虚拟仪器在生物医学信号检测与处理.doc

虚拟仪器在生物医学信号检测与处理 作者： 杨甜甜整理转贴自：慧聪教育网时间：2009-12-7 11:55:40【打印】【关闭】王伦华 裘奕晨 张传硕 （杭州电子科技大学 浙江交通职业技术学院） 摘要：介绍了虚拟仪器的概念、系统组成以及采用虚拟仪器和LabVIEW软件研发生物医学信号检测与处理实验系统的方法和技术，给出了虚拟仪器和LabVIEW在心电图测量中的应用实例。 关键词：虚拟仪器、LabVIEW、虚拟医学仪器、生物医学信号检测与处理实验系统、心电图测量 一、虚拟仪器概述 计算机技术、微电子技术、软件技术、现代测量技术、电子仪器技术和通信技术相结合，产生了里程碑意义的新一代仪器虚拟仪器。20世纪80年代中期，美国国家仪器公司（National Instrument公司，简称NI公司）首先提出了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及创建图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。它的出现开创了个人计算机仪器时代，开辟了测量测试技术的新纪元。 虚拟仪器是一种新兴的构造仪器，一种功能意义上的仪器，是以具备控制、处理分析能力的软件为核心的软仪器。其思想是在最少量的硬件模块的支持下，通过软件将计算机硬件资源与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仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，利用计算机来管理、组织仪器系统，主要用软件来实现传统仪器中的绝大部分甚至全部由硬件电子电路实现的功能，有限的硬件则是为虚拟仪器的正常运行提供信号输入、输出的物理接口，这样就大大节省了物质资源，增加了系统的灵活性。 二、用虚拟仪器研发生物医学信号检测与处理实验系统的技术方法 1、可行性分析 对于大多数生物医学测量仪器来说，不管它多么复杂，一般都可以分解为三个主要部分：传感器（包括电极）、放大器和测量电路、数据处理和显示装置。从功能模块上分析，虚拟仪器同样由传感器、放大器和测量电路（数据采集卡）、数据处理和显示装置组成，其中数据处理和显示完全能用计算机的软件系统来完成。但由于生物医学测量仪器测量的对象是人体(人体是相当复杂的生命有机体)，而且测量系统和被测人体间存在明显且复杂的相互作用，所以又不同于一般的电子测量仪器系统。生物医学测量系统不仅要求更严格的技术性能，如噪声性能、抗干扰能力、测量精度及可靠性等，而且还有一些特殊的要求，如安全性等。尤其是前置放大器的设计很独特，如要求高输入阻抗、浮地隔离、低噪声等，而其他部分则没有什么两样。因此，只要提供相应的生物电放大器，就可利用虚拟仪器进行生物医学信号的检测与处理。 2、具体的技术方案 如前所述，利用虚拟仪器进行生物医学信号的检测与处理时，需设计专用的生物电放大器，由放大器拾取、预处理（如放大、工频滤波等）生物信号，然后利用数据采集卡和LabVIEW软件进行信号的采集、显示和分析。 图1虚拟医学仪器的原理框图点击此处查看全部新闻图片可用上述的虚拟仪器系统（简称为虚拟医学仪器）监测任何类型的生物医学参数或信号，如ECG、EEG、EMG、EOG、生理压力（血压等）、流量、温度及生物力等。 123456下一页3、虚拟医学仪器的特点 虚拟医学仪器充分利用计算机的资源（尤其是软件资源），使医学仪器的设计变得简单、灵活富有弹性、更加模块化、易维护、可重复利用性好、省时经济等，而且增强了医学仪器的功能，如分析处理、存储管理等能力，同时仪器的用户界面更加美观、友好，操作使用非常简便。 虚拟医学仪器不仅能用于临床监护，更适合于医学实验研究与教学。使用虚拟医学仪器进行医学实验研究与教学，首先，可大大减少医学实验所需的专用仪器购置，由于专用仪器的技术要求高，绝大多数靠国外进口、价格昂贵，维修和更新容易造成资源的浪费。其次，传统的医疗仪器完全由硬件构成，有开发和维护不方便且费用高、功能单一、操作不便等缺点。而虚拟医学仪器主要由软件构成，再结合相关的硬件设备，具有自动、智能化、远距离传输、价格低、多功能的外围硬件仪器接口等优点，易于扩展。最后，由于采用易学易用的图形化语言编程软件LabVIEW，且提供非常丰富、功能强大的信号或数据处理软件库，即使是没有计算机软件设计方面知识和经验的医务工作者亦能编程，直接参与仪器的设计，如定制数据分析功能等，甚至可独立进行一些仪器的设计，这样设计出来的医学仪器将更符合医学实验的研究与教学。 4、基于虚拟仪器的生物医学信号检测与处理实验系统 本实验系统是浙江天煌科技实业有限公司针对生物医学工程、医学物理、医学仪器设计和其他相近专业的示教演示、课程实验、课程设计、毕业设计开发的实验设备。本实验系统由生物传感器（压电传感器、压力传感器、热敏电阻、光电传感器和各式体表面电极）、专用的生物电放大器模块、USB数据采集卡和软件平台组成，软件平台采用图形化语言编程软件LabVIEW8.2编程实现。本实验系统包含九种生理信号的测量：心电图测量、肌电图测量、脑电图测量、压振式血压测量、血管容积测量、体阻抗测量、脉搏测量、呼吸频率测量和眼球滑动测量。本实验系统可帮助学生更容易理解原始生理信号与各级电路的关系，是生理信号监护仪原理性的近视体现。 上一页123456下一页三、虚拟仪器和LabVIEW软件在心电图测量中的应用 心脏是由心肌所组成，当动作电位产生时，会导致心肌收缩，从而达到将血液输送到全身的功能。此动作电位的电流会从心脏散布到全身，而身体不同的部位其电流的分布也不相同。因此，可由表面电极将此信号记录下来，即为心电图。而由不同的电极对所记录到的不同的电位波形和大小则称之为导联，根据心脏的电位轴表示，可分为六个导联即Lead、Lead、Lead，aVR、aVL、aVF。通常取右腿为参考地，因为右腿离心脏最远，所以其电位变化最小。心电图测量电路方框图如图2所示。 图2心电图测量电路方框图点击此处查看全部新闻图片心电信号由专用电极拾取后通过标准导联线送入缓冲放大器变换成稳定的低内阻心电信号，通过导联选择选通一路信号进入差动放大器，经光电耦合实现电气隔离，隔离后的信号送入带通滤波器，以滤除心电频率范围以外的干扰信号。二级放大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围后，再经50Hz和35Hz陷波器滤除工频和肌电干扰，然后将符合要求的心电模拟信号经数据采集卡送入计算机进行数据分析与显示。 1输入回路 （1）输入缓放大器 输入缓冲放大器由三个运算放大器组成，如图3所示。 图3心电放大器输入缓冲级电路点击此处查看全部新闻图片信号输入端设计有两级限幅保护电路，第一级用高压放电管N1把电压限制在6070V内，第二级用双向并联二极管（D1和D2）进而使缓冲放大器两输入端之间的电压不超过12.7V（电源电压为12V，二极管导通电压0.7V），起低压保护作用。电阻R1和电容C1构成无源低通滤波器，抑制高频干扰。导联屏蔽驱动由运放U2B通过威尔逊电阻网络提取威尔逊中心电端电位，即三个30K电阻R6、R7、R8的连接点。运放U2B用于驱动导联线的屏蔽层S，导联屏蔽线驱动可以去除导联线屏蔽层由于分布电容的不等量衰减造成对放大器总共模抑制比CMRR的减少。图3中二极管D7、D8连接电源12V，用于限制超过电源的高电位信号的大小。电阻R5、电容C4、C5和电感L1组成低通滤波器，滤除干扰信号。为了消除交流共模干扰，抑制50Hz工频干扰，在右腿电极与放大器浮置地端连接一个100K电阻R4，以降低人体的共模电压。 （2）威尔逊电阻网络和导联选择电路 威尔逊电阻网络是按照标准十二导联心电图定义组成的电阻网络，导联选择电路采用波段转换开关来完成标准十二导联的电极和差动放大器对应连接。 上一页123456下一页2前置差动放大级及相关电路 前置差动放大级及其相关电路如图4所示，通过导联切换选择相应的心电信号送入差动放大器AD620进行放大,前置放大是心电数据采集的关键环节。由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大，加之电极引入的极化电压差值较大（比心电差值幅度大几百倍），因此，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，设计时一般都采用差分放大电路。本设计选用仪用放大器AD620作为前置放大器，AD620输入端采用超处理技术，具有低输入偏置电流、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，共模抑制比可达130dB，非常适合作为医疗仪器前置放大器使用。为防止前置放大器工作于饱区和或截止区，其增益不能过大，试验表明：倍左右效果较好。图中另一运放U4A构成第二级跟随放大器。 图4前置差动放大级及其相关电路点击此处查看全部新闻图片本电路图还包括1mV定标（即校准）电路、脉冲抑制电路。当切换开关SW1切换到低电平时，晶体管Q1饱和截止，稳压管D11没有电压源供电不能工作，差动放大器U3进行心电信号放大。当切换开关SW1切换到高电平时，晶体管Q1饱和导通，稳压管D11有电压源供电开始工作，经电阻分压得： 调整电位器VR1使A点电位为21mV，有 则产生1mV差动电压送入U3，作为差动放大器的定标信号，式中为差动放大器U3的输入端连接电阻。干扰脉冲使二极管D9，D10瞬时导通，经过电容E3耦合到地，而心电信号经U3放大后仍然远小于二极管的导通电压0.7V，所以心电信号可正常通过U3传递到后级电路。 3光电隔离电路 生物信号放大器必须采用隔离技术，就是与生物体接触的前置放大级采用浮动放大器，这样一方面可提高放大器抑制干扰能力，更重要的可保证测量安全。IS0130芯片是一种高度隔离性和高抗干扰能力的隔离运算放大器，使用十分方便，不需任何外围器件，直接用于模拟信号的隔离放大。 上一页123456下一页4带通滤波及二级放大电路 如图5所示，带通滤波由双运放集成电路TL082构成。TL082具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了两个运放，可灵活组成各类放大和滤波电路。由于心电信号频带主要集中在0.05100Hz左右，频带较宽，为此，采用TL082的两个运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波。其中，U4B、C6、C7、R24、R25构成高通滤波器，为不损失心电信号的低频成分，其截止频率设计为 U6A、R28、R29、C8、C9构成低通滤波器，同样，为不损失其高频成分，截止频率设计为 二级放大电路由U6B、R32、电位器VR2构成。考虑到心电信号幅度约为，而数据采集卡A/D转换输入信号要求在1V左右，因此，整个信号电路的放大倍数需1000倍左右。而前置差动放大约10倍左右，因此本级放大倍数设计为100倍左右，可调节电位器VR2使即G=1+VR2/R32=100。 图5带通滤波及二级放大电路点击此处查看全部新闻图片5陷波器电路 图650Hz陷波器工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但仍有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。常规有源陷波器的频率特性对电路元件的参数比较敏感，因此难以精确调试，且电路稳定性不高。而开关电容集成滤波器无需外接决定频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数不敏感，因而性能较稳定。凌特公司的LTC1068-50集成开关电容滤波器内部集成了四个独立的二阶开关电容滤波器，时钟与中心频率之比为50:1，误差为0.3，可采用5V供电。而且配合厂家提供的FilterCAD滤波器设计软件，可灵活配置成各类滤波器（低通、高通、带通、全通等）。为较好地滤除工频干扰，本设计利用LTC1068-50的优点专门设计了一个8阶巴特沃斯50Hz陷波器，采用的时钟信号频率为2.5KHz，设计电路如图6所示，经测试，陷波深度可达50dB，可衰减100倍左右，效果比较理想。 图735Hz陷波器点击此处查看全部新闻图片因为在心电图测量时，常伴随着肌肉紧张而出现的肌电干扰，另外，人体肌电随着个体的差异也会对心电信号造成不同程度的干扰，有时甚至淹没心电信号，因而有必要加以抑制。研究表明，肌电干扰主要集中在35Hz左右，为此，本系统还设计了图7所示的35Hz的无限增益多路反馈型二阶陷波器。该二阶陷波器由U9A、U9B构成，其截止频率约为35Hz，Q值约为7，可符合实际要求。 上一页123456下一页6心电数字信号处理 处理心电数字信号的关键是对心电信号中QRS复波的精确识别。正常人的QRS波群的宽度为0.06至0.10秒，且不受心律变化的影响。针对R波很尖锐的特点，我们通过一个滑动时间窗判断信号峰、谷是否满足要求，同时确认其是否在时间窗内。对信号幅值的阈值采用双可变阈值法，即对波形设置波峰阈值和波谷阈值。如果峰阈值和谷阈值在一段适当时间内有较大变化，则重新设置峰阈值和谷阈值。下面我们对QRS复波定位和心律计算进行讨论，对起始一段时间的信号只进行反相和滤波处理，这是为了将倒置的心电信号恢复过来，并避免信号初期的波动影响阈值。然后在一定的时期内，根据采样得到的数据设置峰阈值Thpeak和谷阈值THtrough，然后对QRS波进行定位。 心电数据处理流程框图如图8所示。 有了定位的R波，就可以在此基础上按以