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毕业设计199心脏电信号的提取方法研究

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电器电子毕业设计论文
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毕业设计 题 目 心脏电信号的提取方法研究 学 院 信息科学与工程学院 专 业 电子信息科学与技术 姓 名 马兆鹏 学 号 20051207130 指导教师 李念强 二 OO 七 年 六 月 五 日 nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 1 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 目 录 摘 要 . 3 ABSTRACT . 4 1 绪论 . 5 1.1 课题背景 . 5 1.1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题 . 5 1.1.2 课题的目的及意义 . 6 1.2 课题的创新之处 . 6 1.3 本章小结 . 6 2 背景知识 . 7 2.1 心电图的背景知识 . 7 2.1.1 心电图介绍 . 7 2.1.2 医学上的常规导联 . 8 2.2 虚拟仪器的背景知识 . 9 2.2.1 虚拟仪器介绍 . 9 2.2.2 LabVIEW 简介 . 10 2.3 AVR 单片机 . 11 2.3.1 AVR 单片机的简介 . 11 2.3.2 ATmega64 特点 . 11 2.3 本章小结 . 12 3 系统总体设计方案 . 13 3.1 设计要求及需解决的问题 . 13 3.1.1 设计的要求 . 13 3.1.2 系统要解决的问题 . 13 3.2 心 电信号的特点主要干扰源 . 13 3.2.1 心电信号的特点 . 13 3.2.2 主要干扰源 . 14 3.3 系统结构框图 . 15 3.4 系统设计原理 . 15 3.5 本章小结 . 15 4 硬件的设计 . 16 4.1 模拟电路的设计 . 16 4.1.1 导联线输入缓冲电路的设计 . 16 4.1.2 屏蔽线驱动和右腿驱动电路的设计 . 16 nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 2 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 4.1.3 心电前置放大电路的设计 . 18 4.1.6 抗工频干和肌电干扰电路的设计 . 21 4.1.7 主放大及电平抬升电路的设计 . 22 4.2 数字电路的设计 . 23 4.2.1 AD/C 电路的设计 . 23 4.2.2 单片机电路的设计 . 26 4.2.3 通信电路的设计 . 27 4.3 本章小结 . 27 5 软件和数字滤波算法的设计 . 28 5.1 软件设计概述 . 28 5.2 下位机数据采集软件 . 28 5.2.1 下位机程序流程图 . 28 5.2.2 下位 机部分程序 . 29 5.3 上位机软件和滤波算法设计 . 32 5.3.1 上位机程序流程图 . 32 5.3.2 上位机通信程序 . 33 5.3.3 数字滤波算法的设计 . 34 5.4 本章小结 . 39 6 系统的调试 . 40 6.1 系统调试的要求 . 40 6.2 硬件调试 . 40 6.2.1 前置放大器的调试 . 40 6.2.2 带通滤波和馅波器的调试 . 40 6.3 软件调试 . 41 6.3.1 ATmega64 采集数据程序的调试 . 41 6.3.2 LabVIEW 分析心电数据的调试 . 42 6.4 本章小结 . 44 7 结论及展望 . 45 致 谢 . 46 参考文献 . 47 附 录 . 48 附录一 模拟电路图 . 48 附录二 数字电路图 . 49 附录三 PCB 板图片 . 50 附录四 实物照片 . 51 nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 3 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 摘 要 心电图机是一类诊断心脏疾 病的仪器,它通过向医生提供心电图来达到诊断目的。心电图机的发展己有 100 多年的历史 。 随着生活水平日益提高,人们对自身健康更加关注,这在一定程度上推动健康监护仪器的普及与应用。为了方便人们监护心脏健康情况,开发一种便携、经济、实用的家用心电监护仪器,实现心脏病患者的自我发现、自我诊断以及自我护理势在必行。 本论文硬件系统采用 ATmega64 为核心控制器,计算机应用程序采用 LabVIEW 开发,根据人体心电信号的特征,设计性能优良的心电信号采集系统 ,对心电信号的处理包括数据采集、数字滤波和波形分析,心电信号的自 动分析是一个复杂的过程,目前对于心电信号的自动分析还很不完整需要医生的参与。 系统由硬件和软件两部分组成,其中硬件部分包括心电信号的接收、放大和滤波电路以及采集电路两部分,软件部分包括数据采集系统的软件设计。 硬件部分所要实现的功能为 : 通过电极采集到人体的心电信号,并进行滤波等处理,然后通过采集卡将模拟信号转换成数字信号送入计算机中,进行后续处理。心电数据也可通过 RS232 接口向上位机传 输。 软件部分所要实现的功能为 : 把采集的数据保存,能够将心电波形直接显示在计算机屏幕上。 关键词:心电信号 , 数据采 集 , AVR 单片机 , 虚拟仪器 , LabVIEW nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 4 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 Abstract The electrocardiograph machine is a kind of heart disease diagnosis instrument, that provides ECG to doctor to achieve the diagnosis goal. The ECG have developed for more than 100 years. With the living conditions improving, people pay more and more attention to health. As a result ,it makes the health intensive care apparatus more popular and more widely used .In order to tutelage cardiac health conditions conveniently, we are in need of electrocardiograph which is portable, economical and practical, so that we can discover and diagnose some disease even psychoanalyse early by self. The electrocardiograph hardware system is based on ATmega64 digital signal processor which work as kernelcontrol chip. the computer application programmed with LabVIEW are the characteristics of the ECG virtual instrument developed by this project. According to the characteristic of humans ECG signal, an excellent ECG signal sampling system was designed. The processing of the ECG signal includes data acquisition, data digital filter and wave analysis, It is a complicated process to automatically analyze electrocardiogram, and now this analysis is not consummate, so doctors must participate in this work. System is made up of two parts of hardware and software, hardware part include ECG signal receive, enlarge and filter circuit and gather circuit two parts among them, the software of data collecting, software design of administrative system. The hardware function need to be achieved is that: Gather ECG signal of the human body through electrode, through enlarge circuit change signal that can be discerned, then through collecting card convert analog signal to digital signal, and last, send them into computer. For the follow-up treatment。 The ECG data can be transmitted to Personal Computer by serial RS232 interface. The software function need to be achieved is that: can show the ECG signal wave form at the screen of the computer directly data that gather. Key words: ECG ,Data collecting, AVR MCU, Virtual Instrument, LabVIEW nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 5 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 1 绪论 1.1 课 题背景 1.1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题 目前,心脏电信号的主要表现形式是心电图,简称 ECG( Electrocardiograph),而心电图的采集主要借助于心电图机,其能够真实地记录下 ECG 的波形参数并能依此检测出其量值,医生根据心电图机记录的心电波形的形态、波幅大小以及各波之间的相对时间关系来诊断心脏疾病,是检查心脏病最基本而又必要的手段,所以心电图机的研制对心脏疾病的诊断是十分重要的。 在国外,心电图机的研制和生产,占主要地位的是以德国、日本、加拿大、美国为主的发达国家,相 对而言国内心电图机发展速度较慢,水平较落后,心电图机的研制和生产是在 1903 年荷兰的爱因托芬( Willem Einthoven)制造的第一台弦线式电流计的基础上发展而来的, 20 世纪 50 年代之前,心电图机的发展主要解决了小型化和提高灵敏度的问题。1960 年第一个专用心电图波形自动识别系统建立起来,自 1978 年美国 Marquett 公司首次推出数字化 12 导同步心电图机,便开创了心电图记录、分析与诊断、保存与管理的新纪元,从此心电图机进入数字化发展新时代,特别是计算机在各个领域的广泛运用,数字化信息处理为医学界进步 和深入研究提供了现代化高科技手段。常规的心电图机有单道和多道,虽使用方便,但体积庞大、价格高,主要适合医院,并且对许多偶发、短暂心律失常无法进行监测;动态心电图机 (HOLTER),虽然可用于 24 小时甚至更长时间的心电图记录,但是 HOLTER 价格昂贵,使用不方便,并且不能实时处理 1。 经过对现有市场的调研和考察,发现市场上流通的主要有两大类心电图机: PC 式和便携式,两者都有从 3 导联到 18 导联的不同型号的产品。 基于 PC 式的心电图机,由典型的个人计算机系统、高分辩率激光打印机、心电信息处理单元以及专门的处 理软件组成,比较适合心电信息的研究和探讨,多用于固定场所和长时间监测。高分辨彩色显示器可以监控心电信号采集的质量和监护异常心电图,并可从所获取的信息中人工选择需要的心电信号进行存储、打印等处理。具有自动测量功能,由于计算机备有海量存储器,可以存储大量的原始心电数据,尤其适合建立心电信息数据库。 对于便携式心电图机,硬件部分与相应软件紧凑地组合成一单元模块,构成体积小,智能化程度高,功能全,使用灵活,操作方便,适合携带外出、移动抢救等用途。记录部分为高分辨热阵式打印,液晶监控显示屏幕,可以存储若干份心电图数据 ,并能通过标准接口将数据传输到计算机系统中。 经调查发现,普通家庭使用心电图机还处于起步阶段,而且市面上的心电图机的操作很复杂,对于医院用的心电图机要经过专门的培训才能够使用,这给心电图机的普及和推nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 6 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 广带来了很大的障碍,所以把心电图机虚拟在计算机上,借助于计算机的强大的功能和对数据处理的能力必是一个很好的选择。 1.1.2 课题的目的及意义 本课题设计心脏电信号的数据采集模块,结合 NI 公司的 LabVIEW 在测控技术、数字信号处理领域的优势,研制虚拟仪器心电图机。 实时、无失真地提取心脏的电信号,为研究各种疾病和 心脏电信号的联系打下基础。 目前,大部分医院使用的心电图机基本上都是传统的心电图机,很少采用虚拟仪器技术研制的心电图机。虽然已经有厂家推出了基于虚拟仪器技术的心电图机,但是这样的厂家十分少。医院更新心电图机时,更倾向于采用先进技术制造的心电图机,所以采用虚拟仪器技术所制造的心电图机有很广阔的市场,不但为了满足市场的需求,更是为了日后研制其它医疗器械虚拟仪器积累经验 2。 1.2 课题的创新之处 题目的初步设计方案,避开传统的心电图机的设计思路,采用先进的虚拟仪器开发,数据采集模块采用 AVR 高速单片机和高速 高分辨率 A/DC,同步采集标准 I、 II、 III 导联的波形数据,从而实现 实时、无失真 的心电图波形的显示和分析。 在硬件电路的设计中为了抗工频干扰 (50Hz)和肌电干扰 (35Hz),采用了由 双 T 型馅波器来做 50Hz 工频 陷波器 和 35Hz 陷波器。考虑到心脏电信号的主要干扰来自市电 , 所以系统设计了一个低噪声的稳压电源,另外,为了尽量的避免干扰,在绘制 PCB 和电子电路的布线上也特别注意。 在软件设计方面,结合硬件采用了数字滤波器,把心脏电信号从采集的数字信号中提取出来。 1.3 本章小结 本章主要叙述了 , 目前国内外关于 心脏电信号的提取的方法 以及本课题研究的主要任务 。 就目前市场上出现的心电图仪器做了调研,现在的医用心电仪器大部分是十二导联 ,这种设备主要用来做医疗心电方面的诊断,还有一些心电图仪器例如三导联主要对病人做监护用,市场上出现了十八导联的心电设备这种设备的精确度更高,但是价格十分的昂贵,就目前来看十八导联的心电图仪器市场还不时很普及。在医疗水平很高的医疗机构现在 出现了借助计算机来分析人体心电图的大型心电图仪器,这将是个发展的方向。 经过调研得出开发研制心电图仪器有一定的广阔的前景,在这个领域里已经有很多的厂家和公司 做的很出色。 nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 7 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 2 背景知识 2.1 心电图的背景知识 2.1.1 心电图介绍 P 波Q R S 波T 波U 波图 2-1 标准心电波形示意图 心脏是人体循环系统中重要的器官。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和扩张活动,血液才能够在循环系统中不停地流动。心脏在机械性收缩之前,首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表,使体表不同部位产生不同的电位。心脏的兴奋和传导是有规律的,所以心电变化也是有规律的。 如果在人体体表放置两个电极,分别用导联线接到心电图机的两端它就按照心脏激 动的时间顺序,将 体 表两点间的电位记录下来,形成一条连续的曲线,这就是心电图。 心电图: Electrocardiogram 简称 ECG, 如 图 2-1 并对心电图各波、段和间期予以命名。 1) P 波 : 代表左、右心房除极过程中产生的电位变化。正常人心脏激动起源于窦房结,顺序引起右房、房间隔和左房除极,在一组心电图波形中最先出现的是 P 波。窦性 P 波在 I、 II、aVF、 V4V6 导联直立, aVR 导联倒置。 P 波振幅 0.25mV, P 波 100mS。 2) P-R 间期 : 自 P 波起点到 QRS 波群起点的一段时间称为 P-R 间期, 代表自心房开始除极至心室开始除极的时间差。正常 P-R 间期在 120200mS 之间。 3) P-R 段 : P 波终点到 QRS 波群起点的一段时间称为 P-R 段。代表激动通过心房内 传导束、房室交界区至希普氏传导系统的时间这段传导组织所产生的电位极其 微弱,在表心电图上是不能显示出来的 (而希氏束电图可以显示出希氏束的电活动 ),无电位变化。一般 P-R 段位于基线上。 4) QRS 波群 (QRS 波 ): QRS 波群代表左、右心 室和室间 隔除极产生的电位变化、典型的心室除极波 由 3 个紧nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 8 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 密相连的波群构成,总共时间不超过 100mS。 5) ST 段 : 自心室除极结束至心室开始复极的一段时间称为 ST 段。正常 ST 段多位于基线。 6) T 波 : 位于 S-T 波段之后,是一个比较低而占时间比较长的波,它是心室复极所产生的。 7) QT 间期 : QT 间期是自 QRS 起点到 T 波终点的一段时间,一般在 40040mS。 QT 间期代表心室除极和复极的全部过程。因 QRS 时间较短,往往把 QT 间期看作心室的复极过程。 8) U 波 : 位于 T 波之后,比较低小,其发生机理未完全明确。一般认为是心肌激动的 “激后电位 ”。 2.1.2 医学上的常规导联 1) 标准 导联: I、 II、 III。 标准导联是 Einthoven 在 1903 年创立的标准。 I 导联: 如 图 2-2 人体的 LA 和 RA 分别接仪表放大器的同相输入端和反相输入端; L AR AI图 2-2 I 导联的连接方式 II 导联: 如 图 2-3 人体的 RL 和 RA 分别接仪表放大器的同相输入端和反相输入端; L LR AI I图 2-3 II 导联的连接方式 III 导联: 如 图 2-4 人体的 LL 和 LA 分别接仪表放大器的同相输入端和反相输入端 。 L LI I IL A图 2-4 III 导联的连接方式 本课题采用的是标准导联 的设计方式。 nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 9 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 2) 加压肢体导联: aVR、 aVL、 aVF。 1934 年 Wilson 根据 Kirchhoff 电流定律,引入中心电端的概念,创设了单极肢体导联。Wilson 在实验动物的心脏外 膜上 放 一个 电极,称为 “探 查 电极 ”,把另一个电极放在距心脏尽可能远的体表上。应用这 种导 联的目的是想通过这种记录方法直接记录 探 查 电极下那一部位的电位变 化 ,从而更加 准 确地了解局部心肌病变。然而这 种 记录方法是不可能在临床上得到推广应用的。 加压肢体导联的电极放 置位置 : aVR 导联连接方式:电极放置于右手腕内侧,中心电站于左手腕和下肢相连接; aVL 导联连接方式:电极放置于左手腕内侧,中心电站于 右手腕和下肢相连接; aVF 导联连接方式:电极放置于左下肢,中心电站于左右手腕相连接。 3) 胸导联: V1、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6。 把导联的负极 (-)接中心电端,导联的正极 (+) 按如下的规定放置 : V1 导联 胸骨左缘第四肋间相当于右心室部位; V2 导联 胸骨右缘第四肋间也相当于右心室部位; V3 导联 胸骨左缘第四肋间与锁骨中线第五肋间连线的中点 相当于心室间 隔部位; V4 导联 左锁骨中线与第五肋间相交处也相当于心室间隔部位; V5 导联 左腋前线与 V4 的水平处相当 于 左心室部位; V6 导联 左腋中线第五肋间的水平处也相当于左心室部位。 由此而得 V1V6 这 6 个导联统称为胸导联。由于电极距离心脏非常接近,因此心电波形振幅较大,有利于临床观察 。 2.2 虚拟仪器的背景知识 2.2.1 虚拟仪器介绍 首先提出虚拟仪器概念的是美国的国家仪器有限公司 (Nation Instruments,简称为 NI),提出了 “ 软件就是仪器 ” 的口号,彻底打破了传统仪器只能由生产厂 家定义,用户无法改变的局面,从而引起仪器和自动化工业的一场革命。 NI 公司的虚拟仪器(白皮书)上有以下论述 :“ 在过去的 20 年中, PC 机 (个人电脑 )应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新,其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展,以及为工程师和科学家们提高生产率、测量精度及系统性能方面做出的贡献 ”。 一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件 (例如插入式板卡 )及驱动软件,他们在一起共 同完成传统仪器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以 软件为中心的测量系统的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然 PC 机和集成电路技术在过去的 20 年里有显著nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 10 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 的发展和提高,但是,软件才是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。有了虚拟仪器,工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统,而不用再受功能固定 (完全由厂家提供 )的传统仪器的限制。由于计算机性能以摩尔定律飞速发展,虚拟 仪器的性能也因此而得到飞速发展。这里的 “ 虚拟 ” 有两层含义 : 1) 虚拟的仪器面板 ; 2) 由软件实现仪器的测量功能 (软件就是仪器 )。 NI 公司推出了两套专用于虚拟仪器开发的开发平台 , 一个是 LabView,另外一个是 LabWindows/CVI。 虚拟仪器系统的必备组件 : 功能强大的编程工具、灵活易用的数据采集硬件及个人电脑 。 本课题的 上层软件的编写采用的是 LabVIEW3。 2.2.2 LabVIEW 简介 LabVIEW 是 NI 推出的虚拟仪器开发平台软件,它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备 驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持,为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。 LabVIEW 采用图形化编程语言 G 语言,产生的程序是框图的形式,特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用,可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说,编程就像设计电路图一样 。 因此,硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习 LabVIEW 驾轻就熟 , 在很短的时间内就能够学会并应用 LabVIEW。也不必 去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 不像 C 或 C+等其它计算机高级语言一样, LabVIEW 也是一种通用编程系统,具有各种各样、功能强大的函数库,包括数据采集、 GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储,甚至还有目前十分热门的网络功能。 LabVIEW 也有完善的仿真、调试工具,如设置断点、单步等。 LabVIEW 的动态连续跟踪方式,可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况,比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且 LabVIEW 与其它计算机语言相比,有一个特别重要的不同点:其它计算机语言都是采用基于文 本的语言产生代码行,而 LabVIEW 采用图形化编程语言 G 语言。 LabVIEW 程序又称为虚拟仪器,它的表现形式和功能类似于实际的仪器;但 LabVIEW 程序很容易改变设置和功能。因此, LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合,及对信号进行分析研究、传输等场合。 总之,由于 LabVIEW 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式,能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能,并且用线条将各种功能连接起来,十分省时简便,深受用户青睐 。 与传统的编程语言 比较, LabVIEW 图形编程方式能够节省85以上的程序开发时间,其运行速度却几乎不受影响,体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品,用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如,用户可以将原有的nts信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 11 页 共 52页 济南大学毕业设计用纸 带有 RS232 接口的仪器、 VXI 总线仪器以及 GPIB 仪器通过计算机, 连 接在一起,组成各种各样新的仪器系统,由计算机进行统一管理和操作。可以预见,由于 LabVIEW 这些其他语言无法比拟的优势,已经成为该领域的一朵奇葩 。 最终将引发传统的仪器产业一场新的革命 。 2.3 AVR 单片机 2.3.1 AVR 单片机的简介 ATMEL 公司的 AVR 单片机 ,是增强型 RISC 内载 Flash 的单片机 ,芯片上的 Flash 存储器附在用户的产品中 , 可随时编程 ,再编程 ,使用户的产品设计容易 , 更新换代方便 。 ATmega64 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMO
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