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0引言 心血管疾病日益嚴重地威脅著(zhù)人類(lèi)的生命，通過(guò)日常監護預先發(fā)現異常，及時(shí)施救，是對抗心血管疾病的重要手段。近年來(lái)一些便攜式的家用心電儀陸續誕生，滿(mǎn)足了心電參數快速采集的基本需求，改善了家庭護理條件。隨著(zhù)計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠程監護系統應運而生，遠程數據采集和分析對便攜式心電儀在信息可視化、數據記錄分析以及資源共享等方面提出了新的需求。 虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過(guò)程通訊及圖形用戶(hù)界面的軟件組成的測試系統。它以計算機作為統一的硬件平臺，把傳統儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，兼具傳統儀器的功能和計算機智能資源。利用虛擬儀器強大的數據分析和圖形界面功能，開(kāi)發(fā)小型化、模塊化、網(wǎng)絡(luò )化的家用心電儀，可以很好地實(shí)現信息可視化、數據分析和遠程共享功能。 圖1 基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監護系統結構示意圖 本文設計了一種基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監護系統(如圖1)，重點(diǎn)介紹可移動(dòng)終端與虛擬分析儀的設計與實(shí)現�？梢苿�(dòng)終端基于51單片機與相關(guān)的模擬電路開(kāi)發(fā)實(shí)現，虛擬分析儀則通過(guò)計算機上的LabVIEW軟件編程實(shí)現�；颊叩男碾娦畔⒂煽梢苿�(dòng)終端采集，經(jīng)處理得到標準化的數字信號，無(wú)線(xiàn)傳送至虛擬分析儀，實(shí)現圖形化的顯示、記錄與數據分析功能。虛擬分析儀還能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現與專(zhuān)業(yè)醫療機構的信息共享，達到對特定對象重點(diǎn)監護的目的。 1可移動(dòng)終端 可移動(dòng)終端實(shí)現心電信號的采集、傳輸與就地顯示，由心電信息采集模塊、主控制器、顯示模塊、電源模塊和無(wú)線(xiàn)通訊模塊五部分組成(圖2)。 圖2 可移動(dòng)終端結構圖 1.1心電信息采集模塊 體表心電信號極其微弱，極易夾雜噪聲干擾，心電信息采集模塊就是通過(guò)反復的放大與濾波來(lái)提取其中的有效信息。信號處理步驟主要包括：前置放大、帶通濾波、工頻陷波、次級放大和電平抬升(圖3)。 圖3 心電信息采集模塊電路結構框圖 圖4 LMC7660電壓轉換電路原理圖 前置放大部分采用具有高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路。帶通濾波部分由高通濾波器和低通濾波器組成，設計通頻帶為0.3～100Hz.50Hz工頻干擾采用雙T陷波電路來(lái)抑制。濾除噪聲之后，還需經(jīng)過(guò)次級放大與電平抬升以使波形覆蓋A/D采樣的電壓范圍，保證轉換精度，通過(guò)同相放大電路與加法電路實(shí)現。信號最后輸出到主控制器STC12C5A08AD的A/D模塊。 為保證系統的性能，前置放大電路采用高精度、高輸入阻抗儀表放大器AD620，其他電路均選用高精度低噪聲運算放大器OP07來(lái)設計。 1.2電源模塊 系統采用5V鋰電池供電，但由于運算放大器需要正負電源供電，所以通過(guò)LMC7660來(lái)設計一個(gè)-5V的電壓轉換電路。LMC7660是高度集成的CMOS電壓轉換器，只需外接一個(gè)10μF的充電電容(圖4)，具有寬工作電壓范圍與高電壓轉換效率的特點(diǎn)。 1.3無(wú)線(xiàn)通訊模塊 無(wú)線(xiàn)通訊模塊是聯(lián)系可移動(dòng)終端與虛擬分析儀的紐帶，保證了系統的便攜性與靈活性。選用APC220集成半雙工微功率無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，該模塊嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，為底層設置提供了通用接口，方便在線(xiàn)修改參數，無(wú)需編寫(xiě)復雜的設置與傳輸程序，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。其引腳定義如表1所示。 可移動(dòng)終端與虛擬分析儀各配一塊APC220模塊，終端與APC220直接通過(guò)串口(RXD、TXD)連接，分析儀則通過(guò)TTL-USB轉換器與APC220通訊。 1.4主控制器與顯示模塊 主控制器是整個(gè)可移動(dòng)終端的核心，接收信息采集模塊輸出的波形，實(shí)現A/D轉換與數據輸出功能，選用51內核的單片機STC12C5A08 AD.STC12C5A08AD是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k字節Flash，1280字節RAM，內部集成8路10位高速A/D轉換通道。顯示模塊選用點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏FYD12864，分辨率為128×64點(diǎn)，帶中文字庫。 主控制器電路包括時(shí)鐘電路、復位電路、A/D接口電路、顯示接口電路和串行通信電路(圖5)。單片機通過(guò)P1.0(ADC0)口接收采集模塊的輸出信號;通過(guò)地址線(xiàn)(P2.3，P2.4)、數據線(xiàn)(P0口)、控制線(xiàn)(P2.0，P2.1，P2.2，P2.5)控制12864顯示屏;通過(guò)串行口(P3.0，P3.1)與通訊模塊相連。復位電路包括上電復位與按鍵復位;晶振的時(shí)鐘頻率選為11.0592MHz，確保精確的通信波特率。 圖5 主控制器及其接口電路原理圖 STC12C5A08AD兼容標準8051指令系統，采用工程上普遍使用的C51語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序。主要包括A/D轉換、串口發(fā)送和波形顯示。 首先設置串口的工作方式、波特率，選擇STC12C5A08AD自帶的A/D轉換通道ADC0，定義其工作在單端方式，通過(guò)定時(shí)器溢出觸發(fā)方式來(lái)啟動(dòng)A/D轉換，待轉換完成自動(dòng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，將結果存入RAM.再將RAM中的數據寫(xiě)入串口緩存器SBUF，完成串口發(fā)送。程序流程如圖6所示。 圖6 A/D轉換與串口通信程序流程圖 圖7 波形顯示程序流程圖 波形顯示主要通過(guò)定時(shí)刷新液晶屏圖片的方式來(lái)實(shí)現。屏幕橫軸表示時(shí)間刻度，縱軸表示電壓值;根據橫向分辨率定義一個(gè)長(cháng)度為128的數組。每隔一定的時(shí)間，根據當前RAM存入的數據a點(diǎn)亮坐標(1，a)，同時(shí)將之前點(diǎn)亮的點(diǎn)全體向右移動(dòng)一格，并將數組長(cháng)度減1.待數組長(cháng)度減至0，則清屏重新開(kāi)始，如此往復循環(huán)。程序流程如圖7所示。 2虛擬分析儀 虛擬分析儀包括無(wú)線(xiàn)通訊模塊與計算機，無(wú)線(xiàn)通訊模塊在1.3小節中已有詳細介紹，計算機為普通家用計算機。該部分是整個(gè)系統的樞紐，承擔著(zhù)信息展示、綜合分析與資源發(fā)布等功能，通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現，其功能結構與工作流程如圖8所示。 圖8 虛擬分析儀結構圖 虛擬分析儀采用NI公司的LabVIEW8.5軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其面板采用圖形化的編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設計了通訊端口設置、心電圖顯示存儲、心率計算、健康狀況評估、網(wǎng)絡(luò )發(fā)布等功能模塊。程序流程圖如圖9所示，首先設置通訊端口參數，讀取數據并通過(guò)波形圖的方式顯示與保存;同時(shí)通過(guò)波形圖計算心率，并存入數據庫;根據數據庫建立的模型與實(shí)時(shí)心率綜合分析患者當前的健康狀況，并將波形、心率、評估信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現共享。 圖9 虛擬分析儀程序流程圖 2.1通訊端口設置 無(wú)線(xiàn)通訊模塊與分析儀通過(guò)USB映射的虛擬串口通訊，不同的終端設備通過(guò)串口號來(lái)區分。同時(shí)，還需設置數據格式和傳輸速率，以便相互匹配。該功能利用LabVIEW自帶的visa驅動(dòng)來(lái)開(kāi)發(fā)，端口號為COM3，波特率9600b/s，8bit，1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。 2.2心電圖顯示與存儲 心電圖顯示是將從通訊端口讀取的數據以波形的形式顯示在面板上，同時(shí)將歷史波形以文件的形式存儲，隨時(shí)調用回放。波形顯示利用LabVIEW自帶的波形圖控件，將串口讀入的值轉化成數組，再轉化成圖形顯示在面板上。波形存儲則利用“寫(xiě)入波形至文件”函數實(shí)現，用條件結構來(lái)控制其運行。 2.3心率計算與分析 由于心電圖波形信號成分比較復雜，波形的頻率并不直接等于心率，所以心率的計算需要基于波形圖像的分析來(lái)實(shí)現。通過(guò)觀(guān)察波形可知，一次心跳伴隨著(zhù)一個(gè)較窄的尖峰脈沖，只要準確地捕捉到尖峰脈沖，就能求得心率。對尖峰脈沖的檢測，可以調用LabVIEW自帶的“波峰檢測”函數，注意合理的閾值和寬度設置，需要在實(shí)驗過(guò)程中反復調試。心率計算的算法為： 式中，F表示心率，T表示相鄰波峰時(shí)間間隔，l表示相鄰波峰索引位置之差，t表示相鄰兩點(diǎn)采樣時(shí)間間隔，f表示采樣頻率。 “波峰檢測”函數計算出當前波峰所處的索引位置，利用移位寄存器可以求出相鄰兩波峰的索引位置之差l，將其乘以相鄰采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔t，得到相鄰波峰的時(shí)間間隔，也即兩次心跳的時(shí)間間隔，從而得到心率。 分析儀將長(cháng)期監測得到的波形和心率數據存入數據庫，綜合時(shí)間、環(huán)境、既往病史等因素建立患者的經(jīng)驗模型。根據大量的數據計算出患者的心率平均值、正常心率范圍等參數，結合當前的測量值，給出異常狀況的提醒與分析，實(shí)現對健康狀況的初步評估。 2.4網(wǎng)絡(luò )發(fā)布 網(wǎng)絡(luò )發(fā)布功能為遠程訪(fǎng)問(wèn)提供了一個(gè)客戶(hù)端接口，醫療機構能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從web瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)虛擬分析儀，獲取最及時(shí)的患者信息，進(jìn)行更為專(zhuān)業(yè)的分析與診斷。利用“Web發(fā)布工具”，設置查看方式與URL地址，即可實(shí)現該功能。 3實(shí)驗結果 系統經(jīng)設計、制板、安裝、聯(lián)調，運行穩定之后，選取健康志愿者進(jìn)行測試。測試實(shí)驗原理如圖10所示，體表信號通過(guò)心電導聯(lián)進(jìn)入可移動(dòng)終端，在虛擬分析儀面板上顯示心電圖波形、心率以及分析結果：同時(shí)，用示波器測量心電信息采集模塊的輸出信號，以此作為真實(shí)的心電圖波形，人工計算心率真實(shí)值，對分析儀顯示的結果進(jìn)行校驗。 圖10 測試實(shí)驗原理圖 以一名志愿者的實(shí)驗數據為例，分別得到心電信息采集模塊輸出的波形(圖11)和虛擬分析儀的運行界面(圖12)，兩種方法得到的測試數據對比如表2所示。同時(shí)，分析儀的心率數據以?xún)x表盤(pán)的形式圖形化顯示，數據分析面板顯示為“正�！�，遠程訪(fǎng)問(wèn)的功能也基本實(shí)現。實(shí)驗結果表明，心電儀波形失真小、測量精度較高、數據分析功能強、可視化程度高，達到了預期目標。 圖11 心電信息采集模塊輸出信號 圖12 虛擬分析儀運行狀態(tài) 4結束語(yǔ) 基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電儀遵循模塊化的設計理念，以低廉的硬件成本實(shí)現了對患者心電信息的采集、顯示、存儲和分析，具有靈活便攜、可靠性高的特點(diǎn);借助計算機與LabVIEW軟件強大的數據計算能力，開(kāi)發(fā)了人性化的信息集成與數據分析功能，對異常狀況及潛在威脅給予提醒，達到預防保健的目的;開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)接口便于專(zhuān)業(yè)醫療機構對患者進(jìn)行重點(diǎn)監護，進(jìn)一步保障了患者的生命安全。具有較強的臨床實(shí)用價(jià)值。 |
