虚拟心电检测仪.docx

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虚拟心电检测仪

课程设计

虚

拟

心

电

检

测

仪

姓名：

胡慧

专业：

测控技术与仪器学号：

1107010103

指导老师：

葛亮

摘要:

心电监护对研究不同状态下的心脏状态具有重要的价值。

本文设计了性能优良的心电信号采集模块，并利用数据采集卡USB6008设置采集通道，将信号采集到PC机上。

用虚拟仪器开发软件LabVIEW对信号进行显示、分析，计算心率等处理.在PC机上实现了具有心电实时采集、分析和存储功能的心电实时监护仪。

关键词:

心电;虚拟仪器;数据采集卡:

LabVIEW

ECGmonitoringinstrumentbasedonLabVIEW

Abstract:

ECGmonitoringhasimportantvaluetostudydifferentconditionofheart.ThispaperdesignsanexcellentperformanceofECGsignalacquisitionmodule,usesthedataacquisitioncardUSB6008tosetacquisitionchannel,thenacquiresECGsignaltoPC.Withthehelpofvirtualinstrument-LabVIEWsoftware,wecandisplayandanalyzethesignal,calculateheartrateandsoon.InthePCECGreal-timemonitorcancollectthereal-timedata,analyzehumanECGandsavethedata.

KeyWords:

ECG;virtualinstrument;dataacquisitioncard;LabVIEW

目录

第一章绪论……………………………………………………………………5

1.1引言……………………………………………………………………5

1.2国内外发展现状………………………………………………………6

1.3虚拟仪器简介…………………………………………………………7

1.4本系统的研究目的和意义……………………………………………8

第二章相关技术理论基础…………………………………………………9

2.1心电学知识……………………………………………………………9

2.1.1心脏的生理结构组成…………………………………………9

2.1.2心脏自律传导系统……………………………………………9

2.1.3心电图导联……………………………………………………10

2.2虚拟仪器技术…………………………………………………………11

2.2.1虚拟仪器技术的发展…………………………………………11

2.2.2虚拟仪器与传统仪器的区别…………………………………12

2.2.3虚拟仪器系统的结构…………………………………………13

2.3信号处理技术…………………………………………………………14

第三章系统硬件设计………………………………………………………15

3.1心电信号分析基础……………………………………………………16

3.2硬件设计原则…………………………………………………………17

3.3硬件设计原理…………………………………………………………18

第四章数据采集系统………………………………………………………23

4.1数据采集指标和目的…………………………………………………23

4.2放大电路的设计………………………………………………………23

4.3A/D转换电路…………………………………………………………24

第五章心电信号处理系统实现……………………………………………25

5.1设计的要求和目的…………………………………………………25

5.2软件总体设计………………………………………………………26

5.3基于LabViEW的程序设计……………………………………………26

5.3.1LabVIEW简介……………………………………………27

总结…………………………………………………………………………28

第一章绪论

1.1引言

当代疾病的流行趋势发生了显著的变化，与人们社会生活方式密切相关的疾病和突发性公共卫生疾病已成为危害人们健康的主要疾病，由此已造成政府与个人医疗开支不断增长的巨大压力。

因此，为患者赢得抢救时间，为所有的监护对象提供24小时医学监护，保健咨询的远程医疗诊断系统，有着极其重要的实际意义。

远程医疗（Telemedicine）指利用通信与信息技术手段为异地对象提供检测、监测、治疗、教育、信息服务的医疗活动（11。

从广义上讲远程是使用远程通信技术和计算机多媒体技术提供医学信息和服务，它包含远程诊断、远程会议、远程教育和远程医学信息服务等所有医学活动，从狭义上讲是指远程医疗，包括远程影像学、远程诊断和远程护理等医疗活动。

它是使用远程通信技术和计算机多媒体技术提供医学信息和服务，通过现代信息技术，特别是双向视听通信技术、计算机及遥感技术，向远方病人传送医学服务或提供医生之间的信息交流。

远程医学以计算机和网络通信为基础，针对医学信息进行远距离传输、存储、查询及显示，随着医学诊疗技术、计算机技术、网络与通信技术的迅猛发展，远程医疗己成为现代医疗技术发展的方向和代表。

1.2国内外发展现状

从本世纪60年代开始，远程医疗主要是通过电话网和有线电视网传送从文字到视频图像信息供医生间交流信息，或向专家进行病案咨询以辅助诊断f21。

远程医疗在三十多年的发展中，运用了传真、电话、无线电通讯到静止图像和实时交互电视技术，以及虚拟现实和远程机器人等一系列新的通讯技术和电子学技术，与医疗保健技术相结合，形成了许多研究方向。

1.3虚拟仪器简介

电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式:

虚拟仪器（VirtualInstrument）}6}。

它是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试（（CAT）领域的一项重要技术。

虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。

虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念[f}l。

打破了传统仪器功能为厂家定义，用户无法修改的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统。

它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。

虚拟仪器与传统仪器相比，具有如下优点

（1）性价比高。

（2）开放系统。

（3）智能化高。

（4）界面友好，使用简便。

（5）具备网络功能。

（6）减小误差。

虚拟仪器技术的出现，提出了对仪器仪表设计制造的新概念。

传统硬件化测试仪器和虚拟仪器的设计制造过程对比如下图所示:

传统硬件化仪器设计制造过程是:

首先是在设计室中完成仪器逻辑框图的方案设计和仪器电路的技术设计;然后在工厂的加工车间进行制板，装配，调试等工序，最后将做好的仪器送到检验室和计量室进行性能测试;一切完毕后运送到仪器仓库中存储起来。

虚拟仪器的设计和制造过程彻底打破这一传统，虚拟仪器将传统仪器的信号的采集与控制、信号分析与处理、结果的表达和输出全部放到计算机上来完成，不仅降低了成本，而且大大简化了仪器的结构和操作。

虚拟仪器还可以和其它设备互联，将虚拟仪器接入网络，可以实现远程监控和管理。

由于在虚拟仪器中，硬件只是为了解决信号的输入输出，测试功能都由软件来实现，使得仪器中的一些硬件从系统中消失。

“软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命。

1.4本系统的研究目的和意义

医疗卫生行业实施现代远程医疗具有非常广泛的意义.

（I）使广大偏远地区的患者获得平等的医疗，减少因地区差异和医疗资源分配不均带来的差异，使边远地区的患者在必要时不必长途跋涉即能得到专家的诊治。

（2）远程医疗可提供及时诊断和治疗，特别是在发生意外伤害时能缩短诊治时间。

因此，在战争中对于及时治疗战士、预防流行病扩散等方面均具有重要作用。

（3）远程医疗通过远程诊断和会诊减少了医生出诊和患者去医院就诊所需的时间和费用，从而减少了医疗费用，特别在一些医生不便或不易到达的特殊场合，如对精神病患者、皮肤病患者、监狱囚犯诊疗，以及对宇航员、极地探险人员、远洋海员和深海航行人员的远程诊疗。

（4）远程医疗对高发病人群，如老年人、残疾人和慢性病患者实行远程家庭监护，因而提高了患者的生活独立和生活质量。

（5）远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心里压力，提高了诊断的准确性，同时也利于疾患的康复。

（6）远程教育具有广泛的服务对象，既可以给医护人员提供继续教育的机会，提高医护人员，特别是边远地区医护人员的医疗水平，也可以对普通患者和健康人群提供一个学习医学知识的机会，提高全民的健康保健水平和预防疾病的能力。

远程心电监护仪可由病人方便的在发生症状时记录心电信号，非常适用于极易发生心律失常、高危险因素的患者及容易出现心源性碎死的患者，如运动员、公司职员、行政管理人员等。

恶性心律时常可在很短时间内引起患者碎死，诊断也常有困难，使用远程心电监测仪后病人自行操作，不必到医院就可记录下心电图，极大地方便了病人的诊断。

远程心电监护仪的信号记录与传输很简便，故具有很大使用价值。

第二章相关技术理论基础

本章从生理学角度介绍心电信号产生的生理机理以及心电图各个波段的意义;了解虚拟仪器技术的发展以及虚拟仪器与传统仪器的区别，分析了虚拟仪器的硬件和软件组成;并对本文用到的信号处理技术作了简单的介绍。

2.1心电学知识

2.1.1心脏的生理结构组成

心脏位于胸腔内，月A肌上方的两肺之间，在胸主动脉和食管之间，心脏外面裹着心包。

本文着重介绍心肌层，因为心肌层与心脏的搏动息息相关，心肌层的一些细胞和组织特殊化后构成了心脏的传导系统。

心肌层主要心肌细胞组成。

根据心肌细胞组织学的特点、电生理特性以及功能上的差异，可以粗略地分为两大类型:

普通的心肌细胞和特殊化的心肌细胞。

它们分别实现特定的职能，完成心脏的整体活动。

2.1.2心脏自律传导系统

心脏特殊（自律）传导系统由特殊化的心肌细胞组成，具有以下功能:

引起心脏自律性兴奋，并将兴奋传到心脏，协调心房和心室按照节律收缩。

如图2-1所示，就是整个心脏的自律传导系统的组成图。

主要包括:

窦房结、房室结、房室束（希氏束）、左右束支。

左右束支分别在左右两侧心内膜深部下降，并逐渐细小化，传到普肯纤维，普肯纤维再和心肌细胞相接。

2.1.3心电图导联

某时刻心脏总电位的大小和方向一定，而记录导联放置位置不同，所以各个导联记录的电位各不相同[18][19][20]。

常见心电图导联有12个，即I,II,III,aVR,aVL,aVF,V1、V2.,V3,V4,V5,V6导联。

肢体导联:

C1）双极标准肢体导联（标准导联）:

I、II、IIIo

C2）单极加压肢体导联:

aVR,aVL,aVFo

胸导联:

V1,V2,V3,V4,V5,V6o

心电监护常选择P波显示，采用肢体导联。

通常选择标准导联II，其次胸导联V3。

本文只介绍常用的标准导联连接方式。

标准I导联:

左上肢（LeftArmLA）与心电图机正极相连，右上肢（RightArm,RA）与其负极相连。

标准II左下肢（LeftLeg}LL）与心电图机正极相连，右上肢（RA）与其负极相连。

标准m:

左下肢（LL）与心电图机正极相连，左上肢（LA）与其负极相连。

而右脚与放大器的参考端相连接，作为放大器的接地端。

2.2虚拟仪器技术

2.2.1虚拟仪器技术的发展

20世纪80年代，计算机技术、总线技术、软件技术、网络技术、微电子技术的发展，及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现，仪器与系统的结构不断推陈出新，电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化，功能与性能得到不断提高。

而计算机（PC机）处于核心地位，计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。

在这样的高新技术背景下，美国国家仪器公司NICNationalInstruments）1986年提出了全新的一个概念—虚拟仪器，虚拟仪器是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心而构成的平台系统。

并在计算机显示屏上，虚拟仪器的面板以及计算机完成的仪器功能，都可以由用户来定义。

LabVIEW的概念来源于柯德斯凯和特鲁查得于20世纪70年代末在ARL（AppliedResearchLaboratory，应用研究实验室）完成的一个大型测试系统，用于美国海军的声纳探测。

通过几年时间的发展，柯德斯凯把得到的启示应用到测试系统软件，从而引入多层虚拟仪器构成的新概念。

1984年，美国国家仪器公司（NI）投资启动LabVIEW项目，1986年正式发布LabVIEW1.0版，同时提出了虚拟仪器的概念。

2.2.2虚拟仪器与传统仪器的区别

虚拟仪器没有传统仪器的常规面板，而是运用计算机强大的图形编程语言来替代，采用可视化操作平台，在计算机显示器上建立图形化的软件面板来代替传统仪器的操作面板。

软件面板上，有和实际仪器相似的开关、旋钮、指示灯等其他的控制元件。

在操作过程当中，用户通过键盘和鼠标以及计算机的相应功能，来检验和控制仪器的通讯以及其他的功能。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有很多的优势，具体比较见表2-1所示:

总之，与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为:

（1）智能化程度高。

（2）复用性强，系统费用低。

（3）可操作性强。

2.2.3虚拟仪器系统的结构

2.2.3.1虚拟仪器的结构组成

虚拟仪器系统由仪器硬件和应用软件两部分组成。

虚拟仪器的功能可以分为三大部分:

信号采集与控制功能模块、数据分析处理功能模块、结果输出模块。

信号采集与控制模块主要由虚拟仪器的通用硬件平台来实现，由仪器驱动程序辅佐完成。

数据分析（包括数值分析、信号处理、统计处理、数字滤波等）和结果显示（包括图形用户接口、文件工,磁盘复制、网络传输等）主要由用户开发得应用软件完成。

（1）虚拟仪器的硬件组成

通用硬件通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备（分立式或模块式仪器），根据不同的接口类型，主要有PC总线的数据采集模块（PC-DAQ）,GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型，或多种类型的组合。

如图2-6所示:

（2）虚拟仪器的软件组成

虚拟仪器软件体系结构VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture）主要包含三个部分:

vo接口程序（VISA库）、仪器驱动程序和应用程序[[26][27]0

2.3信号处理技术

本文用到的信号处理技术主要为高通滤波、低通滤波、陷滤波以及巴特沃斯滤波技术。

滤波电路即为对信号的频率具有选择性的电路[[2s]。

它的功能是可以使得特定频率范围内的信号顺利通过，而其他频率的信号则被阻止，不能通过。

按照滤波电路的工作原理，及其工作频带，可以分为低通滤波器（LPF）}高通滤波器（HPF），带通滤波器（BPF），带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）a本文只介绍高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器。

假设截止频率P，频率低于弄的信号可以通过，高于弃的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波电路。

反之，频率高于P的信号可以通过，而低于P的信号被衰减的滤波电路为高通滤波器。

如果只对某一个频率段的信号进行衰减，如频率fpl和fp:

之间的信号被衰减，这样的电路组成的滤波电路是带阻滤波器。

低通、高通、带阻滤波器的幅频特性（理想状况下）如图2-8所示，图中f1uP为通带输出电压与输入电压之比（通带放大倍数）。

若滤波电路只由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则为无源滤波电路;如果除了无源元件以外，还有有源元件组成，包括双极型管、单极型管、集成运放等，该电路为有源电路。

巴特沃斯滤波器特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。

在振幅的对数对角频率的波特图形上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。

第三章系统硬件设计

3.1心电信号分析基础

3.1.1心电信号的特点

生物医学信号包括心电信号、呼吸信号、脑电信号、肌电信号、血

压信号、脉搏信号等等，这些信号都具有以下几个特点[22].

（1）频率特性:

绝大多数生物医学信号处在低频段，一般认为在DC至1OkHz之ICJ。

（2）幅值特性:

绝大多数生物医学信号幅值非常微弱，随人的年龄、人体部位的不同或个体差异，幅度变化也较大。

（3）各类生物医学信号常常复合交织在一起:

如在采集心电信号时，常常混杂有频带复用而强度更大的肌电信号以及其他无规律的运动干扰信号等，给目标信号采集带来很大困难。

3.1.2心电信号的产生机理

心脏细胞除极和复极的电生理现象，是心脏运动的基础[[23]。

心肌细胞在静止状态时，保持膜内外的电位差别，一般称为极化状态，在动作期电位开始的一瞬间，极化状态消失了，因而把这一过程称为除极过程;心肌细胞经过一次除极后，细胞内又能逐渐恢复其负电位，这一过程称为复极过程。

因而采用微小电极可以在心肌细胞被激动时确切地测定细胞膜内外电位差的变化。

为了研究方便和简化分析，可以把人体看作是一个容积导体，心脏细胞的电偶极子在该容积导体的空间中形成一定方向和大小的电场，所有偶极子电场向量相加，形成综合向量，即心电向量。

3.1.3心电信号的理论分析

心肌细胞的生物电变化是心电图的来源，心电图反映的是一次心动周期中整个心脏的生物电变化，是很多心肌细胞电活动综合效应在体表的瞬时（电位）整体反映。

心电图机就是由体表接触电极置于人体表面间接记录心脏生物电变化的仪器。

正常的人体心电图可以反映心脏激动电位的变化，是由一系列重复出现的下列各波、段和间期组成，如图3-1所示。

3.1.4心电信号的干扰来源

人体心电信号是一种弱电信号，幅值很低，信噪比低，极易受环境影响。

一般正常的心电信号频率范围为0.05^-100Hz，而90%的心电信号（ECG）频谱能量集中在0.25-35Hz之间。

采集心电信号时，会受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种:

3.2硬件设计原则

数据采集系统就是通过信号输入通道测量来自传感器、放大器及其它信号源的输入信号，并能以某种方式对其测得的量值进行数据存储、处理、显示、打印或记录的系统[f2}）。

通常，在信号的量化、截取过程中很容易发生信号的失真，因此在采样过程中要符合采样定理。

在测量过程中，不可避免的渗入一些干扰信号，因此要对信号进行放大、滤波等预处理，提高信噪比，滤除信号中的干扰成分，提取有用信息。

系统设计中，在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到更高的性能价格比，这是本次设计中优先考虑的一个主要因素。

微机和外设是硬件投资中的一个主要部分，应在满足速度、存储容量、兼容性、可靠性的基础之上，合理地选用微机和外设，而不是片面追求高档微机以及外设。

3.3硬件设计原理

生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，它可以反映生命过程中各种生理参数，如心电、脑电、肌电、体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等的变化，所以对它的采集，记录，研究己成为了解生命体各器官功能，进行临床诊断的主要依据。

随着科学技术的发展，越来越多的医学检测手段、方法都向着自动化、智能化方向发展，这就要求对大量的生物医学信号用计算机处理。

而生物医学信号的采集则是这一过程中的重要环节。

心电信号是人类较早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。

自1903年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。

当前，心电信号的检测、处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。

数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件作适当转换后，再经信号调理、量化、编码、传输等步骤，最后送到计算机进行数据处理、显示或者存储记录的过程。

用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem}DAS）。

图3-2是数据采集系统的硬件组成框图。

在将信号进行A/D转换之前，往往要对信号作适当的调理，信号调理的作用是将传感器产生的低电平信号进行缓冲，放大，隔离，滤波，以及线性化等处理，从而更好地满足采样要求。

预处理方法通常有信号放大和滤波处理。

（1）信号放大

这是信号调理最基本的方式，从传感器输出的信号非常微弱，为了完成信号预处理及以后的处理，必须对传感器输出的信号进行放大以提高分辨率，减少噪声。

当被放大后的信号的最大动态电压范围正好等于ADC的动态电压范围时，才可达到最优的测量精度。

（2）滤波处理

滤波的目的是为了消除被测信号中的一些干扰信号。

预处理的核心是使用各种滤波技术提高信号的信噪比。

（3）右腿驱动电路

右腿驱动是心电信号提取中非常有用的方法，它能够使SOHz的工频干扰降低到1%以下，而且不会将心电信号中的SOHz有用信号除去，与右腿接地的方法比较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好，右腿驱动电路是去除人体携带的交流共模干扰的一种有效方法是采右腿驱动电路，通过电阻网络取出的平均交流共模电压，送入右腿驱动放大器反相放大，经限流电阻加到右腿电极，限流电阻在这里起安全保护作用，当病和地之间出现很高电压时，辅助放大器饱和，右腿驱动电路不起作用，由此而得到右腿驱动的名称，右腿驱动电路实际上可以看成是以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路。

其等效电路如图3-4所示。

图中C1为人体对地的分布电容，C2为室电对人体的祸合电容，R1为人体对地呈现的电阻，R2为接到人体的限流电阻。

右腿驱动实质上是共模电压并联负反馈电路，其作用使人体的电位始终保持零电位。

电路中采用了运放OP97，它是一款低功耗、高精度、高共模抑制比（最小为114dB）的运算放大器。

为了消除千扰，电路将共模干扰信号经过负反馈送入右腿，如图3-4所示。

运放的电压增益为R4/（R2IIR3）=1M/11k=91。

低通滤波的截止频率为160Hz，计算如下:

2.后级放大和滤波电路设计

各种生物医学信号的低噪声放大处理，都是首先严格限定在信号所包含的频谱范围之内，利用双T网络和运放构成的有源双T带阻滤波器是为抑制生物医学信号测量中的工频SOHz干扰而经常采用的陷波电路结构。

由于信号在采集过程中，不可避免的混入高频或低频信号，因此在进行数据处理前，要分别进行滤波处理。

2.高通滤波器

为了抑制直流漂移、放大器通带外的低频噪声及由呼吸引起的基线漂移，我们设计了一个简单的RC高通滤波器用来滤除以上所提到的各种低频噪声，如图3-5所示，此滤波器是由R2和C2构成。

滤波器的时间常数t=RC=3S，高通滤波器的截止频率为:

3.低通滤波器

由于心电信号在1OOHz