（生物医学工程专业论文）基于虚拟仪器的心电信号采集系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 心电信号的分析和处理。本文基于小波变换多分辨率分析理论和小波 变换模极大值理论，去除了心电信号的基线漂移，并提取出特征点r 波，取得 了良好的实验效果。 ( 5 ) 总体调试。总体调试系统，得到符合项目要求的心电信号。 关键词：心电放大器；虚拟仪器；l a b v i e w ；小波变换 u 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) t e c h n i q u eh a sb e e no n eo fi n d i s p e n s a b l em e t h o d s f o rd i a g n o s i s ，o b s e r v a t i o na n dr e s e a r c ho f c a r d i o l o g y , b e c a u s eo f i t s g o o d c h a r a c t e r i s t i c s f o re x a m p l e ，e a s i l yo p e r a t i o n ，n o n i n v a s i v e ，e t c i nd e c a d e so fy e a r s ， t h ec l i n i c a la p p l i e da r e ao fe c gh a sb e c o m ew i d e ra n dw i d e rs o m e t e c h n i q u e su s ei t f o rs i g n i n gt h et i m ea n dp h a s e f o re x a m p l e ，p h o n o c a r d i o g r a m ，u l t r a s o n i cc a r d i o g r a m ， c a r d i o - r a d i o n u c l i d ea n g i o g r a p h ya n dn o n i n v a s i v ec a r d i a cd e t e c t i o n ，e t c i nt h e8 6 3 p r o j e c t t e c h n i q u e a n dd e v i c ef o r d e t e c t i n g t h ef u n c t i o na n ds t a t u so f c a r d i o v a s c u l a rs y s t e m t h ee c g s i g n a li sa l s ou s e dt om a r kp h o n o c a r d i o g r a ms i g n a l a n dp u l s ew a v es i g n a la n de v a l u a t et h ef u n c t i o na n ds t a t u so fc a r d i o v a s c u l a rs y s t e m v i r t u a li n s t r u m e n ti so n et y p eo fn e wh i g h - t e c hp r o d u c t i o nw i t ht h ed e v e l o po f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm o d e mm e d i c a lm e t r i c a lt e c h n o l o g y , w h i c hr e p r e s e n t st h e n e w d e v e l o pt r e n do fm e d i c a li n s t r u m e n t ，a n di sf i tf o rt h er e s e a r c ho fm e d i c a la n d b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g as u i to fa c q u i s i t i o na n ds t u d ys y s t e mo fe c g s i g n a lb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t h a sb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e rf o rt h er e q u e s to fe c gd e t e c t i o n t h em a i nj o bo ft h i s p a p e ri sa sf o l l o w ( 1 ) t h ea m p l i f i e ra n df i l t e rc i r c u i to ft h ee c gs i g n a l t h em a i n 丹e q u e n c yr a n g e o fe c gi s0 0 5 - 10 0 h z ，a n dt h ea m p l i t u d ei s0 - - 4 m v b e c a u s eo ft h em i x e do t h e r b i o m e d i c a ls i g n a la n d5 0 h ze l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c et h ee c gs i g n a lh a sm o r e n o i s ea n di sh a r d e rt om e a s u r e t h ee c g a m p l i f i e rd e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sh i 曲 p r e c i s i o n ，h i g hs t a b i l i t y , h i g hc m r r , l o wn o i s ea n ds t r o n ga b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ， w h i c hc a nd e t e c te c gs i g n a lw i t h o u td i s t o r t i o n ( 2 ) t h es e c u r i t ya n de c g l e a d b e c a u s et h ee c ge l e c t r o d e sc o n t a c td i r e c t l y 谢t h t h es k i n ，w ed e s i g nai s o l a t i o ns c h e m ei no r d e rt oa s s u r et h es a f e t yo ft h em e a s u r e d p e r s o n t h es y s t e mi si nt h ef l o a tg r o u n ds i t u a t i o nt h r o u g ht h ed u a lp r o t e c t i o no f p o w e ri s o l a t i o na n ds i g n a li s o l a t i o n b e s i d e s ，w em e a s u r eb o t he c gs i g n a la n do t h e r s i g n a l si nt h es a m et i m e s o ，w eo p t i m i z et h el e a ds e l e c t i o nf o rc o m f o r ta n df a c i l i t y i i i 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) t h ea c q u i s i t i o ns 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 w eu s el a b v i e w w h i c h i sak i n do fg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g et od e s i g nt h ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n d p r e p a r ef o rt h ea n a l y s i s o fe c qt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw h i c hi sd e s i g n e db y l a b v i e wc a nb ea w a yf r o mt h ed e v e l o pe n v i r o n m e n ta n dt h eu s e rc a ns e et h e o p e r a t ep a n e lc o n f o r m e d 谢t ht h ep r a c t i c a lo n e a tt h es a m et i m e ，l a b v i e wc a n e a s i l yh e l pt h ed e s i g n e rt of o u n dam e a s u r es y s t e ma n di n s t r u m e n tp a n e lw i t h o u t c o m p l e xp r o g r a m m e ( 4 ) t h ea n a l y s i so ft h ee c gs i g n a l w er e m o v et h ew a n d e ro ft h eb a s e l i n ea n d d e t e c trw a v eb a s eo nt h et h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o r m t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti s v e r yg o o d ( 5 ) d e b u g d e b u g t h es y s t e ma n do b t a i nt h er e q u i r e de c g s i g n a l k e y w o r d s ：e c ga m p l i f i e r ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；w a v e l e tt r a n s f o r m i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缝胜鹤 e t 期：2 滥。2 j 2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彳龟瞧好师签名 山东大学硕士学位论文 _ _ii_q_i 1 1 课题来源 第一章绪论 众所周知，心血管系统疾病已经成为危害人类健康的“头号杀手。在多数 心血管疾病的早期，虽然患者没有自觉症状，但心血管系统的状态参数实际上已 经发生了变化；人体心血管系统作为一个有机整体，其各部分之间必然是相互联 系相互影响的，单一的心脏或者血管状态参数不足以全面地反映心血管系统整体 的功能状态。因此，防治心血管系统的关键在于利用简单无创的检测手段，通过 对心血管系统功能状态的综合评价来实现对心血管疾病的早期诊断。另外，尽管 心血管疾病的诊治水平不断提高，病死率不断降低，但不容忽视的是，近年来我 国患心血管疾病的人数增长迅猛，而现有的检测手段多为有创检测，且操作繁琐、 检查设备和检查费用昂贵，这就大大限制了它们的应用和推广。 国家8 6 3 计划资助项目“心血管系统功能状态监测技术及装置 的目的就是 研究一种简便、无创、有效的检测仪器，以实现对心血管系统功能状态的综合评 价和心血管疾病的早期诊断。主要研究内容：研究简单无创的心血管系统检测技 术，从血管硬化度、心脏功能、血液粘度三个方面来全面综合的评价人体的心血 管系统功能状态。 心电检测是项目的一个重要组成部分，也是本文的主要研究内容。由于本装 置不同于普通的心电图机以及监护仪，故心电检测的内容也不同于上述仪器。随 着技术的发展，心电的采集和处理技术日趋成熟，除常规心电图机外，各种家庭 用、便携式心电图机层出不穷。为满足研究开发新产品的需要，各种心电模块也 应运而生。如，北京迈创的s w e 0 1 心电模块和上海贝瑞的z e c g l 0 5 单通道心 电板等。 此类心电模块输出数字信号，用其提供的软件直接在p c 机上显示心电图。 由于软件的不通用，对心电信号与心音、脉搏波等信号进行同步造成困难。此外， 心电模块还可同时采集体温、呼吸等信号，增加了硬件开销，造成功能的浪费。 而单一输出心电信号模拟信号的模块，目前市面还没有出现，因此，有必要开发 心电信号的硬件采集放大电路，并对其进行数字处理，以达到项目要求。 山东大学硕士学位论文 1 2 心电信号在生理信号定位中的应用 心电图技术以其操作简单、无创、易阅、重复性好等特点，成为心脏学临床 诊断、观察、科研等不可缺少的手段之一。数十年来心电图临床应用的范围不断 扩展，除了诸如各种方式的心电图负荷试验、心电图示波与监测、动态心电图等， 有的技术把心电图作为时相的定标，如心音图、超声心动图、核素心脏显像、无 创性心功能测定等【1 1 。 1 2 1 心电信号在心音成分提取中的应用 心脏的一次收缩和舒张构成的一个机械活动周期，称为心动周期。在一个心 动周期中，心肌的收缩与随后的舒张、瓣膜开闭、血液加速度和减速度对心血管 的加压和减压作用以及形成的涡流等因素引起的机械振动，可通过周围组织传递 到胸壁。如将听诊器放置在胸壁的某些部位，就可听到与心搏一致的规则的声音， 即心音。正常心脏搏动可产生4 个心音，即第一、第二、第三、第四心音( s 1 s 4 ) 。 若用传感器将这些机械振动转换为电信号记录下来，就可得到心音信号，其波形 图又被称为心音图( p h o n o c a r d i o g r a m ，p c g ) 。 目前，在记录心音时，s 1 、s 2 、s 3 、s 4 和心脏杂音同时记录和保存。而在 对心音进行分析处理时往往是针对某一个心音成分，所以在分析心音之前，有必 要将要分析的某种心音成分同其它心音成分分离开来。定位提取的目的是确定要 分析的某种心音成分在心音图中的起止位置，然后将它从心音图中截取出来。由 于心音信号的非平稳性，进行定位提取时存在许多困难。与心电信号相比，心音 信号的波形存在较大的变异性，健康人与心血管疾病患者之间、人体的不同测试 部位之间、人体处于不同活动状态时( 如静息、运动等) 的心音信号波形都会表现 出较大的差异。 因此，长期以来在心音信号研究领域，为了实现快速而准确地定位s 1 和s 2 成分的位置，经典的识别方法都是根据心音信号与心电信号之间存在严格同步关 系( 如图1 1 所示) 的特点【2 3 1 ，利用心电信号来提供s 1 和s 2 的定位基准。其中s 1 一般在r 波过后2 0 4 0 m s 的时间范围内出现，时限范围为8 0 1 3 5 m s 而s 2 则一般出 现在t 波末端6 0 1 2 0 m s 的时间范围内。这种心音信号的定位方法需要同步检测心 2 山东大学硕士学位论文 音信号和心电信号，然后再识别出心电信号中的r 波位置和t 波位置，并以此来 划分s 1 和s 2 的时限。 a ) 僻) 图1 1 心电信号与心音信号的时序对照示意图 ( a ) ：心电信号( b ) ：心音信号 1 2 2 心电信号在脉搏波特征点提取中的作用 脉搏波传导速度( p u l s ew a v ev e l o c i t y ，p w v ) 是评估动脉血管功能变化的 简捷、有效、经济的非侵入性指标，能够综合反映各种危险因素对血管的损伤， 是心血管事件的独立预测因子。p w v 是血压波动通过动脉系统内给定两点距离 间的传导速度，取决于血管弹性、管壁厚度和血液浓度，p w v 与动脉扩张性和 僵硬度密切相关。p w v 越快，动脉的顺应性越差、僵硬度越高。 p w v 能够直接通过非侵入性的张力测量法、超声检查法和示波测量法测定。 其中示波技术测量p w v 简单、无创，具有可重复性，操作人员不需要长期培训， 适合在大规模人群的筛检和研究中使用。p w v 的测定是通过测量动脉节段的体表 距离( l ) 和脉搏波传导时间( p w t t ) 求得，计算公式是p w v = l p w t t 。该指 标已经写入2 0 0 3 年欧洲高血压指南h 3 。 对于脉搏波传导时间p w t t 的获取，现在普遍采用以心电图的r 波峰值到 在外周动脉处的同周期的脉搏波的起点u 的时间作为脉搏波传导时间，这被称 为r 波脉搏波传导时间r w p w t t ( 参见图1 2 ) 。 山东大学硕士学位论文 图1 2 心电信号与脉搏信号的时序对照示意图 此外，在软件识别脉搏波信号时根据r 波将脉搏波划分为一个个周期，在 一个周期内确定脉搏波的波峰与波谷，也可以根据它们之间的时延关系进一步确 定脉搏波的波峰与波谷的范围，提高检测准确性及精度【5 1 。 1 3 课题研究的主要内容 课题的研究内容就是要设计一套基于虚拟仪器的心电信号采集处理系统，其 中包括： ( 1 ) 心电放大滤波电路的硬件搭建。人体心电信号的主要频率范围为 o 0 5 1 0 0 h z ，幅度约为0 - - - 4 m v ，信号十分微弱。由于心电信号中通常混杂有其 它生物电信号，加之体外以5 0 h z 工频干扰为主的电磁场的干扰，使得心电噪声 背景较强，测量条件比较复杂。本文设计的心电放大器具有高精度、高稳定性、 高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能，能不失真的检出有 临床价值的干净心电信号。 ( 2 ) 安全性能及导联优化。由于心电电极直接与人体皮肤接触，为了保证 被测者的安全，设计了一套安全隔离方案，通过电源隔离与信号隔离双重保护， 使系统处于全浮地状态而保护人身安全。此外，由于在项目中要同时测量心电以 及其他生理信号，为了保证被测者的舒适度和测量的方便性，优化了导联的选择。 4 山东大学硕士学位论文 曼! ! ! ! 曼曼曼曼! 曼! ! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! i ii | 皇曼皇曼鼍曼! 曼! 曼! 曼! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼! ! 曼! 曼曼 ( 3 ) 基于虚拟仪器的采集系统。心电信号经过调理装置，即采集放大电路 后，通过采集卡进入上位机，利用虚拟仪器的图形化编程语言l a b v i e w 组建了 一个心电测量系统，为心电信号进一步的分析处理做好准备。用l a b v i e w 设计 的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 开发环境，用户最终看到的是和实际硬件仪器相 似的操作面板，同时l a b v i e w 还为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设 计环境，设计者利用它可以轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板，而 无需进行任何烦琐的程序代码的编写。 ( 4 ) 心电信号的分析和处理。基于小波变换多分辨率分析理论和小波变换 模极大值理论，去除了心电信号的基线漂移，并提取出特征点r 波，取得了良 好的实验效果。 ( 5 ) 总体调试。总体调试系统，得到符合项目要求的心电信号。 山东大学硕士学位论文 第二章系统整体设计方案 本章介绍了心电信号的分析基础以及虚拟仪器的相关知识，并给出了基于虚 拟仪器的心电信号采集系统的整体设计方案。 2 1 心电信号分析基础 2 1 1 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。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，这一过程成为复极过程。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。由心脏内部产生的一系 列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律地舒 张和收缩，从而实现“血液泵的功能，维持人体循环系统的正常运转【l6 1 。 在正常人体内，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和过程，依次传向 心房和心室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心动周期中，心脏各部分兴奋 过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间等，都有一定的规律。这种由大 量心脏细胞有序活动产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到 身体表面上来，使具体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的变化。将测量 电极放置在人体表面的一定部位记录下来的心脏电变化曲线就是目前临床上记 录的心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢 复过程中的生物电变化。心电信号经过传导衰减，反映在身体表面时一般为毫伏 量级的非常微弱低频电信掣1 7 】。正常的人体心电图是由一系列重复出现的波、段 和间期组成，如图2 1 所示i l 引。 ( 1 ) p 波( p w a v e ) ：反映左右心房的电激动过程电位和时间的变化。是心 电图上最早出现的波，其持续时间为兴奋在左、右心房扩布的时间，一般不超过 0 1 i s ，幅度小于0 2 5 m v 。 ( 2 ) p r 间期( p ri n t e r v a l ) ：自p 波开始至q 波开始的间距。代表心房开 6 山东大学硕士学位论文 始除极至心室开始除极的时间。p r 间期的正常值随年龄和心率而有所差别，心 率慢者，p r 间期较长。正常人一般在o 1 2 s 0 2 0 s 之间。 r 图2 1 心电图典型波形 ( 3 ) q r s 波群( q r sc o m p l e x ) ：反映左右心室除极过程电位和时间的变化， 典型的q r s 波群包括三个相连的波。第一个向下的波为“q 波；继之向上的 波为“r ”波；继r 波之后的向下波为“s 波。正常q r s 时间在0 0 6 s - q 3 0 8 s 之间，一般不超过0 1 0 s 。 ( 4 ) s - t 段( s ts e g m e n t ) ：从q r s 波群终点到t 波起点的线段，反映心 室早期复极过程电位和时间的变化。 ( 5 ) t 波( tw a v e ) 反映晚期心室复极过程电位的变化。 ( 6 ) u 波( uw a v e ) ：代表心肌活动的“激后电位( a f t e rp o t e n t i a l ) 。可 能表示心肌激动后的电位变化，人们对它的认识仍在探讨中。 ( 7 ) q t 间期( q t i n t e r v a l ) - 从q r s 波群起点到t 波终点的时间；反映 心室除极和复极的总时间。 2 1 2 心电信号的特征 ( 1 ) 微弱性心电信号非常微弱，一般只有0 0 5 - - 一5 m v ，典型值为l m v 。 要检测心电信号，就必须设计出合适的心电检测放大电路，同时必须进行滤波等 抗干扰技术处理。 ( 2 ) 低频特性心电信号频率比较低，频谱范围为0 0 5 - - , 1 0 0 h z ，能量主要 集中在o 5 2 0 h z 。 ( 3 ) 不稳定性人体与外界有密切的联系，内部各器官间存在相互影响，加 7 山东大学硕士学位论文 之心脏位置、呼吸、年龄等原因，都会使心电信号发生相应的变化。因此，在对 心电信号进行检测分析处理时，应该考虑到它是随时间变化的信号，应按其频谱 特性，选择适当的放大系数【1 9 1 。 2 1 3 心电导联 1 标准肢体导联在心动周期里最主要的心电综合向量通常指向左前下方， 因而通常反映在左下肢的电位最高，而右上肢电位最低，左上肢的电位居中。习 惯上采用的三个标准导联就是将正常情况下电位较低的一个肢端连接心电图机 的负极，较高的一端连正极，以便在多数导联上得到以正波为主的心电图波形。 i 、i i 、i i i 为标准双极肢体导联，简称标准导联。它是以两肢体间的电位差 为所获取的体表心电。其导联组合方式如图2 2 所示。电极安放位置以及与放大 器的连接为： i 导联：左上肢( l ) 接放大器正输入端，右上肢( r ) 接放大器负输人端； i i 导联：左下肢( f ) 接放大器正输入端，右上肢( r ) 接放大器负输入端； i i i 导联：左下肢( f ) 接放大器正输入端，左上肢( l ) 接放大器负输人端。 图2 2 标准导联( 双极) 2 加压肢体导联加压单极肢体导联标准的导联只是反映体表某两点之间的 电位差，而不能探测某一点的电位变化，如果把心电图机的负极接在零电位点上 ( 无关电极) ，把探查电极接在人体任一点上，就可以测得该点的电位变化，这 种导联方式称为单极导联。w i l s o n 提出把左上肢，右上肢和左下肢的三个电位各 通过5 0 0 0 欧姆高电阻，用导线连接在一点，称为中心电端。理论和实践均证明， 中心电端的电位在整个心脏激动过程中的每一瞬间始终稳定，接近于零，因此中 心电端可以与电偶中，t l , 的零电位点等效。在实际上，就是将心电图机的无关电极 8 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼! ! ! 曼! ! ! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼鼍曼曼曼曼曼曼m m m = i i = m = m = m = m 曼曼曼皇! 曼! 曼! 曼曼! 曼! 皇 与中心电端连接，探查电极连接在人体的左上肢，右上肢或左下肢，分别得出左 上肢单极导联( v l ) 、右上肢单极导联( v r ) 和左下肢单极导联( v f ) 。 由于单极肢体导联( v l 、v r 、v f ) 的心电图形振幅较小，不便于观测。 为此，g o l d b e r g e r 提出在上述导联的基础上加以修改，方法是在描记某一肢体的 单极导联心电图时，将该肢体与中心电端相连接的高电阻断开，这样就可使心电 图波形的振幅增加5 0 ，这种导联方式称为加压单极肢体导联，分别以a v l 、 a v r 和a v f 表示。如图2 3 所示。 摭 图2 3 加压单极肢体导联 3 胸导联胸导联亦是一种单极导联，把探查电极放置在胸前的一定部位， 这就是单极胸导联。这种导联方式，探查电极离心脏很近，只隔着一层胸壁，因 此心电图波形振幅较大，v 1 、v 2 导联面对右室壁，v 5 、v 6 导联面对左室壁， v 3 、v 4 介于两者之间。如图2 4 所示。 v 1 6 ( a )( b ) 图2 4 ( a ) 胸导联( b ) 胸导联位置及相关波形 在常规心电图检查时，通常应用以上导联即可满足临床需要，但在个别情况 下，例如疑有右室肥大，右位心或特殊部位的心肌梗塞等情况，还可以添加若干 导联，例如右胸导联v 3 r - - 一v 5 r ，相当于v 3 一，v 5 相对应的部位；v 7 导联在左 9 山东大学硕士学位论文 腋后线与v 4 水平线相交处。 本文采集心电数据采用标准i i 导联的方式。原因有两个：一是标准i i 导联 测得的信号波形幅度大，特征点明显，许多生理参数监护仪均选用这种导联方式； 二是标准i i 导联从四肢采信号，更加简洁方便，被测者容易接受。 作者在实验中发现，采用标准肢体导联测心电时，断开右腿驱动电极，干扰 会大幅增加，但把右腿驱动电极放到其他肢体上，干扰同样可以明显被抑制。右 腿驱动的作用就是把共模电压取出反相后接入人体，以消除共模干扰。由此推断， 此电极接到人体其他部位，同样可以抑制共模干扰。当心电检测与其他生理信号 检测同时进行时，由于检测部位的空间限制，可以将导联简化且不影响测量结果。 实验中使用的心电电极和导联线如附图( 3 ) ，( 4 ) 所示。 2 1 4 心电信号的噪声来源 人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为 0 0 5 1 0 0 h z ，而9 0 的心电信号( e c g ) 频谱能量集中在o 2 5 3 5 h z 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【2 0 】： ( 1 ) 工频干扰5 0 h z 工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模 型由5 0 h z 的正弦信号及其谐波组成。幅值通常与e c g 峰峰值相当或更强。 ( 2 ) 电极接触噪声电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良 接触，即病人与检测系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，如病人的运动 和振动导致松动；也可能是检测系统的不断的开关、放大器输入端连接不好等。 电极接触噪声可抽象为快速、随机变化的阶跃信号，它按指数形式衰减到基线值， 包含工频成分。这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始瞬态的 幅值和工频成分的幅值、衰减的时间常数；其持续时间一般的1 s 左右，幅值可 达记录仪的最大值。 ( 3 ) 人为运动人为运动是瞬时的( 但非阶跃) 基线改变，由电极移动中 电极与皮肤阻抗改变所引起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基线 干扰形状可认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通常 为几十毫伏。 ( 4 ) 肌电干扰肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电 1 0 山东大学硕士学位论文 势。肌电干扰的基线通常在很小的电压范围内。所以一般不明显。肌电干扰可视 为瞬时发生的零均值带限噪声，主要能量集中在3 0 3 0 0 h z 范围内。 ( 5 ) 基线漂移和呼吸时e c g 幅值的变化基线漂移和呼吸时e c g 幅值的 变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率小于5 h z ；其变化可视 为一个加在心电信号上的与呼吸频率同频率的正弦分量，在0 0 1 5 - 4 ) 3 h z 处基线 变化幅度为e c g 峰峰值的1 5 。 ( 6 ) 信号处理中用电设备产生的仪器噪声心电信号是由人体心脏发出的 极其精密、相当复杂并且有规律的微弱信号，外界干扰以及其它因素的存在都会 使其变得更为复杂，要准确地对其进行自动检测、存储、分析却是一项十分艰巨 的任务。例如，工频干扰信号对心电图的影响会使心电信号的特征点定位变得十 分困难。因此，心电信号的监视、分析必须建立在有效抑制各种干扰、检出良好 的心电信号的基础之上。 2 2 虚拟仪器简介 2 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代计算机技术( 硬件、软件和 总线技术) 和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域 的一项重要技术。即虚拟仪器就是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型仪 器，它是利用计算机强大的图形环境，组合相应的硬件，编制不同的测试软件， 建立界面友好的虚拟仪器面板( 即软面板) ，通过友好的图形界面及图形化编程 语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、 存储及数据生成的仪器。也就是说，虚拟仪器是：利用计算机显示器模拟传统仪 器控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、 分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测 试功能的一种计算机仪器系统。软件成为虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可 以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国n i 公司“t h es o f t w a r e i st h ei n s t r u m e n t ”( 软件就是仪器) 一说的来历。 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析处理、结 山东大学硕士学位论文 果表达三大功能模块，如图2 5 所示。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪 器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器的功能运作6 ，8 一。 p c - d a q 采集卡信号处理网络传输 g p i b 仪器 数字滤波磁盘复制 l l 八、 串口仪器o y 、 y 统计文件 v x i 仪器 p x i 仪器分析图形用户接口 数据采集与控制数据分析处理结果表达 图2 5 虚拟仪器的功能模块 2 2 2 虚拟仪器的产生与发展 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工 业的革命。大致来说，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又 可以说是同步进行的【7 ，1 们。 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确立， 计算机和外界通信成为可能。只需要把传统仪器通过g p i b 总线和r s 2 3 2 总线 同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比 的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几 乎是直线前进。 第二阶段，开放式的仪器构成。在仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插 入式计算机数据处理卡( p l u g i np c d a q ) ；二是v x i 仪器总线标准的确立。 这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应 商定义仪器功能的区别。 第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域中的面向对象技 术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软 件领域已经产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可，并逐渐成为虚拟仪器行业的 标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和 仪器控制系统实现自动化的关键。 山东大学硕士学位论文 在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是v x i 总线标准的建立和推 广；二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先 进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的 图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础。 2 2 3 虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件( i o 接口设 备) 。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如p c 、便携式计算机、工作站、 嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。 计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，推动 着虚拟仪器系统的发展。 i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线 有其相应的i o 接口硬件设备，如利用p c 总线的数据采集卡( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等【6 , 1 1 , 1 2 】。 一 信号调理l + 一数据采集卡卜 被 叫g p i b 接口仪器卜卜叫g p i b 接口卡 h p c 工作站 jl il jl l a b v i e w 测串行接口仪器p l c 信 _ - l a bw i n d o w s 其他软件开发 号v x i 模块 平台 现场总线设备 jl i 其他计算杌硬件，- 7 - _ 1 r 图2 6 虚拟仪器的基本构成框图 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用的几种如图2 6 所示。虚拟仪器 系统一般有以下几种形式： ( 1 ) 基于数据采集的虚拟仪器系统 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v i e w ( 或 l a b w i n d o w s c v i ) 相结合，通过a d 变换将模拟、数字信号采集到计算机进行 山东大学硕士学位论文 分析、处理、显示等，并可通过d a 转换实现反馈控制。根据需要还可加入信 号调理和实时d s p 等硬件模块。这种系统采用p c i 或i s a 总线，将数据卡( d a q ) 插入计算机的p c i 或i s a 插槽中。充分利用计算机的资源，大大增加了测试系 统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器，实现“一 机多型 和“一机多用”。该方式是构成v i 最基本的方式，也是最廉价的方式。 ( 2 ) 基于通用接口总线g p i b 接口的仪器系统 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第 一步，即利用g p i b 接口卡将若干g p i b 仪器连接起来，用计算机增强传统仪器 的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面 板自定义，开发和使用容易。它可以高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任 务。利用g p i b 技术，可由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操 作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序， 实现自动测试，提高了测试效率。 ( 3 ) 基于v x i 总线仪器实现虚拟仪器系统 v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线为虚拟仪器系统提供了一 个更为广阔的发展空间。v x i 总线是一种高速计算机总线v m e ( v e r s a m o d u l ee u r o c a r d ) 总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据 吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用灵活方便，已越来 越受到重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。 ( 4 ) 基于串行口或其他工业标准总线的系统 将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。将带有 r s 2 3 2 总线接口的仪器作为i o 接口设备通过r s 2 3 2 串口总线与p c 计算机组 成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，p c 计算机已更 多地采用了u s b 总线和正e e l 3 9 4 总线。 特别提醒：目前较常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、g p i b 控制系统、 v x i 仪器系统以及这三者之间的任意组合。 2 2 4 虚拟医学仪器 1 4 医学测量系统同样由数据采集、数据分析和结果显示三部分组成，但其被测 山东大学硕士学位论文 系统是人( 人是相当复杂的生命有机体) ，被测生理量的幅值和频率都较低，而 且测量系统和被测人体间存在明显且复杂的相互作用，所以，医学测量系统对技 术性能有更严格的要求，比如：噪声性能，抗干扰能力，测量精度及可靠性，还 有一些特殊的要求，如安全性等。 从功能模块上分析，只是数据采集部分的前端，即信号拾取，放大部分和供 电电源与众不同，尤其是前置放大器，要求高输入阻抗，浮地隔离，低噪声等。 由虚拟仪器组成某种参数或信号的测量仪器，需要用户提供专门的信号调理器。 因此，只要提供医学测量放大器，就可以利用虚拟仪器进行生物医学信号的采集 和分析。 虚拟医学仪器通过软件将计算机硬件资源与医学仪器硬件有机地融合为一 体，从而把计算机强大的计算处理能力和医学仪器硬件的测量、控制能力结合在 仪器，大大缩小了医学仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、 存储以及分析处理。从发展史上看，电子测量医学仪器经历了由模拟医学仪器、 智能医学仪器到虚拟医学仪器，由于计算机技术的飞速发展，虚拟医学仪器生产 厂家不断带来较高的技术更新速率。虚拟医学仪器技术的优势在于用户自己可以 定义自己的专用医学仪器系统，功能灵活，很容易构建，所以应用面很广。尤其 在科研、开发、医学测量、医学检测等领域。它也符合国际上“硬件软件化 的 趋势：功能强大，可以实现医学数据波形显示、逻辑分析、频谱分析等多种普通 医学仪器全部功能，配以专门的医学传感器和软件还可以检测体温、脉搏波、心 电、血压等多种医学数据；而且操作灵活，完全图形界面化，集成方便，不但可 以和高速医学数据采集设备构成自动化测量系统，还可以和医学控制设备构成自 动控制系统。传统医学仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数 据处理十分困难，而且传统医学仪器体积庞大，多种数据测量功能不足，而虚拟 医学仪器可以实现自动测量、自动记录，自动数据处理等。 虚拟医学仪器是随着计算机技术、现代医学测量技术发展而发展起来的新型 高科技产品，代表着当今医学仪器发展的最新趋势。利用虚拟仪器开发医疗仪器， 可以充分利用p c 机的资源及灵活性，使医学仪器的设计变的简单，灵活富有弹 性、更加模块化、容易维护、可重复使用性好，省时经济等，增加了医学仪器的 功能，如分析处理，存储管理等，而且仪器的用户界面更加美观、友好，使用操 山东大学硕士学位论文 作非常方便【1 3 】。 虚拟医学仪器的特点如下： ( 1 ) 可以大大缩短课题所需要的专用仪器的研制时间，可以重复使用，省 时经济，把时间、人力和物力投入到研究主题上，传统研究用医学测量仪器往往 是专用的，随着研究项目完成而生命期终结，基本不能用于新的课题，耗时且不 经济； ( 2 ) 在制造工艺上实现了软加工、软装配和软调试，使整个流程变为程序 编制，计算机实际上既是医学仪器的平台，又是医学仪器的加工场所，从根本上 改变了医学仪器产品设计、生产的模式。而且可以采用易学易用的图形语言 l a b v i e w l a b w i n d o w s ，提供非常丰富，功能强大的信号或数据处理软件库，仪 器及信号分析处理的程序设计都很简单，即使是没有软件设计方面知识和经验的 医务工作者也可以编程，直接参与仪器设计，这样设计出来的医学仪器更有意义； ( 3 ) 其