基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電儀的設(shè)計(jì)

0引言

心血管疾病日益嚴(yán)重地威脅著人類的生命，通過(guò)日常監(jiān)護(hù)預(yù)先發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)施救，是對(duì)抗心血管疾病的重要手段。近年來(lái)一些便攜式的家用心電儀陸續(xù)誕生，滿足了心電參數(shù)快速采集的基本需求，改善了家庭護(hù)理?xiàng)l件。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和分析對(duì)便攜式心電儀在信息可視化、數(shù)據(jù)記錄分析以及資源共享等方面提出了新的需求。

虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)作為統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，兼具傳統(tǒng)儀器的功能和計(jì)算機(jī)智能資源。利用虛擬儀器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖形界面功能，開發(fā)小型化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的家用心電儀，可以很好地實(shí)現(xiàn)信息可視化、數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程共享功能。

圖1 基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)(如圖1)，重點(diǎn)介紹可移動(dòng)終端與虛擬分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?？梢苿?dòng)終端基于51單片機(jī)與相關(guān)的模擬電路開發(fā)實(shí)現(xiàn)，虛擬分析儀則通過(guò)計(jì)算機(jī)上的LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)?；颊叩男碾娦畔⒂煽梢苿?dòng)終端采集，經(jīng)處理得到標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號(hào)，無(wú)線傳送至虛擬分析儀，實(shí)現(xiàn)圖形化的顯示、記錄與數(shù)據(jù)分析功能。虛擬分析儀還能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的信息共享，達(dá)到對(duì)特定對(duì)象重點(diǎn)監(jiān)護(hù)的目的。

1可移動(dòng)終端

可移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、傳輸與就地顯示，由心電信息采集模塊、主控制器、顯示模塊、電源模塊和無(wú)線通訊模塊五部分組成(圖2)。

圖2 可移動(dòng)終端結(jié)構(gòu)圖

1.1心電信息采集模塊

體表心電信號(hào)極其微弱，極易夾雜噪聲干擾，心電信息采集模塊就是通過(guò)反復(fù)的放大與濾波來(lái)提取其中的有效信息。信號(hào)處理步驟主要包括：前置放大、帶通濾波、工頻陷波、次級(jí)放大和電平抬升(圖3)。

圖3 心電信息采集模塊電路結(jié)構(gòu)框圖

圖4 LMC7660電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

前置放大部分采用具有高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路。帶通濾波部分由高通濾波器和低通濾波器組成，設(shè)計(jì)通頻帶為0.3～100Hz.50Hz工頻干擾采用雙T陷波電路來(lái)抑制。濾除噪聲之后，還需經(jīng)過(guò)次級(jí)放大與電平抬升以使波形覆蓋A/D采樣的電壓范圍，保證轉(zhuǎn)換精度，通過(guò)同相放大電路與加法電路實(shí)現(xiàn)。信號(hào)最后輸出到主控制器STC12C5A08AD的A/D模塊。

為保證系統(tǒng)的性能，前置放大電路采用高精度、高輸入阻抗儀表放大器AD620，其他電路均選用高精度低噪聲運(yùn)算放大器OP07來(lái)設(shè)計(jì)。

1.2電源模塊

系統(tǒng)采用5V鋰電池供電，但由于運(yùn)算放大器需要正負(fù)電源供電，所以通過(guò)LMC7660來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)-5V的電壓轉(zhuǎn)換電路。LMC7660是高度集成的CMOS電壓轉(zhuǎn)換器，只需外接一個(gè)10μF的充電電容(圖4)，具有寬工作電壓范圍與高電壓轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)。

1.3無(wú)線通訊模塊

無(wú)線通訊模塊是聯(lián)系可移動(dòng)終端與虛擬分析儀的紐帶，保證了系統(tǒng)的便攜性與靈活性。選用APC220集成半雙工微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，為底層設(shè)置提供了通用接口，方便在線修改參數(shù)，無(wú)需編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，大大提高了開發(fā)效率。其引腳定義如表1所示。

可移動(dòng)終端與虛擬分析儀各配一塊APC220模塊，終端與APC220直接通過(guò)串口(RXD、TXD)連接，分析儀則通過(guò)TTL-USB轉(zhuǎn)換器與APC220通訊。

1.4主控制器與顯示模塊

主控制器是整個(gè)可移動(dòng)終端的核心，接收信息采集模塊輸出的波形，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出功能，選用51內(nèi)核的單片機(jī)STC12C5A08 AD.STC12C5A08AD是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k字節(jié)Flash，1280字節(jié)RAM，內(nèi)部集成8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換通道。顯示模塊選用點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏FYD12864，分辨率為128×64點(diǎn)，帶中文字庫(kù)。

主控制器電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、A/D接口電路、顯示接口電路和串行通信電路(圖5)。單片機(jī)通過(guò)P1.0(ADC0)口接收采集模塊的輸出信號(hào);通過(guò)地址線(P2.3，P2.4)、數(shù)據(jù)線(P0口)、控制線(P2.0，P2.1，P2.2，P2.5)控制12864顯示屏;通過(guò)串行口(P3.0，P3.1)與通訊模塊相連。復(fù)位電路包括上電復(fù)位與按鍵復(fù)位;晶振的時(shí)鐘頻率選為11.0592MHz，確保精確的通信波特率。

圖5 主控制器及其接口電路原理圖

STC12C5A08AD兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)，采用工程上普遍使用的C51語(yǔ)言來(lái)編寫程序。主要包括A/D轉(zhuǎn)換、串口發(fā)送和波形顯示。

首先設(shè)置串口的工作方式、波特率，選擇STC12C5A08AD自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道ADC0，定義其工作在單端方式，通過(guò)定時(shí)器溢出觸發(fā)方式來(lái)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換完成自動(dòng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，將結(jié)果存入RAM.再將RAM中的數(shù)據(jù)寫入串口緩存器SBUF，完成串口發(fā)送。程序流程如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換與串口通信程序流程圖

圖7 波形顯示程序流程圖

波形顯示主要通過(guò)定時(shí)刷新液晶屏圖片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。屏幕橫軸表示時(shí)間刻度，縱軸表示電壓值;根據(jù)橫向分辨率定義一個(gè)長(zhǎng)度為128的數(shù)組。每隔一定的時(shí)間，根據(jù)當(dāng)前RAM存入的數(shù)據(jù)a點(diǎn)亮坐標(biāo)(1，a)，同時(shí)將之前點(diǎn)亮的點(diǎn)全體向右移動(dòng)一格，并將數(shù)組長(zhǎng)度減1.待數(shù)組長(zhǎng)度減至0，則清屏重新開始，如此往復(fù)循環(huán)。程序流程如圖7所示。

2虛擬分析儀

虛擬分析儀包括無(wú)線通訊模塊與計(jì)算機(jī)，無(wú)線通訊模塊在1.3小節(jié)中已有詳細(xì)介紹，計(jì)算機(jī)為普通家用計(jì)算機(jī)。該部分是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐，承擔(dān)著信息展示、綜合分析與資源發(fā)布等功能，通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)，其功能結(jié)構(gòu)與工作流程如圖8所示。

圖8 虛擬分析儀結(jié)構(gòu)圖

虛擬分析儀采用NI公司的LabVIEW8.5軟件進(jìn)行開發(fā)，其面板采用圖形化的編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)了通訊端口設(shè)置、心電圖顯示存儲(chǔ)、心率計(jì)算、健康狀況評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能模塊。程序流程圖如圖9所示，首先設(shè)置通訊端口參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)波形圖的方式顯示與保存;同時(shí)通過(guò)波形圖計(jì)算心率，并存入數(shù)據(jù)庫(kù);根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的模型與實(shí)時(shí)心率綜合分析患者當(dāng)前的健康狀況，并將波形、心率、評(píng)估信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享。

圖9 虛擬分析儀程序流程圖

2.1通訊端口設(shè)置

無(wú)線通訊模塊與分析儀通過(guò)USB映射的虛擬串口通訊，不同的終端設(shè)備通過(guò)串口號(hào)來(lái)區(qū)分。同時(shí)，還需設(shè)置數(shù)據(jù)格式和傳輸速率，以便相互匹配。該功能利用LabVIEW自帶的visa驅(qū)動(dòng)來(lái)開發(fā)，端口號(hào)為COM3，波特率9600b/s，8bit，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

2.2心電圖顯示與存儲(chǔ)

心電圖顯示是將從通訊端口讀取的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示在面板上，同時(shí)將歷史波形以文件的形式存儲(chǔ)，隨時(shí)調(diào)用回放。波形顯示利用LabVIEW自帶的波形圖控件，將串口讀入的值轉(zhuǎn)化成數(shù)組，再轉(zhuǎn)化成圖形顯示在面板上。波形存儲(chǔ)則利用“寫入波形至文件”函數(shù)實(shí)現(xiàn)，用條件結(jié)構(gòu)來(lái)控制其運(yùn)行。

2.3心率計(jì)算與分析

由于心電圖波形信號(hào)成分比較復(fù)雜，波形的頻率并不直接等于心率，所以心率的計(jì)算需要基于波形圖像的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)觀察波形可知，一次心跳伴隨著一個(gè)較窄的尖峰脈沖，只要準(zhǔn)確地捕捉到尖峰脈沖，就能求得心率。對(duì)尖峰脈沖的檢測(cè)，可以調(diào)用LabVIEW自帶的“波峰檢測(cè)”函數(shù)，注意合理的閾值和寬度設(shè)置，需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反復(fù)調(diào)試。心率計(jì)算的算法為：

式中，F(xiàn)表示心率，T表示相鄰波峰時(shí)間間隔，l表示相鄰波峰索引位置之差，t表示相鄰兩點(diǎn)采樣時(shí)間間隔，f表示采樣頻率。

“波峰檢測(cè)”函數(shù)計(jì)算出當(dāng)前波峰所處的索引位置，利用移位寄存器可以求出相鄰兩波峰的索引位置之差l，將其乘以相鄰采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔t，得到相鄰波峰的時(shí)間間隔，也即兩次心跳的時(shí)間間隔，從而得到心率。

分析儀將長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得到的波形和心率數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合時(shí)間、環(huán)境、既往病史等因素建立患者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀８鶕?jù)大量的數(shù)據(jù)計(jì)算出患者的心率平均值、正常心率范圍等參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前的測(cè)量值，給出異常狀況的提醒與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)健康狀況的初步評(píng)估。

2.4網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能為遠(yuǎn)程訪問提供了一個(gè)客戶端接口，醫(yī)療機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從web瀏覽器直接訪問虛擬分析儀，獲取最及時(shí)的患者信息，進(jìn)行更為專業(yè)的分析與診斷。利用“Web發(fā)布工具”，設(shè)置查看方式與URL地址，即可實(shí)現(xiàn)該功能。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計(jì)、制板、安裝、聯(lián)調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定之后，選取健康志愿者進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理如圖10所示，體表信號(hào)通過(guò)心電導(dǎo)聯(lián)進(jìn)入可移動(dòng)終端，在虛擬分析儀面板上顯示心電圖波形、心率以及分析結(jié)果：同時(shí)，用示波器測(cè)量心電信息采集模塊的輸出信號(hào)，以此作為真實(shí)的心電圖波形，人工計(jì)算心率真實(shí)值，對(duì)分析儀顯示的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

圖10 測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理圖

以一名志愿者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，分別得到心電信息采集模塊輸出的波形(圖11)和虛擬分析儀的運(yùn)行界面(圖12)，兩種方法得到的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。同時(shí)，分析儀的心率數(shù)據(jù)以儀表盤的形式圖形化顯示，數(shù)據(jù)分析面板顯示為“正常”，遠(yuǎn)程訪問的功能也基本實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，心電儀波形失真小、測(cè)量精度較高、數(shù)據(jù)分析功能強(qiáng)、可視化程度高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖11 心電信息采集模塊輸出信號(hào)

圖12 虛擬分析儀運(yùn)行狀態(tài)

4結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電儀遵循模塊化的設(shè)計(jì)理念，以低廉的硬件成本實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者心電信息的采集、顯示、存儲(chǔ)和分析，具有靈活便攜、可靠性高的特點(diǎn);借助計(jì)算機(jī)與LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，開發(fā)了人性化的信息集成與數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)異常狀況及潛在威脅給予提醒，達(dá)到預(yù)防保健的目的;開放式的網(wǎng)絡(luò)訪問接口便于專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)患者進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)護(hù)，進(jìn)一步保障了患者的生命安全。具有較強(qiáng)的臨床實(shí)用價(jià)值。