為0.1Hz～150Hz。該低通濾波電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)為Ηl(s)=-(1R10R11C4C5)s2+s[(1R10+1R11+1R12)/C3]+1R10R11C4C5(4)Hl(s)=?(1R10R11C4C5)s2+s[(1R10+1R11+1R12)/C3]+1R10R11C4C5(4)截止頻率為fc=12π√R10R11C4C5fc=12πR10R11C4C5√。在信號的采集過程中,50Hz的工頻干擾是最主要的干擾源,為此濾波電路中還加了傳統(tǒng)雙T陷波電路以濾除50Hz的工頻干擾。同時,為了避免因信號電壓過大而導致后級運放飽和,我們將每級濾波電路的通頻帶增益都取定為1。經(jīng)過前置放大和濾波處理后的信號還未能完全符合AD轉(zhuǎn)換的要求,為此,在濾波電路后又加了一主放大電路,放大倍數(shù)為50。這樣,整個前置放大濾波電路可將信號放大18.3×50=915倍,使心電信號電壓升到V級。由于放大后的心電信號存在負壓,因此我們對放大后的信號還進行電壓抬升,以滿足AD轉(zhuǎn)換的電壓極性要求。3.2ad轉(zhuǎn)換芯片整個單片機系統(tǒng)的功能主要是在單片機AT89S51控制下,實現(xiàn)對經(jīng)過預(yù)處理后的信號進行采集和AD轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至上位機進行顯示。AT89S51是由ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗,高性能的8位單片機,片內(nèi)含有4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,與標準的8051指令系統(tǒng)兼容。AT89S51以定時中斷方式對AD轉(zhuǎn)換芯片輸出控制脈沖,同時接收AD轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)據(jù),并將接收到的數(shù)據(jù)送至串口傳輸。AD轉(zhuǎn)換芯片采用由TI公司生產(chǎn)的具有12位轉(zhuǎn)換精度的、開關(guān)電容逐次逼近式的TLC2543。TLC2543是具有11個模擬輸入通道12位的AD轉(zhuǎn)換芯片,采用12位的分辨率可以滿足高頻心電圖的分析研究。該元件使用單一的+5V電壓供電,參考電壓為0到+5V。采樣率可達66kb/s,使用簡單靈活。該芯片可在單片機的控制下,以SPI接口方式和單片機進行通信。由于串行通信采用RS232電平信號,而單片機輸出的信號是TTL電平信號,因此為了將心電信號傳至上位機,采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進行信號之間電平的轉(zhuǎn)換。該芯片可將單片機輸出的心電信號的電平轉(zhuǎn)化為RS232電平,并將其傳至上位機進行顯示。圖3是該單片機系統(tǒng)電路原理圖。4系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1基于軟件設(shè)計的虛擬儀器設(shè)計單片機的軟件設(shè)計包括初始化設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換、串口通訊等幾個主要部分,用A51匯編語言編寫。整個單片機程序流程如圖4所示。虛擬儀器操作界面采用NationalInstrument公司開發(fā)的軟件LabVIEW8.2編寫而成,LabVIEW是一個基于G語言的圖形化編程系統(tǒng),應(yīng)用于數(shù)據(jù)的采集,表達與分析等方面。利用LabVIEW進行虛擬儀器的設(shè)計可大大減少工作量。利用LabVIEW設(shè)計的程序一般包括兩個部分,即前面板和后面板。前面板是一個圖形用戶界面,用于模擬真實儀器的面板操作,可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實現(xiàn)圖表、文本等顯示。后面板也叫方框圖程序,框圖程序應(yīng)用圖形編程語言編寫,相當于傳統(tǒng)程序的源代碼。其用于執(zhí)行前面板的控制功能,并將執(zhí)行結(jié)果反饋到前面板進行顯示。本系統(tǒng)的后面板程序利用VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)中的VISAserial函數(shù)模塊進行串行通信的參數(shù)設(shè)計,讀取單片機上傳來的心電信號。同時,完成單片機上傳來的心電信號數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換并實時顯示和存儲心電信號。前面板主要由串行口通信的參數(shù)設(shè)置,心電數(shù)據(jù)的文件存儲路徑和波形圖的顯示界面組成,用戶可通過設(shè)置參數(shù)實現(xiàn)與下位機的通信,并可定時采樣和實時顯示心電波形。系統(tǒng)的前面板分別如圖5所示。5心電阻采集系統(tǒng)我們把系統(tǒng)硬件部分集成在一個PCB板上作為前端數(shù)據(jù)采集卡,利用實驗室一臺型號為啟天M470E的聯(lián)想電腦作為本系統(tǒng)的虛擬儀器載體,進行人體心電信號采集。圖5中的心電波形即為本系統(tǒng)從作者本人身上采集到的一段II導心電信號。從圖5可看出,該心電信號非常清晰,波形平穩(wěn),基本上沒有基頻漂移的干擾,50Hz的工頻干擾也得到了很大的抑制,滿足了進一步處理分