基于虛擬儀器的家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

摘要：介紹了基于虛擬儀器的家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)人體心電信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)了性能優(yōu)良的心電信號(hào)調(diào)理、采集電路；利用NI公司的USB6008作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，配置了DAO數(shù)據(jù)采集卡。利用LabVIEW友好的圖形化界面和流程圖設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)了用戶登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，波形存儲(chǔ)模塊，診斷報(bào)警模塊等模塊。
關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；MSP430；數(shù)字濾波

    由于人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快和環(huán)境污染等一系列因素的影響，心臟病、高血壓等心腦血管疾病進(jìn)入高發(fā)期，這類疾病的發(fā)作具有隱藏性、突發(fā)性和極大危險(xiǎn)性，一般需要通過(guò)心電監(jiān)護(hù)儀對(duì)心電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。若病人在家進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)既可緩解醫(yī)院病床、醫(yī)護(hù)人員等醫(yī)療資源的壓力，又可減輕病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，本文正是在這種背景下設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器的家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 心電信號(hào)的硬件采集電路
    通過(guò)體表電位提取出的心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的生物電信號(hào)，它具有一般生物信號(hào)的特點(diǎn)：1)信號(hào)強(qiáng)度微弱；2)不穩(wěn)定性；3)低頻特性；4)隨機(jī)性。在利用電極采集心電信號(hào)的過(guò)程中，常常摻雜著各種各樣的噪聲。由于心電信號(hào)比較微弱，極易受到外部環(huán)境的影響。來(lái)自心臟以外的人體器官也會(huì)產(chǎn)生生理信號(hào)，這種生理信號(hào)會(huì)嚴(yán)重干擾心電信號(hào)的識(shí)別，甚至完全湮沒(méi)心電信號(hào)。還有，外部機(jī)器設(shè)備的信號(hào)噪聲干擾等，都會(huì)對(duì)心電信號(hào)的測(cè)量、波形識(shí)別和病癥診斷帶來(lái)不利影響。

    本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，首先由體表前置電極采集心電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大(包括前置放大和次級(jí)放大電路)，心電濾波電路濾波(低通和高通濾波電路)，50Hz工頻陷波器陷波濾除工頻干擾，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行后期處理，其中還包括檢測(cè)電極是否脫落電路。
1．1 前置運(yùn)算放大電路
    為了克服測(cè)量生物電時(shí)伴隨的較強(qiáng)的共模干擾(主要是50Hz干擾)，在生物電放大器的前置級(jí)通常采用差動(dòng)放大以提高共模抑制比。

1．2 次級(jí)放大電路
    由于前置運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)有限(一般不大于30倍)。信號(hào)放大倍數(shù)不足，在實(shí)際應(yīng)用中往往要求輸出信號(hào)為伏級(jí)，需要次級(jí)放大電路，又由于經(jīng)前置運(yùn)算放大器放大的信號(hào)變?yōu)榉聪?，因此采用反相比例放大電路。則，最終輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。

    本設(shè)計(jì)中反相放大器的放大倍數(shù)為30。與前置放大器的放大倍數(shù)相疊加后，總的放大倍數(shù)可達(dá)600倍，可以將毫伏級(jí)的心電信號(hào)放大到伏級(jí)，并處于0V到1．8V之間。
1．3 心電信號(hào)濾波電路
    為使電路具有較窄的過(guò)渡帶和較好的濾波效果，本文采用壓控電壓源二階低通濾波電路進(jìn)行濾波，電路如圖4所示。該電路由兩級(jí)RC濾波器串聯(lián)和同相放大電路組成。其中同相放大電路實(shí)際上就是所謂的壓控電壓源，它的電壓增益就是低通濾波的通帶電壓增益。

    由于心電信號(hào)微弱，且頻率為0．5～100Hz，需要多級(jí)濾波，必須設(shè)計(jì)高通濾波電路，這里采用壓控電壓源二階高通濾波器。電路如圖5所示。

1．4 50Hz工頻陷波電路
    心電信號(hào)微弱，易于受到外界信號(hào)干擾，特別是在此頻段內(nèi)容易受到強(qiáng)烈的干擾源，如50Hz或60Hz市電電剛信號(hào)的影響。為了去除系統(tǒng)中產(chǎn)生的50Hz交流干擾，本設(shè)計(jì)采用了雙T網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。Q越高，頻率選擇性越好，但是Q值越高，濾波器總體的性能不穩(wěn)定，當(dāng)Q值過(guò)大時(shí)，將在50Hz附近丟失過(guò)多的信號(hào)，產(chǎn)生波形失真，對(duì)于包含50Hz的信號(hào)是不利的。

1．5 電極脫落檢測(cè)電路
    由于患者在使用便攜心電監(jiān)護(hù)儀時(shí)行動(dòng)是不受限制的，患者在身體活動(dòng)時(shí)，貼在患者身上的導(dǎo)聯(lián)極有可能發(fā)生松動(dòng)或脫落的現(xiàn)象。如果在采集心電信號(hào)時(shí)出現(xiàn)電極脫落，或?qū)щ姼喔稍锒蓜?dòng)或脫落的情況，但未被患者察覺(jué)，采集到的數(shù)據(jù)將失去意義。
    因此，電極導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路是十分必要的，電路如圖7所示。

    U3A采用LM324，構(gòu)成電壓跟隨器，以隔離前后電路，使其不相互影響。R3、R4、R5、C2組成低通濾波器，防止50Hz工頻干擾使其誤翻轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)
    本文用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(NI)開(kāi)發(fā)的虛擬儀器編程軟件LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的界面及控件設(shè)計(jì)功能和信息處理能力，進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)的信息處理。選擇了NI公司的USB6008作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括以下幾個(gè)模塊：用戶登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、波形存儲(chǔ)模塊和診斷報(bào)警模塊等，如圖8所示。
2．1 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主界面是系統(tǒng)的核心界面，操作者可通過(guò)點(diǎn)擊界面上的按鈕實(shí)現(xiàn)軟件的功能，其中在主界面上顯示心電信號(hào)波形、用戶信息、心電信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)，和心率診斷情況，還包括系統(tǒng)停止按鈕和信息存儲(chǔ)按鈕，如圖9所示。

    用戶界面顯示采集到的心電信號(hào)，操作者可以輸入用戶信息，系統(tǒng)將自動(dòng)顯示受試者的心電波形信息，并對(duì)心率進(jìn)行診斷，可以判斷心率正常、心律不齊、心動(dòng)過(guò)速、心動(dòng)過(guò)緩等；當(dāng)需要保存用戶信息時(shí)，點(diǎn)擊“保存至文件”按鈕，可以對(duì)信息進(jìn)行保存；當(dāng)需要停止系統(tǒng)時(shí)，點(diǎn)擊“停止”按鈕，系統(tǒng)就自動(dòng)停止工作。
2．2 用戶登錄模塊
    用戶登錄模塊也可以稱為患者信息記錄模塊，主要為了錄入使用者的個(gè)人信息，便于醫(yī)生查看和與相應(yīng)的心電信號(hào)對(duì)應(yīng)存放。錄入的信息主要是與疾病診斷和預(yù)防有關(guān)的個(gè)人信息，包括姓名、性別、年齡，如圖10所示。此外，還可以設(shè)置密碼，以便專用人員才可以錄入、查看和修改患者的個(gè)人信息，保護(hù)患者個(gè)人隱私的安全。

2．3 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口完成對(duì)DAQ數(shù)據(jù)采集卡的初始化工作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理過(guò)程中，信號(hào)必然要受到外界干擾和內(nèi)部噪聲的影響，雖然我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，來(lái)消除外部干擾，但由于硬件電路內(nèi)部的噪聲仍然存在，噪聲不能消除，只能抑制。為了改善信號(hào)的質(zhì)量，方便后期處理，可以在軟件中采用五點(diǎn)平滑消噪法，以抑制噪聲的影響。

    X[t]和Y[t]分別為原始信號(hào)采樣數(shù)據(jù)和處理后的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)，圖11為五點(diǎn)平滑消噪法處理信號(hào)的效果比較圖。
2．4 數(shù)據(jù)顯示模塊
    數(shù)據(jù)顯示模塊的主要功能是將采集到的心電數(shù)據(jù)以及分析后的結(jié)果，及患者個(gè)人信息顯示在前面板上。數(shù)據(jù)顯示界面中最為直觀的是心電波形顯示界面，如圖12所示。

2．5 數(shù)據(jù)分析模塊
    信號(hào)分析與處理模塊是虛擬儀器必不可少的重要組成部分。在由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成信號(hào)的采集后，就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，分析處理方法不同，就能構(gòu)成不同的儀器。信號(hào)的分析與處理方法有很多種，在設(shè)計(jì)虛擬儀器時(shí)可根據(jù)所需的功能和信號(hào)的特點(diǎn)，來(lái)選擇最合適的方法。

    本系統(tǒng)中測(cè)量電壓的直流分量，心電信號(hào)峰值、谷值、峰峰值、周期平均值、周期均方根等，選用現(xiàn)成的VI函數(shù)Amplitude＆Level Meas urement VI，而Timing＆Transition Measurement可以直接用來(lái)測(cè)量心電信號(hào)的頻率、周期等參數(shù)。然后再通過(guò)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算，就可算出心率，進(jìn)而可以判斷心率是否正常等。分析結(jié)果在前面板上顯示如圖13所示。
2．6 數(shù)據(jù)管理模塊和波形存儲(chǔ)模塊
    數(shù)據(jù)管理模塊和波形存儲(chǔ)模塊都屬于信息的管理與存儲(chǔ)，可以合并為一個(gè)部分。在LabVIEW中對(duì)數(shù)據(jù)的管理有兩種基本方式：基于文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式和基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。

    在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集了一些志愿者的心電信號(hào)，并進(jìn)行了分析處理，病人的心電波形圖如圖14所示；病人的診斷報(bào)告如圖15所示，通過(guò)把心電信號(hào)存儲(chǔ)為文檔形式，可以直接從中看出病人的診斷報(bào)告數(shù)據(jù)，便于醫(yī)生作為診斷治療的依據(jù)和參考。
2．7 診斷報(bào)警模塊
    心電信號(hào)的診斷與報(bào)警系統(tǒng)的主要作用是對(duì)所采集的心電信號(hào)進(jìn)行處理、判斷和報(bào)警等操作。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的判斷方法有兩種，即設(shè)定心率的最大值和最小值，也就是上下限，分別為100次每分鐘和160次每分鐘。本系統(tǒng)中用長(zhǎng)條布爾指示燈顯示報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)采集的心率高于100次每分鐘時(shí)，紅色指示燈便點(diǎn)亮，表示心動(dòng)過(guò)速；當(dāng)心率低于60次每分鐘時(shí)，橙色指示燈便點(diǎn)亮，表示心動(dòng)過(guò)緩；當(dāng)心率為60-100次每分鐘時(shí)，心率正常的指示燈點(diǎn)亮為綠色，表示心率在正常范圍內(nèi)；當(dāng)間隔超過(guò)30秒的兩次平均心率相差5次以上，就顯示為心律不齊，心律不齊的黃色指示燈便點(diǎn)亮，如圖16所示。

    當(dāng)診斷結(jié)束時(shí)可以點(diǎn)擊“保存至文件”按鈕，將患者個(gè)人信息、患者心電波形、心電信號(hào)參數(shù)及診斷信息保存至文件或數(shù)據(jù)庫(kù)，以便以后查閱。最后，可以點(diǎn)擊“停止”按鈕，使系統(tǒng)停止工作。
    本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完整、操作方便、界面友好，能夠完成對(duì)心電的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。