摘 要：利用具有直觀圖形化編程和強大數(shù)字信號處理功能的虛擬儀器編程語言LabVIEW為開發(fā)平臺，研制了一套虛擬心電數(shù)據(jù)采集、記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有心電波形實時顯示、心率顯示及報警，波形存儲及回放等功能。 關鍵詞：心電 數(shù)據(jù)采集 LabVIEW 虛擬儀器 Abstract: A virtual ECG recording system has been developed based on the platform of virtual instrument program language of LabVIEW, which has powerful digital signal processing and visually figure programming function. The system’s functions include real-time ECG waveform display, heart rate display, alarm for abnormal heart rate, ECG waveform storage and redisplay. key word: ECG; data acquisition; LabVIEW; virtual instrument. 1 引言 　　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。 　　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(chǎn)技術要求較高，設備價格較貴，且維護和更新不便。虛擬儀器技術的發(fā)展為改造傳統(tǒng)的心電記錄設備提供了很好的技術支持，它利用計算機強大的軟件處理功能和豐富的硬件資源來組成插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，利用豐富的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)通常由硬件完成的功能。 　　LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形化虛擬儀器開發(fā)軟件，它具有編成簡單，結(jié)果直觀等特點。我們利用LabVIEW、自制多路心電放大器和PCI6023數(shù)據(jù)采集卡組成虛擬儀器系統(tǒng)，開發(fā)出界面友好的智能化心電采集、記錄、分析系統(tǒng)，使心電數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲、回放和分析等全部由計算機完成，克服臨床醫(yī)生心電分析個體差異，同時也方便構成遠程監(jiān)護和診斷系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)構成 　　心電信號采集、記錄系統(tǒng)如圖1所示，主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件主要包括多路心電放大器、數(shù)據(jù)采集卡和PC機組成。其主要功能是實現(xiàn)心電信號的采集、處理和A/D轉(zhuǎn)換，將信號通過DAQ板引入PC機進行處理。軟件采用LabVIEW 6i對采集到的心電信號進行顯示、分析和處理。 　　多路心電放大器為自行設計，其組成框圖2所示，主要包括前置放大器、帶通濾波器、工頻陷波器、主放大器和光電耦合電路組成。前置放大器選用AD公司的高性能精密儀表放大器件AD620組成，采用該器件設計出的生物電前置放大器，電路結(jié)構簡單、調(diào)試方便，很容易滿足心電前置放大器高輸入阻抗、高增益、低噪聲、低漂移等技術指標;帶通濾波器由截止頻率為0.05Hz的一階有源高通濾波器和截止頻率設計為400Hz的4階Butterworth低通濾波器組成，實現(xiàn)對干擾信號的濾除和讓0.05～100Hz的心電信號無失真地通過;工頻干擾的濾除由采用雙T有源濾波器形式的50Hz陷波器完成;主放大器用來對處理過的心電信號進行調(diào)理，以滿足PCI6023數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號的電平要求;光電耦合器用來實現(xiàn)人體與電器上的隔離，保證人體電氣安全。 3 系統(tǒng)軟件設計 　　LabVIEW開發(fā)平臺下編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI包括三個部分：前面板程序、框圖程序和圖標/連接器。前面板程序的功能是實現(xiàn)信號采集的控制、處理和直觀表達;框圖程序程序乃系統(tǒng)程序的圖形化源代碼，主要包括函數(shù)、結(jié)構和代表前面板上各控制對象和顯示對象的端子以及連線等，用于實現(xiàn)對信號的采集處理和分析等操作。 　　前面板設計 　　利用LabVIEW 6i設計的心電采集系統(tǒng)的前面板如圖17所示。虛擬儀器的前面板是儀器與用戶交互的可視化操作界面，用戶通過操作前面板的各種開關和按鈕，可以實現(xiàn)心電信號的實時采集、心率計算與顯示、波形存儲和回放等各項功能。前面板中設置了兩個波形顯示控件，左上面用來實時顯示采集到的心電波形，左下面用來現(xiàn)實回訪的波形，以利于醫(yī)生觀察、診斷所需的心電圖。 [align=center] 圖3 心電采集記錄系統(tǒng)前面板[/align] 　　心電信號實時采集顯示程序 　　程序設計了一循環(huán)結(jié)構，通過“停止”開關決定是否進入心電采集狀態(tài)。通過“開始采樣”按鈕狀態(tài)控制進入內(nèi)循環(huán)結(jié)構，通過調(diào)用“AI READ”程序完成心電信號的實時采集，其中設置的每秒掃描數(shù)為scans/s,緩沖區(qū)的大小為個掃描數(shù)據(jù)，一次讀入的掃描數(shù)為scans,并用循環(huán)寄存器保存每次讀入規(guī)定掃描數(shù)后，內(nèi)存中尚未讀取的采樣數(shù)據(jù)個數(shù)。同時再調(diào)用一個“case”結(jié)構完成心率的實時顯示。程序通過調(diào)用一個“case”結(jié)構完成心率的實時顯示。心電信號實時采集、顯示框圖程序如圖4所示。 [align=center] 圖4 實時采集、顯示框圖程序[/align] 　　心律計算程序 　　本模塊的程序代替了傳統(tǒng)心電圖機硬件電路中的微分，整形和計數(shù)器電路，采用軟件方法完成心電信號的R波檢測、周期和心率計算功能。將采集到的實時心電信號接入“peak detect”程序?qū)崿F(xiàn)R波的檢測，從而計算出兩個R波間期和心率。 [align=center] 圖5 心律計算框圖程序[/align] 4 心電信號處理 　　從圖6采集到的心電波形可以看出，信號中的干擾成分主要為高頻干擾、工頻干擾和基線漂移，對R波檢測和R-R間期計算會產(chǎn)生很大的誤差，因此需對信號進行有效的濾波處理，計算、分析程序才能得出正確的結(jié)果。 [align=center] 圖6 原始心電信號波形[/align] 　　LabVIEW 6i 具有較強的信號處理能力，其中有多種形式的數(shù)字濾波器可供選擇。采用Singal Processing ToolBox控件中的Equi-Ripple Bandstop實現(xiàn)對50Hz工頻信號的消除;采用Median Filter控件實現(xiàn)消除基線漂移功能;利用Digital FIR filter控件中的Chebyshev數(shù)字濾波器實現(xiàn)對高頻信號的濾除。通過以上方法處理后的心電信號波形如圖7所示，從中可以看出，各種干擾信號得以有效濾除、R波得以提升，達到了理想的效果。 [align=center] 圖7 處理后心電信號波形[/align] 5 結(jié)束語 　　LabVIEW為研制開發(fā)智能化醫(yī)學儀器提供了很好的開發(fā)環(huán)境，利用LabVIEW開發(fā)虛擬醫(yī)學儀器具有結(jié)果顯示直觀、程序設計簡單和開發(fā)周期短等優(yōu)點。我們利用LabVIEW研制的心電采集、記錄系統(tǒng)目前只初步完成了一些主要功能，進一步的研究內(nèi)容主要包括放大器增益的程序控制、導聯(lián)自動選擇、時間常數(shù)選擇、濾波器選擇和信號處理軟件的完善等，相信經(jīng)過進一步的優(yōu)化，完全可以滿足醫(yī)學電子儀器實驗教學和臨床診斷的需要。 　　本文作者創(chuàng)新點：利用LabVIEW 6i構成虛擬心電記錄系統(tǒng);LabVIEW環(huán)境下心電信號R波提取的軟件實現(xiàn);LabVIEW環(huán)境下信號濾波軟件實現(xiàn)。 參考文獻 　　[1]趙崇侃. 雙時值QRS波檢出電路[J],中國醫(yī)療器械雜志, 1995,19（3）:158-160 　　[2]鄧東云,等. 一種生理弱信號的模擬處理電路的設計[J],中國醫(yī)療器械雜志, 1994,18（5）:262-265 　　[3]汪敏生等譯著. LabVIEW基礎教程[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.1 　　[3] LabVIEW Measurements Manual[M]. National Instruments, 2000.7 　　[4]于杰、李川勇等.基于LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)的設計[J],生物醫(yī)學工程與臨床,2001,5（3）: 131-133 　　[5]王建群 南金瑞等. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[J],計算機工程與應用, 2003,21: 122-125 　　[6]燕延、馬增強等. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理軟件編程技巧[J],微計算機信息,2005,21（5）: 153-154