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0引言 心血管疾病日益嚴重地威脅著人類的生命，通過日常監護預先發現異常，及時施救，是對抗心血管疾病的重要手段。近年來一些便攜式的家用心電儀陸續誕生，滿足了心電參數快速采集的基本需求，改善了家庭護理條件。隨著計算機和互聯網技術的發展，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、過程通訊及圖形用戶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，把傳統儀器的專業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，開發小型化、模塊化、網絡化的家用心電儀，可以很好地實現信息可視化、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的家用心電監護系統(如圖1)，重點介紹可移動終端與虛擬分析儀的設計與實現�？梢苿咏K端基于51單片機與相關的模擬電路開發實現，虛擬分析儀則通過計算機上的LabVIEW軟件編程實現。患者的心電信息由可移動終端采集，經處理得到標準化的數字信號，無線傳送至虛擬分析儀，實現圖形化的顯示、記錄與數據分析功能。虛擬分析儀還能通過互聯網實現與專業醫療機構的信息共享，達到對特定對象重點監護的目的。 1可移動終端 可移動終端實現心電信號的采集、傳輸與就地顯示，由心電信息采集模塊、主控制器、顯示模塊、電源模塊和無線通訊模塊五部分組成(圖2)。 圖2 可移動終端結構圖 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反復的放大與濾波來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陷波電路來抑制。濾除噪聲之后，還需經過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，通過同相放大電路與加法電路實現。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LMC7660來設計一個-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。 1.3無線通訊模塊 無線通訊模塊是聯系可移動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線數據傳輸模塊，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，方便在線修改參數，無需編寫復雜的設置與傳輸程序，大大提高了開發效率。其引腳定義如表1所示。 可移動終端與虛擬分析儀各配一塊APC220模塊，終端與APC220直接通過串口(RXD、TXD)連接，分析儀則通過TTL-USB轉換器與APC220通訊。 1.4主控制器與顯示模塊 主控制器是整個可移動終端的核心，接收信息采集模塊輸出的波形，實現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。顯示模塊選用點陣式圖形液晶顯示屏FYD12864，分辨率為128×64點，帶中文字庫。 主控制器電路包括時鐘電路、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P1.0(ADC0)口接收采集模塊的輸出信號;通過地址線(P2.3，P2.4)、數據線(P0口)、控制線(P2.0，P2.1，P2.2，P2.5)控制12864顯示屏;通過串行口(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語言來編寫程序。主要包括A/D轉換、串口發送和波形顯示。 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，通過定時器溢出觸發方式來啟動A/D轉換，待轉換完成自動進入中斷服務程序，將結果存入RAM.再將RAM中的數據寫入串口緩存器SBUF，完成串口發送。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 波形顯示主要通過定時刷新液晶屏圖片的方式來實現。屏幕橫軸表示時間刻度，縱軸表示電壓值;根據橫向分辨率定義一個長度為128的數組。每隔一定的時間，根據當前RAM存入的數據a點亮坐標(1，a)，同時將之前點亮的點全體向右移動一格，并將數組長度減1.待數組長度減至0，則清屏重新開始，如此往復循環。程序流程如圖7所示。 2虛擬分析儀 虛擬分析儀包括無線通訊模塊與計算機，無線通訊模塊在1.3小節中已有詳細介紹，計算機為普通家用計算機。該部分是整個系統的樞紐，承擔著信息展示、綜合分析與資源發布等功能，通過LabVIEW軟件編程實現，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軟件進行開發，其面板采用圖形化的編程語言(G語言)進行開發，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、網絡發布等功能模塊。程序流程圖如圖9所示，首先設置通訊端口參數，讀取數據并通過波形圖的方式顯示與保存;同時通過波形圖計算心率，并存入數據庫;根據數據庫建立的模型與實時心率綜合分析患者當前的健康狀況，并將波形、心率、評估信息通過網絡實現共享。 圖9 虛擬分析儀程序流程圖 2.1通訊端口設置 無線通訊模塊與分析儀通過USB映射的虛擬串口通訊，不同的終端設備通過串口號來區分。同時，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驅動來開發，端口號為COM3，波特率9600b/s，8bit，1位停止位，無奇偶校驗位。 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，同時將歷史波形以文件的形式存儲，隨時調用回放。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“寫入波形至文件”函數實現，用條件結構來控制其運行。 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實現。通過觀察波形可知，一次心跳伴隨著一個較窄的尖峰脈沖，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，需要在實驗過程中反復調試。心率計算的算法為： 式中，F表示心率，T表示相鄰波峰時間間隔，l表示相鄰波峰索引位置之差，t表示相鄰兩點采樣時間間隔，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的時間間隔t，得到相鄰波峰的時間間隔，也即兩次心跳的時間間隔，從而得到心率。 分析儀將長期監測得到的波形和心率數據存入數據庫，綜合時間、環境、既往病史等因素建立患者的經驗模型。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，實現對健康狀況的初步評估。 2.4網絡發布 網絡發布功能為遠程訪問提供了一個客戶端接口，醫療機構能夠通過互聯網從web瀏覽器直接訪問虛擬分析儀，獲取最及時的患者信息，進行更為專業的分析與診斷。利用“Web發布工具”，設置查看方式與URL地址，即可實現該功能。 3實驗結果 系統經設計、制板、安裝、聯調，運行穩定之后，選取健康志愿者進行測試。測試實驗原理如圖10所示，體表信號通過心電導聯進入可移動終端，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，用示波器測量心電信息采集模塊的輸出信號，以此作為真實的心電圖波形，人工計算心率真實值，對分析儀顯示的結果進行校驗。 圖10 測試實驗原理圖 以一名志愿者的實驗數據為例，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，分析儀的心率數據以儀表盤的形式圖形化顯示，數據分析面板顯示為“正�！�，遠程訪問的功能也基本實現。實驗結果表明，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 4結束語 基于虛擬儀器技術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;借助計算機與LabVIEW軟件強大的數據計算能力，開發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;開放式的網絡訪問接口便于專業醫療機構對患者進行重點監護，進一步保障了患者的生命安全。具有較強的臨床實用價值。 |
