（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的远程心电监护系统的设计.pdf

摘要远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 是计算机网络技术在医学领域的应用，随着计算机网络技术、多媒体技术和通讯技术的快速发展，远程医疗系统得到了广泛的应用。美国国家仪器有限公司( n a t i o n a lh s t r u m e m s ，简称n i ) 开发的虚拟仪器编程语言l a b v i e w 提供丰富的函数库，利用i o 接口设备完成信号的采集和测试，利用计算机强大的软件功能实现数据的运算、分析和处理，利用计算机显示器来模拟传统仪器的控制面板，从而利用计算机仪器系统技术来完成各种测试功能。本文通过对国内外医疗系统发展的分析，针对现代医疗监护系统的要求，利用l a b v i e w 平台开发了基于虚拟仪器的远程心电监护系统。首先，根据心电信号的特点，设计心电采集模块，包括心电前置放大器，右腿驱动电路，高通滤波器，低通滤波器，可变q 值5 0 h z 双t陷波电路和增益可调电路。其次，软件上采用l a b v l e w 强大的图形语言，设计了操作简单、界面优美的p c 机测试系统，包括对采集上来的心电信号的分析处理和显示存储，同时设置了自动报警系统，操作者可以实时监测被测者的心电情况，便于及时做出诊断，及早治疗。最后，实现了心电监测系统的网络化，通过d a t a s o c k e t 技术实现了对监测数据的动态传输，利用d a t a s o c k e t 技术实现了远程数据采集，采用w e b b r o w s e r 模式建立了一套网络化的远程心电监护系统，采用i e浏览器通过i n t e m e t 在任何地点都可实时查看远方被测用户的心屯状况。此系统已经具备了远程医疗系统的基本功能，对我国远程医疗系统构建具有一定的研究价值和使用价值。关键词：虚拟仪器远程医疗心电l a b v l e wd a t a s o c k e ta b s t r a c tt e l e m e d i c i n ei sa na p p l i c a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n i q u ei nn l ef i l e do fm e d i c i n e w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n go fc o m p u t e rn e t w o r k ,m u l t i m e d i aa n dc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g y , t e l e m e d i c i n es y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d n a t i o n a li n s t r u m e n t sd e v e l o p e dav i r t u a li n s t r u m e n tl a n g u a g e l a b v i e w ：i th a sa b u n d a n tf u n c t i o n s u s i n gi oi n s t r u m e n tr e a l i z ea c q u i s i t i n ga n dt e s ti n go fs i g n a l s ，u s i n gp o w e r f u ls o f t w a r er e a l i z ec a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n ga n dd i s p o s i n go fd a t a , u s i n gt h ed i s p l a y e rt os i m u l a t et h et r a d i t i o nc o n t r o lp a n e l i no r d e rt or e a l i z ea l lk i n d so ft e s t i n gf u n c t i o n st h r o u g hc o m p u t e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef o r e i g nt e l e m e d i c i n ed e v e l o p m e n t ，a c c o r d i n gt ot h er e c e n tt e l e m e d i c i n er e q u i r e m e n t s d e s i g nat e l e m e d i c i n es y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t f i r s t l y , e l e c t r o c a r d i os i g n a lc o l l e c t i v em o d u l e ，i n c l u d i n ge c gs i g u a l p r e a m p l i f i e r , h i g h - - p a s sf i l t e r , l o w - - p a s sf i l t e r , 5 0h zd o u b l ett r a pf i l t e rw i t ha d j u s t a b l eq v a l u e ，c i r c u i tw i t ha d j u s t a b l eg a i n ，h a sb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee c gf e a t u r e s e c o n d ，u s i n gp o w e r f u lg r a p hl a n g u a g el a b v i e w ，d e s i g n e da ne a s yt oo p e ：r a t ea n db e a u t i f u lp ct e s ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s ea n dd i s p o s a la n dd i s p l a ya n ds t o r et h ee c gd a t a ，m e a n w h i l e ，d e s i g na u t o a l a r l t ls y s t e m ，t h eo p e r a t e rc a nm e a s u r et h ee c gq u a l i t yo ft h ep a t i e n tr e a lt i m e ，t h e nc a ng i v et h ed i a g n o s e sa n dt r e a t m e n t f i n a l l y , w i t l lt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya st h ep l a t f o r m ，at e l e m e d i c i n es y s t e mi sd e v e l o p e d t h ed y n a m i ct r a n s m i s s i o no fm o n i t o r i n gd a t ai sr e a l i e dt h r o n g ht h ed a t a s o c k e tt e c h n o l o g ya n daw e b b a s e dv i r t u a li n s t r u r n e n ts y s t e mi ss e tu pi nt h ew e b b r o w s e rm o d e b yu s i n g i n t e m e te x p l o r a t i o n ，t h ee c gq u a l i t yi nt h er e m o t em o n i t o r i n go fd a t a s o c k e tt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d o u rt e l e m e d i c i n es y s t e mh a st h ee s s e n t i a lf u n c t i o n so ft o p i ct e l e m e d i c i n es y s t e ma n dw o u l da f r o r ds o m er e s e a r c h i n gv a l u e sa n dp r a c t i c a l i t yv a l u e st ot h ec o n s t r u c t i o no f o u rc o u n t r y st e l e m e d i c i n es y s t e m k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n tt e l e m e d i c i n ee c gl a b v i e wd a t a s o c k e t长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文：基于虚拟仪器的远程心电监护系统的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：年互月立l 日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。指年1 月塑日年三l 月量生日1 1 引言第一章绪论伴随人类物质生活水平的提高，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。而心血管疾病又是影响人类健康的第一大杀手。在我国心脏病患者约有七千万人，死亡原因主要是致命性心率失常和急性心梗。据北京急救中心统计，7 0 以上发病于家中或工作现场，大部分人因失去抢救时间而失去生命，此外，多数人的心脏病发作往往是短暂与随机的，患者难以赶到医院进行心电图扫描，从而影响诊断。因此，为患者赢得抢救时间，为所有的监护对象提供2 4 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( t e l e m e d i c i n e ) 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【i j 。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。远程医疗系统能实时、连续、长时间地监测病人的重要生命特征参数，并将获得的数据传送给医护人员，以供医护人员进行分析，使得医护人员能够对病人当前的状态做出正确判断，从而对病人做出正确地处理。远程医疗系统的出现，不仅减轻了医护人员的劳动量，提高了护理工作的效率，更重要的是使医生能够随时了解病情，当出现危机情况时可及时进行处理，提高护理质量，从而大大降低病人的死亡率，基于这些突出作用，医疗监护仪已经成为医护人员诊断、治疗和抢救病人的重要设备。1 2 国内外发展现状从本世纪6 0 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蝌2 】。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。如何利用先进的w e b 技术实现经济实用的远程医疗系统，正成为当前远程医疗研究的一个新方r 甸 3 j 。在这方面开展研究较早的欧美国家，以及随后的加拿大、澳大利亚、日本、韩国和新加坡等都先后投入远程医疗的研究和开发之中。目前国外正在积极建立基于i n t e m e t 的包括远程心电监护的远程医疗系统，h p 、i b m 、g e 和西门子在内的许多大公司也纷纷投入其中。我国在9 0 年代，随着“金卫工程”的展开，在计算机网络的远程心电监护方面进行了研究。1 9 5 7 年，美国学者n o r m a nj h o l t c r 博士研究发明了能随身携带的心电监测仪，将自然活动状态下的心脏电活动用磁带式记录仪记录下来，输入计算机分析处理，获得了正常心电活动及异常心电变化信息，并打印出分析报告。这是对动态心电图最早的研究。动态心电图技术于1 9 6 0 年在美国开始临床应用。美国a v i o n i c sd e lm a r 公司于1 9 6 2 年生产制造出第一批单导联动态心电图机。1 9 7 8 年，动态心电图( a e c g )技术引入我国，并开展了a e c g 的研究与临床应用。从二十世纪八十年代起，国内陆续有a e c g 研究与应用的文献发表。改革开放以来，随着我国社会经济，科学技术及医学的发展，不断有a e c g 先进技术设备引入我国，并在各地大中型医院投入科研及临床应用。其中有美国d e lm a r ，m a r q u e t t e ，h p ，英国的o x f o r d 等国际知名品牌的动态心电图设备。随着现代医学，电子技术及计算机技术的发展，现代的心电图技术已能够使用小型大容量半导体存储器将多导联心电信号长时间连续同步地记录下来，全信息监测并记录自然活动状态下的心电信息，将所记录的心电信息输入高性能计算机自动分析处理并经专业医生修改编辑，由激光打印机打印出正常心电活动，心律失常，s t 段改变，心律变异，q t 间期等内容的分析报告，为临床诊断提供了丰富的信息和重要的依据，成为现代心脏病学的重要l 临床诊断技术，在全球范围内广泛应用。目前，国内外的许多著名医疗器械制造商纷纷推出了自己的动态心电图机及心电监护仪产品。但是由于不同的生产厂商使用了各自不同的分析方法和心电信号处理技术，分析和诊断性能各异。而且国外许2多好的分析方法和诊断技术生产厂商都不会公布其技术细节。这就需要我们发展自己的技术，开发有自己特色的分析算法和产品，并使其功能和性能赶上和超过国外的同类产品，增强产品的市场竞争力。我国自8 0 年代末开始远程医疗的研究，主要从家庭监护和医院内的p a c s 系统开始，目前处于发展阶段。我国远程医疗的发展有三个方面：一是医院内的信息和图像传输存取管理系统：二是医疗信息网；三是家庭监护网，主要是对比如血压、心电等生理参数的监测。发展我国的远程医疗的研究，首先要医学信号标准必须完全一致；信息中心和数据库的建立和管理；需要建立标准的数据格式，不仅使不同设备的数据可以共享，而且还要简化网络接口和不必要的格式转换；图像远程传输的技术；虚拟现实环境的研究【5 j 。建立医学信息系统或医院信息系统，使医护人员能随时查询医院每天的临床活动及相关记录，优点在于及时了解医院内的医疗活动。随着传感器技术和远程监护的发展，健康者也会成为家庭监护的监护对象，通过对健康者的生理参数进行监护有助于疾病的早期发现和及时治疗。综上所述，远程医疗涉及的远不止工程技术，还应注重临床中应用的质量标准，以及与远程医疗密切相关的社会的、法律的和行政管理上的诸多问题，方可使其在我国得以顺利地发展，为社会医疗卫生服务体系提供更好的技术保障。1 3 虚拟仪器简介1 3 1 什么是虚拟仪器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( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 州。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( c a t ) 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【7 j 。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，具有如下优点嘲：( 1 ) 性价比高。虚拟仪器的价格一般是同类功能的传统仪器的l 5 - -l 1 0 ，而且可以重复利用。技术更新快( 一般为l 2 年) 。3( 2 ) 开放系统。用户可根据需要组成仪器或系统，甚至不用更改任何硬件，只需应用相应的软件模块即可构成新的虚拟仪器。这样一改传统仪器的各项功能由厂商定义的局限性，因此用户具有更大的灵活性。( 3 ) 智能化高。计算机强大的分析、计算和逻辑判断能力，可以在其上建立一套智能专家系统，对于数据则可以编辑、存储和打印，在完善的数据库基础上，还可以实现数据的检索与分析。( 4 ) 界面友好，使用简便。在基于视窗技术的虚拟仪器面板上，用户通过鼠标即可完成所有功能，人机界面十分友好。测量结果可通过显示器直观地显示出来。( 5 ) 具备网络功能。虚拟仪器是面向应用的系统结构，可方便地与网络、外设以及其它应用相联系。( 6 ) 减小误差。在虚拟仪器的测量过程中，减少了硬件的使用，因而减小了误差。正是因为虚拟仪器具有的以上特点，使其在工程实际中得到越来越广泛的应用。国际上，虚拟仪器早已步入实用阶段，我国虚拟仪器的应用刚刚起步，但发展迅速，具有良好的发展前景。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：圈一国呻圈斗圉图1 1 传统硬件化仪器的制造过程圉_ 圈呻圈呻曰图1 2 虚拟仪器的制造过程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4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 3 2 虚拟仪器在生物医学中的应用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 9 1 。由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的影响，使得信号的处理是复杂和困难的。应用计算机分析生物电信号，能有效降低信号处理的复杂性和困难度。特别是应用虚拟仪器技术分析生物医学信号，将使心脏功能检查、心电监护等变得灵活，高效“。基于虚拟仪器技术的生物医学仪器也开始出现。如美国的g em a r q u e t t em e d i c f ls y s t e m s 公司生产的动态心电图仪就是新一代虚拟化生物医学仪器，这种仪器采用一个数据采集器对患者进行2 4 小时心电信号监护与采集，然后采用m a r q u e t t e 分析软件进行心电分析和自动测量，具有快速检索、回放、人工修改、辅助分析等功能，并具有很强的辅助心电图诊断功能，目前已在国内一些大医院采用。如北京3 0 1 医院，第三军医大学大坪医院，华西医科大学附属医院等。安捷伦公司也先后推出了两种类似于虚拟仪器技术的心电图分析系统：惠普m 2 6 6 1 a _ p c 心电图系统( h pm 2 6 6 1 ap ce c gs y s t e m ) 和惠普z y m e dh o l t e r 动态心电分析系统( 2 0 1 0 1 8 1 0 ) 。惠普m 2 6 6 1 a p c 心电图系统是一个具有1 2 导联同步、实时心电图的仪器，具有强大的存储功能，可存储l o 万份以上心电图波形及报告，能快速检索、回放、对比、自动测量，辅助分析，人工修改，重建心电向量辅助心电图诊断等功能i l l j 。除此之外，国外各大虚拟仪器生产公司有如：n i 公司、惠普公司( h p ) 、安捷伦公司等，国内比较大的虚拟仪器公司有哈尔滨哈特( h i t )虚拟仪器股份公司、重庆大学虚拟仪器研究开发中心和北京中科泛华测控技术有限公司等单位，都在致力于开发具备i n t e m e t 功能的开发平台。n i 公司的l a b v i e w 支持t c p i p 协议，它提供的t c p 和u d p网络v i 能够与远程应用程序建立通信，利用远程网络v i ，还可以对其它设备的分散v i 进行控制。美国u sw e s t 顿维尔( d e n v e r ) 工厂采用了以l a b v i e w 软件和数据采集卡为基础的，基于p c 的电源监测系统，对工厂的所有重要电源进行实时监测，解决了以前监测器只能监测电源局部情况，收集信息不全的状况。和其他开发工具研制的医学分析仪器相比，虚拟仪器有着它与其他技术无法比拟的优势1 1 2 ：( 1 ) 编程的方便灵活性让很多人避开了很多只有计算机专业才能有所掌握的数据库，网络协议等知识，从而专注于系统功能的设计。使设计出来的产品更能体现设计者的初始构想。( 2 ) 虚拟仪器的自带的高精度信号采集卡也让设计者无需太多考虑硬件问题，只需考虑传感器部分信号的拾取，降低了系统设计因为硬件环节其中一环出现问题而导致失败的可能。( 3 ) 使开发周期缩短。随着电子产品的复杂性不断提高，虽然芯片设计新技术减少了硬件开发时间，软件开发工具改进也使编程越来越容易，但是，竞争和快节奏也让大家看到更快更短设计周期的重要性。丽虚拟仪器恰恰符合这一特点。不过，与此同时，虚拟仪器由于要购买正版软件和相关采集卡，使开发成本提高，让厂家对它望而却步，但是，对于使用的几率不高，又必须有的机器，试验新品的概念机等需要数量少，时间短，精度高的机型，虚拟仪器是首选。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 l 叫：( 1 ) 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。h ) 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6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猝死的患者，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猝死，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。1 5 本文的主要工作本文针对传统医疗监护系统存在的弊端，设计了一种新型的心电远程医疗传输系统。本文共分六章。第一章介绍了心电远程医疗传输系统的研究目的、内容和意义，还介绍了虚拟仪器的特点和优势及其在生物医学中的应用第二章介绍了本系统的总体设计以及系统的工作原理。第三章介绍了心电基本原理，了解心电信号产生及其特征，为心电信号的采集及心电信号分析提供了理论依据。主要介绍了硬件设计过程，给出了生理信号硬件采集电路具体设计方法与部分实现电路。包括对心电信号的采集、放大、滤波等。第四章介绍了本系统的软件测试部分，详细地介绍了虚拟仪器软件平台l a b v i e w 的产生和发展，以及d a q 数据采集卡的选择和配置，主要实现了心电信号在上位机的波形显示，数据分析，数据存储，波形回放，诊断报警等功能。第五章主要介绍了系统远程传输的实现，通过网络实现数据在局域网内实时传输，并实现发布w e b 网页可供医疗单位分析病人的生理数据，便于医生及时诊断病情。第六章对本文的工作进行了总结，并对未来的工作进行了展望。7第二章系统总体设计本课题拟结合虚拟仪器技术和网络技术，对人体心电信号的远程测控进行研究。远程医疗传输系统使信号采集、处理和传输一体化，一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享，另一方面还便于测试系统的扩展、测试效率的提高。从学校实验教学的角度看，一台网络化测试仪器可以像一台网络打印机一样同时为许多学生服务，可以极大提高仪器的使用率。从医疗应用的角度看，医生可从办公室通过网络对病人的各种生理信号进行远程集中监控，有助于他们准确，及时地了解病人的身体状况，为病人的健康、安全提供可靠保障。2 1 系统设计原则由于在设计生物医学仪器时受到许多因素的影响，有些因素来自主观的要求，有些因素是客观的存在，因而在设计时要遵循一些设计原则和使用要求。影响仪器设计的因素有五种，即信号因素，环境因素，医学因素，经济因素和时代因素，这些因素都是设计时应考虑的基本原则1 1 4 1 。1 信号因素在利用医用换能器获取信号时，或直接引出生物电信号时，信号的大小和相位将直接影响仪器的灵敏度，量程，输入方式( 差动或直接输k ) 仪器的瞬态特性和频率响应，仪器的精确度和线性度，仪器的可靠性。因此，在设计仪器时，首先应该考虑获取的生物电信号的大小和相位及其幅频响应和相位响应。由于心电信号是一种强噪音背景下的低频微弱信号，所以在本系统中，采用高精度放大器a d 6 2 0 ，将心电信号放大到可识别状态。2 环境因素仪器的设计应考虑在特定的使用环境所提出的技术要求。例如，一个埋藏式起博器，就要考虑它的特定的体内环境的要求，决定它的安装尺度和形状，决定仪器的信噪比。决定对仪器的稳定性的要求( 即周围的环境温度，湿度，压强，加速度等对仪器稳定性的影响) 和电源的要求。对于心电监护系统，要有体积小、便于携带的外型设计，简单易懂的操作界面。3 医学因素8首先应该考虑仪器与人体之间的作用方式，即从人体生理机能考虑，要求设计成有创还是无创。另外，还要考虑换能器对人体组织界面的具体要求，要求所用材料无腐蚀性，无毒。再者，应考虑仪器具有一定的散热性能和抗辐射的能力以及仪器的绝缘性能，保证仪器无论在正常运行或是故障情况下，均能保证具有较好的绝缘性能，保证人身安全。4 经济因素要考虑仪器的价格，使用寿命，可靠性和兼容性，提高其经济效益。5 时代因素各个时代由于科学技术水平不同，技术的先进性也就不同，因此，仪器要尽量使用时代的先进技术，如x 射线c t ，就是当前先进的生物医学仪器。2 2 系统整体组成及工作原理由于虚拟仪器的模块化、开放性和灵活性是其体系结构的关键特点，当我们的测试要求变化时，可以方便地由自己来增加硬件模块或重新配置现有的系统，以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出来新的虚拟仪器系统而不丢弃已有的硬件资源。因此，我们在设计虚拟仪器系统时，对硬件的考虑不必拘泥于常规的体系结构，而应该根据实际情况选择或设计虚拟仪器的体系结构。一个典型的数据采集控制系统由必要的硬件设备和相应的应用软件构成【1 5 l 。我们可以从硬件和软件两部分构成的角度设计自己的系统，数据采集系统由传感器( t r a n s d u c e r ) ，信号调理( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) ，采集硬件( d a qh a r d w a r e ) ，接1 2 1 ( i n t e r f a c e ) ，数据分析和处理软件( s o f t w a r e ) 等几大部分组成数据采集系统硬件中，传感器用于将测试对象的非电量原始信息转变成电压、电流或者频率电量并为后面的电路及计算机接收；信号调理用于对传感器输出的模拟信号进行放大、整形、滤波等电路调整，使之成为规定范围的电压信号；数据采集板卡对采样保持电路输出的稳定模拟电压进行转换，得到相应的数字信号，然后输入到计算机中通过相应的分析软件编程实现数据分析，波形显示，数据存储，波形存储，远程传输等功能。具体结构如下图2 - l 所示。9图倒骝斗园一图图2 1 数据采集控制系统结构总体框图系统处理的信号是心电信号。心电信号以三导联的方式输出，由于心电信号非常微弱，容易受到外界干扰，因此在进行数据采集前，必须对信号进行调理排除干扰。首先，由传感器提取被洳信号，并将提取的模拟信号转变成电信号，信号调理模块将包含各种干扰的电信号进行处理，包括放大，滤波等。处理过的信号送入数据采集卡进行a d 转换，最后将信号送入p c 机，在p c 机上通过软件编程实现信号的分析处理。2 3 系统硬件组成系统硬件部分主要完成对生理信号的采集处理和模数转换。首先由传感器提取人体心电信号，然后对心电信号进行前置放大、滤波，并将经过前置放大后的心电信号传送给数据采集卡，由数据采集卡进行刖d转换，最后将处理过的生理信号送到上位机进行处理。如图2 - 2 所示。心二二前低后带d计电级置通级阻a算极d k ,导- 放滤。放_ 滤q_机联大波大波板卡幽2 - 2 系统硬件组成原理框图图中各部分的作用如下：心电极和三级导联【1 6 】：心电极用于从人体提取心电模拟信号。三级导联是一种导联方式，本系统中采用左手、右手和右腿的标准i 导联方式，并且采用右腿驱动电路，用以消除5 0 h z 工频干扰，提高信号的质量。前置放大和后级放大：作用是将微弱的心电信号进行放大，并将信号调整到，d 转换器的输入范围，以便充分利用转换器的满量程分辨率。1 0滤波器：由于心电信号是强噪声背景下的低频微弱信号，容易受到外界干扰，所以必须使用滤波器将信号频带外的干扰去除。2 3 1 低噪声设计对测量系统的噪声性能的要求，主要集中在信号提取放大部分【1 7 1 。本系统的放大是多级放大，为确定多级放大器的噪声源分布，获得合理的设计，采用了噪声系数这一概念。噪声系数f 是放大器引起的信号质量恶化程度的量度，其定义为：。输入信噪比墨n ,输出信噪比s o 虬r ，1 、氏u ku ；图2 - 3 两级放大线性系统图2 3 所示为包括两级放大的线性系统。设a p l 、a p 2 分别为第一、二级的功率增益，f l 、f 2 分别为第一、二级的噪声系数，p 。卜p i l 2 分别为第一、二级的内部噪声功率，为信号源内阻的热噪声功率。上式用功率表示为f ：互盟：ls o n oa 溅|( 2 - 2 )式中，a o 为放大器功率增益。输出噪声功率是信号源热噪声p 。和放大器本身噪声p n 之和，所以虬2 气4 + 只( 2 3 1这样，：生垒墨：l + 土以口匕4口匕(2-4)对应图2 - 3 中第一级的噪声系数f l 为e ：】+ 土1厶哦( 2 5 )由此得到第一级放大的噪声功率p 。l 为只。= ( 鼻一1 ) 4 圪同理，在注意到噪声系数是对源热噪声定义时，得到第二级放大的噪声功率p i l 2 为只2 = ( 最一1 ) 4 2 r 2 6 、两级放大后总输出噪声功率p 。由三部分组成：信号源内阻热噪声经过两级放大后为p 。a 。l a p 2o 第一级内部噪声经过第二级放大后输出为p 1 a 以0 第二级本身的噪声为p i l 2总噪声功率输出p 。为匕= 气4 - a p 2 + 昂4 2 + 只2r 2 7 、以f 卜f 2 表达式代入式( 2 - 7 )圪= 名4 + ( e 一1 ) a p 名+ ( e 一1 ) 圪( 4 4 - ) ( 2 - 8 )式中，a 产a p l a p 2 为两级放大器的总功率增益。两级放大器的总噪声系数f ：e + 盟+ 旦兰+ - f ：上一：e + 型14 4 4 24 哦14 tf 2 9 、同理，多级放大器的总噪声系数f ：f + 墨兰+ 玉兰+ i 以i4 - a p 2( 2 1 0 )由上式可知，第一级放大的噪声系数对总噪声系数的贡献最大，努力降低第一级噪声，是实现低噪声设计的原则。因此，前置级的设计是提高整个放大部分信噪比的关键。2 3 2 前置放大器的设计各种生物信号都属于低频的微弱自然信号。为了对生物信号进行各种处理、记录、显示，必须首先把信号放大到所要求的强度。根据生物信号的特点，在选择设计生物信号放大器时，必须考虑以下几个参数【1 卅：1 高输入阻抗生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现不稳定的高内阻源性质。源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定。再者，理论上源阻抗是信号频率的函数，电极阻抗也是频率的函数，变化规律都是随频率的增加而下降。如果放大器输入阻抗不足够高( 与源阻抗相比) ，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。粗略估计，如果设计的放大器输入阻抗为1 0m q ，信号源内阻与放大器输入阻抗相比为1 1 0 0 ，上述各种因素造成的失真和误差可忽略不记。2 高共模抑制比为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其它生理作用的干扰，须选用差动放大形式，因此c m r r 值是放大器的主要指标。生物电放大器的c m r r 值一般要求6 0 d b 8 0 d b ，高性能放大器的c m r r 达1 0 0 d b ，这说明对于1 0 0 m v 的共模干扰和o 1u v 的差模信号具有相同的输出。值得注意的是放大器的实际共模抑制能力受到放大器前边电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗z s l 和z s 2 一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺分泌情况、皮肤清沽程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入端相连的源阻抗实际变得十分复杂。不平衡是绝对的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。对于已经发生的这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是，提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。3 低噪声、低漂移相对于幅度仅在微伏、毫伏数量级的低频生物电信号而言，放大器前置级的这一项要求是重要的。高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差。所以，为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。这样，放大器的内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。我们知道，放大的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务。2 4 系统软件组成2 4 1 模块化结构设计，为了优化程序设计，软件开发采用的是模块化设计，而且各程序模块满足以下条件：( 1 ) 透明性好：一个模块在完成指定功能后，应不影响主程序现场，不改变各种参数，可放心调用，不必一定读懂该模块。( 2 )功能性强：各模块能提供最常用的功能，以减轻程序的重复性开发。( 3 )质量问题：各模块尽量优化算法，提高运行速度，并能提供必要的出错信息。( 4 ) 可读性强：整个程序在编制过程中使用标准控件和标准显示件，采用事件激活处理方式，且标明注释，便于其他操作人员学习和使用，也有利于日后进一步的研制和改进。2 4 2 软件设计思想硬件设计的各个功能模块，构成了整个测量系统的物理基础。硬件功能模块中有模拟模块、数字模块、模数混合模块。各功能模块需通过一定的软件程序参与，才能完成自身功能。要使各功能模块协调配合，真正地运作起来，还需通过软件将它们连成一个有机整体，整个系统才能完成指定的功能，并具有“自动化”、“智能化”的特点【l 州。为了简化操作和提高开发及操作效率，本系统计算机处理软件采用虚拟仪器l a b v i e w 来开剔。利用l a b v i e w 可以在计算机的屏幕上形象地模拟仪器的面板( 如显示器、开关、按键、旋钮等) 以及相应功能。用户通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，进行仪器功能选用，设置工作参数，启动或停止仪器的工作等。这不仅使操作者感到轻松自如，而且可减少用户误操作的可能性。其主要优越性如下：( 1 ) 在此图形操作环境下抛弃了繁琐的传统菜单，窗口标题下不再出现菜单栏，方便用户使用。( 2 ) 能够实现多任务并行，即用户可以在任何时刻设定参数，而不干扰数据的显示。( 4 ) 可以对实验数据有选择地进行保存，实时地报告数据状态。除了使用l a b v i e w 开发软件提高系统可用性以外，我们还在系统软件设计中注意到了在数据处理方面建立统一的数据结构和数据流，使各功能模块通过共享数据资源以实现各功能模块间的连结，采用高效的算法以提高效率。在结构方面，尽量采用子函数以实现各种功能减少同样功能的重复编写，减少代码。2 4 3 系统的软件部分编写系统的软件部分编写工作主要集中在两个部分。第一部分是通用测试软件的编写。这部分应用程序主要实现以下两个方面的功能。1 4图2 - 4 系统软件测试部分组成框图( 1 ) 测试前l a b v i e w 编程软件和d a q 数据采集卡的安装与配置。( 2 ) 本系统的软件测试过程，主要完成对从硬件部分采集上来的生理信号进行波形显示、数据存储、波形回放、监控诊断和数据回放等工作。如图2 - 4 所示的结构框图，其中包括以下几个模块：用户登陆模块、数据采集模块、波形显示模块、数据分析模块，数据存储模块，波形存储模块，诊断报警模块，波形回放模块等。在该系统中用户对界面进行操作，计算机接收到命令后后，首先进行原始数据的预处理，经过处理的数据由l 曲v i e w 的w a v e f o mg r a p h图控件显示出信号曲线【2 】。我们还希望系统能够具有自动诊断功能，因此我们对处理后的信号要进行进一步的分析，从而得到信号的各种特征参数，通过与标准参数范围比较从而得出判断结果。然后系统将原始信号的数据、处理后的数据及数据分析曲线及结果都保存到数据库中，这里采用数据库技术主要是因为数据库操作方便，利于实现数据的共享和数据的维护。为了能将我们从信号中提取的一些信息直观的反馈给用户，系统除了能够显示出信号曲线以外还能显示各个特征参数的值及自动诊断结果，另外还有个重要功能就是波形回放，即调用子程序进行波形回放。第二部分是利用l a b v i e w 独特的网络技术实现远程传输的功能。图2 - 5 系统远程传输部分结构框图l a b v i e w 具有强大的网络通信功能，可以利用现有的企业内部网( i n 咖e 1 ) 或因特网( i n t r u d e r ) 实现数据动态的发布和共享，使用户容易的编写出功能强大的远程测控软件。2 5 技术指标系统主要包含以下几个技术指标【2 l 】：l 、共模抑制比系统中的于扰信号主要是共模干扰，如5 0 h z 的工频干扰，而且其幅值比生物信号的要大得多，要足够抑制这些共模干扰，就要求系统的共模抑制比足够高。生物信号处理系统中，一般要求共模抑制比为6 0 - - 8 0 d b ，要求高的达1 0 0d b 以上。本系统共模抑制比达9 0d b 左右。2 、幅度分辨率系统的幅度分辨率与a d 转换器的输入量程与转换精度有关，指的是系统可以分辨的最小电压值。本系统选用的d a q 数据采集卡的输入量程为- 5 v + 5 v ，转换精度为1 2 位，则幅度分辨率为：a = 5 4 0 9 6 =1 2 2 0 7 ( m v ) 。本系统模拟放大器的放大倍数为1 0 0 0 倍，则分辨率为：a = i 2 2 0 7 1 0 0 0 = 1 2 2 0 7 ( p v ) 。c s e ( 欧共体心电图通用标准) 推荐转换器分辨率至少到达5 h v 。3 ，时间分辨率采样频率不仅影响时间分辨率，而且影响对波形幅度的准确测量。因此对波形幅度的准确的测量来说，采样频率越高越好，但高采样率将影响成本和数据处理时间。另一个制约采样频率的因素是奈奎斯特采样定理即要求f 之2 f 目前临床推荐心电图采样率不低于2 5 0 h z 。本系统的1 6采样率设计为1 0 0 0 h z ，即每秒采样1 0 0 0 个点。4 、频率响应频率响应指的是，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。生物信号的频率范围的下限很低，接近0 h z ，但不包括直流信号。因此，在选用放大器的时候，必须注意，该放大器能够响应低频信号。a d 6 2 0 的带宽为0 1 2 k h z ( g = 1 0 0 0 ) 。另外，系统使用了高低通滤波器，保证系统的频率响应范围o 0 5 1 0 6 h z ，即所处理信号的频带范围。5 、增益为充分利用a d 转换器的满量程分辨率，a d 的输入应尽可能接近其基准电压，由于生物信号非常微弱，这就要求放大电路具有高增益的特性。本系统设计心电信号的总增益均为1 0 0 0 倍。1 7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