基于ＬａｂＶＩＥＷ的心电信号测量系统

方　亮

[摘要]介绍一种基于LabVIEW的心电信号测量系统。阐述心电信号的采集、调理及数据分析处理的硬件、软件设计。该系统可实现心电信号的实时显示、分析等功能。

[关键词]LabVIEW 心电信号 虚拟仪器

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0220013－01

一、引言

随着测试技术与总线技术的发展，以虚拟仪器为标志的自动测试系统已开始出现。所谓虚拟仪器，即在以计算机和总线系统设备为硬件平台的基础上，由软件实现原来需要用硬件来完成的功能。“软件即是仪器”的设计理念开始大规模应用于实际的项目开发之中。而LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，是美国NI(national instrument company)公司推出的一种基于G语言(graphics language)的虚拟仪器软件开发工具。由于LabVIEW具有直观、编程简单等特点，且具有强大的数据处理能力，因此，利用LabVIEW并结合相关的硬件所构成的各种虚拟测量分析系统已成为当下流行的一种设计趋势。

二、系统设计

（一）心电信号特征及设计要求

在正常人体内，由窦房结发出的兴奋，按一定途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。在每一个心动周期中，心脏各部分兴奋的电变化通过心脏周围的导电组织和体液传导到全身，在一定体表部位出现有规律的电变化。将测量电极放置在这些部位所记录到的心脏电变化曲线，就是临床医学上常规记录的心电图。心电图是心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中生物电变化的反映，对心搏起点的分析，传导功能的判断以及心律失常、房室肥大、心肌损伤的诊断具有重要价值。

人体的心电信号是一种低频的微弱电信号，典型幅值范围50µV～5mV，典型频率范围0.05～100Hz（美国心脏协会规定），且具有很强的噪声背景。因此，在设计该测量系统时，必须满足以下特性：（1）较高的灵敏度和信噪比，以保证能检测出微小的有用信息；（2）良好的线性和快速响应，以保证信号转换后不失真，并能使输出的信号及时跟随输入信号的变化；（3）良好的稳定性和互换性，以保证输出信号受环境影响小而保持稳定；（4）安全性和可靠性。

由于NI产品不具备适用于人体手术治疗的可靠性水准，也不能作为一旦失效便可能造成人体重大伤害的生命保障系统的主要元件，且软件运行的稳定性可能会受到各种不利因素的影响而产生系统失效，因此，为了避免对人体可能产生的伤害，本系统采用硬件（信号采集、调理）加软件（信号分析、处理）的设计形式。

（二）硬件设计

综合心电信号的特征及设计要求，设计出的心电信号测量系统必须具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移和设置保护电路等性能。心电信号测量系统的电路设计结构框图如图1所示。

输入电路包括输入缓冲放大器、威尔逊网络、导联选择电路和屏蔽驱动电路等部分。既能保证心电放大器的高输入阻抗要求，起到阻抗变化作用，又能完成标准肢体导联的电极和差动放大器的对应连接，还具有限电流保护和滤去高频杂散干扰等作用。

浮地前置放大电路由前置放大器、1mV定标电路、起搏脉冲抑制电路、闭锁电路和光电耦合电路等部分构成。其中，前置放大器可以抑制静电耦合引起的50Hz交流干扰和电磁感应引起的共模干扰信号，并放大经导联选择后的心电信号。光电耦合电路的作用是为了避免仪器的漏电流使受检者受到电击，将与受检者相连接的输入部分和前置放大部分的地线同仪器的地线相隔离，从而有效地提高了本系统的安全性。

中间放大电路包括增益调节放大器、高频滤波电路、灵敏度/滤波选择电路、交流/肌电干扰滤波电路等部分。其主要作用是改变前置放大电路的总增益、滤除变频干扰，抑制50Hz交流干扰和35Hz肌电干扰等。

DAQ采集卡主要完成数据采集功能。系统选用美国NI公司的PCI-6024E型数据采集卡。该卡是基于PCI总线的12位多功能数据采集卡，最高采样速率为200kS/s，具有16路单端模拟输入（或8路差分模拟输入），8个数字输入/输出端口，2个模拟输出端口，支持DMA方式和双缓冲区模式，从而保证了实时信号不间断的采集与存储。

（三）软件设计

计算机端的软件设计是本系统的核心部分，其功能是多方面的，不仅负责对采集数据的接收，还具有对接收的数据进行处理和显示等功能。为了便于系统的设计、连接和修改，各功能的实现均采用模块化的设计，大体上可以分为以下几个模块：

1．数据接收模块：该模块主要负责对前期处理的信号进行接收和转换。

2．信号处理模块：该模块利用控制窗口，针对受检者的具体情况和用户不同的参数设置，对接收的心电信号实现数字信号处理。

3．信号分析模块：该模块采用目前较为成熟的基于小波变换的QRS波形自动识别等算法，主要完成对心电信号各波形的有效判别，为数据的后续读取提供较为可靠的依据。

4．实时显示模块：该模块包括波形显示和数据显示两个部分，主要完成对当前采集、处理后的心电信号进行实时的信息显示，从而实现其测量功能。

利用NI公司的LabVIEW，在Windows视窗环境下，可以设计得到如图2所示的心电信号测量系统主界面。

三、结语

通过验证，该系统基本可以准确完成在标准肢体导联条件下，心电信号的采集、处理、分析、显示和测量任务。该系统既发挥了虚拟仪器设计简单，开发灵活，功能强大的特点，又有效的弥补了虚拟仪器在安全性和可靠性上的不足。由此可见，虚拟仪器与传统硬件电路的有机结合，在医学领域一定会有更为光明的前景与广泛的应用。

参考文献：

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[4]葛亮、张禾，虚拟心电监护系统设计，仪器仪表用户，2008.第15卷第2期．

[5]周红军、李桥、孟延，基于小波变换算法的12导联同步心电图计算机辅助波形测量标定系统，中国医学物理学杂志，2008.第23卷第4期．

作者简介：

方亮，男，汉，四川自贡，工学学士，四川理工学院自动化与电子信息学院实验中心，助理实验师。