大學畢業(yè)設計基于虛擬儀器的心臟功能檢測系統(tǒng)的設計-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 tual instrument, was designed with the help of software development platform (LABVIEW). With the advantage of III graphical language of LABVIEW, ECG signals acquired by the electrodes are displayed, analyzed, saved or printed by the programming software. This made the system suitable for ECG signal acquisition, datasaving and some signal processing algorithms. And the system could be used to assist doctors’ diagnosis better. KEY WORDS： cardiac function testing, ECG, Virtual Instrument, LABVIEW, function modules IV 目 錄 摘 要 ........................................................................................................ I ABSTRACT ............................................................................................ II 前 言 ......................................................................................................... 1 第一章 緒 論 .......................................................................................... 3 167。 ST 段 ............................................................................... 9 167。 U 波變化 ........................................................................11 167。 二次放大電路設計 ..................................................... 17 167。 軟件開發(fā)平臺 —LABVIEW ................................................. 24 167。 1 前 言 虛 擬儀器 (Virtual Instrument)是隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、現(xiàn)代測量技術、電子儀器技術的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型儀器 [ 1]。 其中，在醫(yī)療領域， 心臟病已被公認為 威脅人類健康的最嚴重的疾病之一 ， 我國人口的心臟病發(fā)病率很高 ， 呈逐年遞增的趨勢，所 以心臟病的防治和診斷已成為當今醫(yī)學界面臨的主要問題，而心電信號 (electrocardiogram， ECG)是診斷心血管疾病的重要依據(jù)。第二章則側(cè)重介紹了心電及心電圖的一些基礎知識及其對臨床診斷的重要意義。基于圖形編程語言開發(fā)平臺的 LABVIEW能大幅度縮短虛擬儀器應用程序的開發(fā)周期。我國各大城市的主要醫(yī)療單位也都已能進行此項檢查，并積累了不少臨床經(jīng)驗。 總之，目前的心電檢測系統(tǒng)逐漸趨于便攜式、智能化、多導同步檢測且又節(jié)約成本等方向發(fā)展。隨著信息現(xiàn)代化的發(fā)展，尤其是虛擬儀器技術的出現(xiàn)，改變了許多儀器的設計和生產(chǎn)方式，進而基于虛擬儀器的生物醫(yī)學儀器也開始出現(xiàn) [10–12]，使得利用計算機網(wǎng)絡和通訊技術來提高心功能檢測和分析系統(tǒng)的綜合設計，逐漸成為可能。 4) 介紹課題的軟件設計。極化狀態(tài)時靜息電位的恒定，有賴于細胞的代謝活動，細胞內(nèi)外鉀離子及鈉離子濃度的比值以及細胞膜對鉀、鈉、鈣、蛋白質(zhì)、氯離子等具有不同的通透性。 心肌細胞受刺激時鈉通道開放，細胞膜對 Na+的通透性急驟升高，使細胞外液中的大量 Na+滲入細胞內(nèi)，膜內(nèi)電位從靜息狀態(tài)的 –90 mV 迅速上升到 +30 mV，當一個心肌細胞的甲端受刺激而首先除極，由于 Na+的內(nèi)流使此處膜內(nèi)變?yōu)檎娢唬ね庾優(yōu)樨撾娢?，并且興奮可沿著細胞依次向下傳播。典型心電波形如圖 2–3 所示，從心電圖中可以觀察到各心電波段的信息。 PR 間期 PR 間期是 P 波起點至 QRS 波起點的時間間隔，它表示激動從竇房結(jié)發(fā)出，經(jīng)結(jié)間傳導束，房室交界區(qū)心室肌興奮，該過程所需時間，成人為 s~ s，兒童不超過 s。 ST 段 ST 段為 QRS 波群終點到 T 波起點的一段等位線，代表心室除極完畢到復極開始的一段時間，其開始部位 ST 交接點成為 J 點。 167。目前仍為運動試驗陽性的主要標準， ST 段下移程度越重、越早、持續(xù)時間越長、陽性導聯(lián)數(shù)越多，則心肌缺血越重。 167。 12 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設計 167。 前置放大 帶通濾波 二次放大 5 0 H z 陷波 3 5 H z 陷波 A / D 轉(zhuǎn)換 圖 3–2 心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖 13 167。前置放大電路如圖 3–3 所示。該類有源濾波電路具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、調(diào)理方便等優(yōu)點，因而被廣泛用于信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面。它是由兩節(jié) RC 濾波電路和同相放大電路組成，其中 由具有正相增益的常用二階低通濾波器電路，運放和它的兩個連接電阻形成的 同相比例放大電路實際上就是所謂的壓控電壓源 (VCVS)。 同理：二階高通濾波電路的參數(shù)設置也可采用對偶形式進行設計。由于 陷波器是利用壓電效應制成的帶阻濾波器 ,其 作用 便 是阻止或濾掉信號中有害分量對電路的影響 ，因而，這里可以采用常規(guī)的有源陷波器，即二階有源帶阻濾波進行 50 Hz 工頻干擾的濾波處理。其截止頻率約為 35 Hz，Q 約為 7，可符合實際要求。 單片機采集電路的設計 12 通道心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各路心電信號可從人體體表不同部位獲取。本系統(tǒng)可選擇內(nèi)部時鐘源，頻率16 MHz，并采用內(nèi)部電壓基準 VDD。目前各個廠商推出的 USB 芯片類型 很 多，功能各異。尤其是它與筆記本電腦相結(jié)合構(gòu)成移動式心電信號檢測分析儀 時 ， 可 方便地應用于野外、救護車、病房等傳統(tǒng)心電分析儀不便使用的場合，具有很高的實用推廣價值。踏車運動實驗負荷量為 1–7 級，需 7 檔調(diào)節(jié)，因此需要設計一種 8 通道的踏車控制電路，通道 1–7 為阻力調(diào)節(jié)，通道 8 控制踏車體制轉(zhuǎn)動。相對于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有明顯的優(yōu)點：靈活性、高性價比、技術更新快、易于網(wǎng)絡化、能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器不可能實現(xiàn)的功能。另外，個人計算機的參與大大提高儀器的數(shù)據(jù)處理能力。對程序框圖的設計涉及到數(shù)據(jù)端口、節(jié)點、圖框和連線等的設計。 系統(tǒng)需求分析 結(jié)構(gòu)設計 程序調(diào)試 細節(jié)設計 編寫代碼 圖 4–1 虛擬儀器軟件開發(fā)流程 26 針對本設計的系統(tǒng)需求，該系統(tǒng)需完成心電圖的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲等設計任務。 為了簡化整體程序框圖的設計，可將各功能模塊的程序設為子 VI，以方便調(diào)用。 系統(tǒng)信號采集模塊的設計 基于 LABVIEW 的醫(yī)學測量系統(tǒng)和其他電子類測量儀器一樣，都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示三部分組成。 圖 4–5 串口通信程序框圖 這個 VI 程序主要做如下工作 [ 26]： (1)配置串行通信的參數(shù)，為數(shù)據(jù)傳送做準備工作。在其余別的平臺中寫數(shù)據(jù)都是異步進行的。基于 NILabViewDAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 4–8所示。實際的數(shù)據(jù)存儲模塊的 VI 程序很復雜，但鑒于LABVIEW 的框圖編程快捷性，本系統(tǒng)采用了簡單的正弦波、三角波等信號發(fā)生器進行了簡單的仿真模擬，用戶只需選擇一個簡單的按鈕控件，通過與信號采集系統(tǒng)的正確連線，即可順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。 33 總 結(jié) 本文基本完成了心功能檢測系統(tǒng)主要硬件及軟件部分預定功能的設計。 2) 增加數(shù)據(jù)庫管理功能，使其能夠長期保存客戶檔案及診斷信息，可隨時 調(diào)用及打印檢測報告，具有智能查詢客戶資料功能。該設計過程包含了硬件部分對心電信號的放大、濾波、陷波等預處理，單片機與 PC及之間的數(shù)據(jù)通信及 LABVIEW 軟 件部分的編程等步驟，內(nèi)容較為煩瑣，尤其是在 LABVIEW 編程時遇到不少問題。 系統(tǒng)信息的分析 由于心電圖含有大量心電信息，因而，分析心電圖是是主要的心電特征識別方法。該模塊前面板如 圖 4–9所示，相應的程序框圖如 圖 4–10所示。 如圖 4–5中的延遲顯示時間 (Timeout)指定傳輸一幀超時的時間，若超過這個時間將產(chǎn)生錯誤。 (5)報告是否有錯誤發(fā)生，錯誤首先在哪里發(fā)生。作為一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，即通過一個簡單的數(shù)據(jù)線由一個發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)，一次發(fā)送一位到達接收者，串行通信常用于計算機與外設 (例如一臺可編程儀器 )，或者與另外一臺計算機之間的通訊。其主要功能模塊設計如下。 圖 4–3 總體前面板 在細節(jié)設計階段，應按照軟件的 結(jié)構(gòu)確定每個模塊的設計指標、輸入輸出及完成的功能，主要是各個子 VI 的設計與創(chuàng)建及其參數(shù)設置等。用戶必須指定連線端口與前面板的控制和顯示一一對應 [21–23]。 前面板：模擬真實儀器的用戶面板，是用戶可以見到的，類似傳統(tǒng)儀器 25 的操作面板，用于儀器的操作控制、設置輸入?yún)?shù)和觀測輸出量等，常由開關、旋鈕、按鈕、圖形、圖標等構(gòu)成。這是因為虛擬儀器能夠借助于計算機的軟硬件平臺，只需 配以少量的輔助設備 (或器件 )，就能構(gòu)成功能適合用戶要求的儀器。 軟件開發(fā)平臺 — LABVIEW 目前，虛擬系統(tǒng)應用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：一種是基于傳統(tǒng)的文本語言式平臺，主要是 NI 公司 LabWindows, Visual C++, Delphi 等；另一種是基于圖形化工程環(huán)境的平臺，主要是 HP 公司的 HPVEE， NI 公司的LABVIEW 等。由于 Windows 操作系統(tǒng)中已包含了總線驅(qū)動程 序和一些群組驅(qū)動程序，因此用戶只需編寫自己的用戶設備驅(qū)動程序或選用Windows 提供的群組驅(qū)動程序即可。 CY7C64613 支持 USB 協(xié)議 同時可支持12 Mbps 的全速傳輸。 USB 接口電路的設計 計算機的使用使得 心電檢測 系統(tǒng)在信號分析、儲存、打印等方面比傳統(tǒng)的心電圖機具有明顯的優(yōu)勢。 這些特點使得 C8051F206 非常適合作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器。 167。 fFoKK0 圖 3–7 50 Hz 陷波電路 (有源帶阻濾波電路 )的幅頻特性 其中中心頻率為 21212c 1CRR?? (3–13) 而 π100π2 0c ?? f? (3–14) 一旦確定了 C1 和其中一個電阻，陷波電路參數(shù)便可以完全確定下來，具體參數(shù)值如下所示， 取 C1= R1=R2= ?k R3=21 R1= ?k 167。 18 圖 3–5 二次放大電路 放大倍數(shù)為rf1 RRG ?? 。 二階高通有源濾波器的工作原理 二階高通有源濾波器和二階低通有源濾波器的幅頻特性具有對偶關系。為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，可在一節(jié)濾波電路中再加一節(jié) RC 濾波環(huán)節(jié)，構(gòu)成二階有源濾波電路。但此種做法會使電路變得很復雜，參數(shù)也不易設置，所以這里采用了后面的 50 Hz陷波器對工頻干擾進行了相應的濾波處理。作 為一種 低功耗的儀用放大器， AD620 特別適合做小信號的前置放大級，經(jīng) AD620 放大后的小信號失真度很小，加一 級 AD620 組成的前置放大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設計要求的范圍內(nèi) 。人體心電信號的主要頻率范圍為 ~100 Hz，幅度約為0~4 mV，信號十分微弱。 U 波變化 運動后 U 波倒置是冠心病診斷的一條重要線索，對 ST 段無變化的病例更具診斷意義，其多見于左前降支或左主干明顯的狹窄。 QRS 波反映興奮在來那個心室肌傳播過程的電位變化，心肌缺血時心肌細胞內(nèi)鉀離子減少，鈉離子增加，使靜息膜電位降低、心肌細胞 0 相及 1 相傳到速度和幅度降低，減慢浦氏纖維等的傳導速度，因此，心電圖 QRS 波時限延長，振幅降低。 心電圖的臨床診斷意義 心電圖反映了心臟在興奮的產(chǎn)生、傳導和恢復過程中的 電位變化，且在每個心動周期內(nèi)，心電由竇房結(jié)細胞產(chǎn)生興奮，依次傳向心房和心室，包含了大量心電信息，各段心電圖的變化均可作為心臟疾病 (如傳導阻滯、早搏、室顫、房顫、心肌缺血、梗塞等 )診斷的依據(jù)。 T 波