基于LabVIEW的心电监护系统设计.doc

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1、基于LabVIEW的心电监护系统设计摘 要心脏病是严重威胁人类健康和生命的主要疾病之一。心电监护系统可以及时获取患者的心电信息，以便及时发现异常情况，采取相应的处理措施，是降低心脏病死亡率的有效手段之一。美国国家仪器有限公司(National Instruments，简称NI)开发的虚拟仪器编程语言LabVIEW提供丰富的函数库，利用I/O接口设备完成信号的采集和测试，利用计算机强大的软件功能实现数据的运算、分析和处理，利用计算机显示器来模拟传统仪器的控制面板，从而利用计算机仪器系统技术来完成各种测试功能。本文通过对国内外医疗系统发展的分析，针对现代医疗监护系统的要求，利用LabVIEW平台开

2、发了基于虚拟仪器的心电监护系统。首先，根据心电信号的特点，设计心电采集模块，包括心电前置放大器，右腿驱动电路，高通滤波器，低通滤波器，可变Q值50Hz双T陷波电路和增益可调电路。其次，软件上采用LabVlEW强大的图形语言，设计了操作简单、界面优美的PC机测试系统，包括对采集上来的心电信号、脉搏信号的分析处理和显示存储，同时设置了自动报警系统，操作者可以实时监测被测者的心电情况，便于及时做出诊断，及早治疗。关键词：虚拟仪器 ；心电信号；LabVlEW；实时监测ABSTRACTHeart disease is one of the major diseases which is a seriou

3、s threat to human health and life. ECG monitoring system can access to the ECG information of patients tim-ely and then detect anomalies and take corresponding measures, which is an effective means of reducing mortality of heart disease.National Instruments Developed a Virtual Instrument language-La

4、bVIEW：it has abundant functionsUsing I/O instrument realize acquisition and testing of signals，using powerful software realize calculating and analyzing and disposing of data, using the displayer to simulate the tradition control panelin order to realize all kinds of testing functions through comput

5、erBased on the analysis of the foreign Telemedicine development，according to the recent Telemedicine requirementsdesign a system based on Virtual InstrumentFirstly, electro-cardio signal collective module，including ECG signal preamplifier, high-pass filter，low-pass filter,50 Hz double T trap filter

6、with adjustable Q value，circuit with adjustable gain，has been designed according to the ECG featureSecond，using powerful graph language LabVIEW，designed an easy to operate and beautiful PC Test system，including the analysis ,disposal , display and store the ECG data and pulse data. meanwhile，by desi

7、gning autoalerting system，the operator Can measure the ECG quality of the patient real time，then Can give the diagnoses and treatmentkeywords：Virtual Instrument ；ECG data ；LabVIEW ；real-time detection目 录第一章 绪论11.1引言11.2生物医学信号简介21.2.1生物医学信号的特点21.2.2心电信号的产生机理及临床应用21.2.3心电信号的特点31.3虚拟仪器(VirtuaI Instrume

8、nt)4 1.3.1虚拟仪器应用于生物信号检测的意义41.3.2虚拟仪器概述51.3.3LabVIEW简介51.4本文主要研究内容6第二章 系统总体设计72.1系统设计原则72.2系统整体组成及工作原理72.3系统硬件组成82.3.1前置放大器的设计92.3.2LabVIEW数据采集卡的选择102.4系统软件组成112.4.1模块化结构设计112.4.2软件设计思想112.4.3系统的软件部分编写122.5技术指标13第三章 系统硬件设计143.1心电监控系统硬件的组成143.2心电信号调理153.3脉搏信号调理213.3.1传感器的选择213.3.2放大与滤波电路213.4Multisim仿

9、真结果22第四章 系统软件设计254.1LabVIEW概述254.2系统的程序结构254.3各部分模块子程序设计原理274.3.1用户登录模块284.3.2 数据采集模块304.3.3数据处理模块324.3.4数据分析、报警模块354.3.5 数据显示、存储模块38第五章 结论41参考文献42致谢43附录44第一章 绪论1.1引言近些年来，随着人们生活节奏的加快，患心血管疾病的人数逐年递增，据官方统计，每年有近1200万人死于心血管疾病，接近世界人口总死亡数的1/4，成为人类健康的头号杀手。世界卫生组织(WHO)总干事中岛宏博士说：“在今天的世界上，心血管疾病比其他任何疾病杀死更多的人，并使千

10、百万人致残。”近30年来，尽管除东欧各国外的大多数国家心血管病死亡率都有不同程度的下降，但其仍是多数国家45岁以上男性的第一位死因，在女性中，则是仅次于肿瘤的第二位死因，严重影响着人类的期望寿命和生存质量。人体血液在心脏舒张和收缩的一个周期内，会沿动脉血管壁产生前向传播的脉搏波，脉搏中包含着丰富的生理信息，如心脏机能、呼吸机能以及血管硬化程度等。所以，完成对脉搏波信号的采样、分析以及准确、直观的波形显示是一项有实际意义的工作，并且一直是医疗电子领域的研究热点。心电监护系统可以及时获取患者的心电信息，以便及时发现异常情况，采取相应的处理措施，是降低心脏病死亡率的有效手段之一。从发展的角度来看，医

11、疗监护产品的无线化、网络化是发展趋势，移动型、具备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流。国外此类典型产品为Madab，国内此类产品有成都泰盟公司推出的Biotabo等。但目前国内外已有的此类产品存在通讯距离短、监护路数有限、系统功能单一、体积较大、价格昂贵、灵活性差、难以满足特定的需要等不足。这使得整个数据采集装置不容易携带，给那些行动有障碍的病人带来不便，也给医护人员的工作带来不便1。为了更好地满足一些大型、综合性医院和生物医学工程专业的研究所及实验教学、科研的需要，进行心电监护系统的研究和设计工作是十分必要的。人体血液在心脏舒张和收缩的一个周期内，会沿动脉血管壁产生前向传播的脉搏波，

12、脉搏中包含着丰富的生理信息，如心脏机能、呼吸机能以及血管硬化程度等。所以，完成对脉搏波信号的采样、分析以及准确、直观的波形显示是一项有实际意义的工作，并且一直是医疗电子领域的研究热点。根据以上论述以及调查表明，心血管疾病患者迫切的需要一种功能强大、价格适宜、使用方便的心电监护系统的出现。本文设计了双通道虚拟心电监护仪系统，实现对心电信号、脉搏信号进行采集、读取、滤波和保存，自动计算心率并对异常心电给予报警。此心电监护系统可以实现长时间的数据保存，而且操作界面简洁友好，便于掌握。1.2生物医学信号简介1.2.1生物医学信号的特点生物医学信号包括心电信号、呼吸信号、脑电信号、肌电信号、血压信号、脉

13、搏信号等等，这些信号都具有以下几个特点：(1)频率特性绝大多数生物医学信号处在低频段，一般认为在Dc至10kHz之间。(2)幅值特性绝大多数生物医学信号幅值非常微弱，随人的年龄、人体部位的不同或个体差异，幅度变化也较大。(3)各类生物医学信号常常复合交织在一起如在采集心电信号时，常常混杂有频带复用(或部分复用)而强度更大的肌电信号以及其他无规律的运动干扰信号等，给目标信号采集带来很大困难。1.2.2心电信号的产生机理及临床应用心脏细胞除极和复极的电生理现象，是心脏运动的基础。由心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律的舒张和收缩，从而实现“血液泵”的

14、功能，维持人体循环系统的正常运转。心电信号则是从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，从一定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。心电图是在身体表面间接记录出来的心脏的电信号变化，所以电极放置的位置不同，记录出来的波形上也有所不同，但基本上都包括一个P波、一个QRS波群和一个T波，有时在T波后，还会出现一个小的U波，典型的心电波形见图1-1。P波反映左右两心房的去极化过程，P波波形小而圆钝，历时O.080.11秒，波幅不超过O.25mv。QRS波群代表左右两心房去极化过程的电位变化。典型的QRS波群，包括三个紧密相连的电位波动，第一个向下的波为Q波，以后是高而向上的R

15、波，最后是一个向下的S波。正常的QRS波群历时约O.06s0.10s，代表心室肌兴奋扩散所需的时间。T波反映心室复杂化的过程中电位变化波幅一般为O.1mVO.8mv。T波不应低于R波的110，T波历时O.05s0.25s。T波的方向与QRS波群的主波方向相同。U波是T波之后0.02s0.04s可能出现的低而宽的波，方向一般与T波一致，波宽约O.1sO.3s，波幅大多在0.05mV以下，U波的成因和意义均不大。人体心脏的原发性起博兴奋点是窦房结，它位于上腔静脉和右心房的交界处。在正常时，由窦房结的起搏细胞每分钟自发的产生50100次可传导的动作电位。这种电兴奋以有序方式通过心房内的传导束，首先激

16、活右心房，然后是左心房。兴奋通过房室结时，稍有延迟，然后进入希氏束，左、右束支到达普金野(Purkinje)氏网，普金野氏网是个大而特化的传导细胞系统，它分布在两心室内膜下，电兴奋通过普金野氏网迅速激动心室壁的一次正常的心搏动。每一个心脏细胞的除极和复极过程可以等效于一个电偶极子的活动。为了研究方便和简化分析，可以把人体看作是一个容积导体，心脏细胞的电偶极子在该容积导体的空间中形成一定方向和大小的电场，所有偶极子电场向量相加，形成综合向量，即心电向量。当它作用于人体的容积导体时，在体表不同部位则形成电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。图1-1 典型的正常心电模式图此外，一个正

17、常的心电图还包括P-R间期（或P-Q间期）、Q-T间期、P-R段和S-T段，如图1-1所示。P 波代表心房的除极波，QRS综合波代表心室的除极波，T波代表心室的复极波。P-R间期代表由窦房结产生的兴奋经由心房、房室交界和房室束到达心室并引起心室开始兴奋所需的时间；Q-T 间期反映心室除极与复极过程总的时间，也代表心脏的电收缩时间；S-T 段代表心室各部分已全部进入去极化状态，心室各部分之间没有电位差存在，曲线又恢复到基线水平1。当心脏因缺血受损或坏死时，心电活动的变化能正确及时地反映在心电图上，表现在各个波形的异常变化和进行性演变过程，为医生诊断心律失常、心室肥厚、急性缺血、心肌梗塞等心脏疾病

18、提供可靠的临床依据。1.2.3心电信号的特点1、微弱性从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有05mv。在测量中，对于如此微弱的信号，很难进行直接观察或记录，必须通过放大器适当的放大后，进行记录和显示处理。2、稳定性人体心电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官问的相互影响，所以，无论来自外部或内部的刺激，都会使人体因适应这一变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，按其特性选择适当的放大器和显示记录装置。3、低频特性人体心电信号的频率范围是O.0510

19、0Hz，主要频率分量集中在0.520Hz，其频率是比较低的。4、随机性人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。不过，如果对心脏自发放电的时间空间构型进行统计分析，就可以发现放电的内在规律。因此，这种随机现象服从统计规律。在心电信号的测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性8。1.2.4心电信号测量的基本原理心脏是人体血液循环的动力器官。正常情况下，心肌细胞在休息状态时，细胞内的电位在-80到-90mv之间，心肌细胞活动时，可达到+30到+40mv。当细胞活动静止下来

20、时，电位又逐步降低，直到恢复到以前休息状态时那样。心电信号是毫伏级的微弱电信号。心脏的窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和时程，依次传向心房和心室，引起整个心脏的兴奋。每一个心动周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。由于身体各部位组织的不同，各部分和心脏的距离的不同，所以心电信号在身体表面不同部位表现出不同的电位，通过电极极板，将体表上不同的部位之间的电位取出来，用放大器加以放大，记录出来的心脏电变化曲线即为临床常规心电图(electrocardiogram，简称ECG)。心电图反映心脏兴奋的产生、传

21、导和恢复过程中的生物电变化。用记录下来的这些图形，就可以诊断出心脏各部位的生理及病理的情况。1.3虚拟仪器(VirtuaI Instrument)1.3.1虚拟仪器应用于生物信号检测的意义生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的影响，使得信号的处理是复杂和困难的。应用计算机分析生物电信号，能有效降低信号处理的复杂性和困难度。特别是应用虚拟仪器技术分析生物医学信号，将使心脏功能检查、心电监护等变得灵活，高效。1.3.2虚拟仪器概述虚拟仪器(Virtual Instrument)是现代计算机技术和

22、仪器技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术2。虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器打破了传统仪器功能为厂家定义，用户无法修改的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统。电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的

23、概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。1.3.3LabVIEW简介NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不像传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。LabVIEW提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。它的基本程序单位是VI。LabvIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI，来完成用

24、户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个VI完成：对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种VI以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW还带有多种基本的VI库。其中包括采用GP-IB、VISA、VXI和串行接口的仪器的驱动程序。LabVIEW还拥有功能超强且庞大的

25、分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。因此，基于LabVIEW的医学信号采集系统具有开发周期短，可扩展性强，操作简单，界面友好，使用灵活等特点。1.4本文主要研究内容LabVIEW是一种基于图形编程语言G语言的可视化开发平台，多被应用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域 。鉴于实际心电监护仪难以普及和虚拟仪器的强大优势，本文采用LabVIEW的开发环境，设计双通道虚拟心电监护仪系统，实现对心电信号、脉搏信号进行采集、读取、滤波和保存，自动计算心率并对异常心电给予报警。此心电监护系统可以实现长时间的数据保存，而且操作界面简洁友好，便于

26、掌握。综上所述，本论文从以下几个方面进行论述：系统的整体构成，系统的硬件设计和系统的软件设计。计算机的编程，采用了虚拟仪器编程技术，文中给出了计算机控制面板及相关的功能实现程序图，并做了必要说明。本文共分五章：第一章介绍了心电监护系统的研究目的、内容和意义，还介绍了虚拟仪器的特点和优势及其在生物医学中的应用；第二章介绍了本系统的总体设计以及系统的工作原理；第三章介绍了心电基本原理，了解心电信号产生及其特征，为心电信号的采集及心电信号分析提供了理论依据。主要介绍了硬件设计过程，给出了生理信号硬件采集电路具体设计方法与部分实现电路。包括对心电信号的采集、放大、滤波等；第四章介绍了本系统的软件测试部

27、分，详细地介绍了虚拟仪器软件平台LabVIEW的产生和发展，以及DAQ数据采集卡的选择和配置，主要实现了心电信号在上位机的波形显示，数据分析，数据存储，诊断报警等功能；第五章对本文的工作进行了总结，并对未来的工作进行了展望。第二章 系统总体设计2.1系统设计原则由于在设计生物医学仪器时受到许多因素的影响，有些因素来自主观的要求，有些因素是客观的存在，因而在设计时要遵循一些设计原则和使用要求。影响仪器设计的因素有五种，即信号因素，环境因素，医学因素，经济因素和时代因素，这些因素都是设计时应考虑的基本原则。1信号因素在利用医用换能器获取信号时，或直接引出生物电信号时，信号的大小和相位将直接影响仪器

28、的灵敏度，量程，输入方式(差动或直接输入)仪器的瞬态特性和频率响应，仪器的精确度和线性度，仪器的可靠性。因此，在设计仪器时，首先应该考虑获取的生物电信号的大小和相位及其幅频响应和相位响应。由于心电信号是一种强噪音背景下的低频微弱信号，所以在本系统中，采用高精度放大器AD620，将心电信号放大到可识别状态。2环境因素仪器的设计应考虑在特定的使用环境所提出的技术要求。例如，一个埋藏式起博器，就要考虑它的特定的体内环境的要求，决定它的安装尺度和形状，决定仪器的信噪比。决定对仪器的稳定性的要求(即周围的环境温度，湿度，压强，加速度等对仪器稳定性的影响)和电源的要求。对于心电监护系统，要有体积小、便于携

29、带的外型设计，简单易懂的操作界面。3医学因素首先应该考虑仪器与人体之间的作用方式，即从人体生理机能考虑，要求设计成有创还是无创。另外，还要考虑换能器对人体组织界面的具体要求，要求所用材料无腐蚀性，无毒。再者，应考虑仪器具有一定的散热性能和抗辐射的能力以及仪器的绝缘性能，保证仪器无论在正常运行或是故障情况下，均能保证具有较好的绝缘性能，保证人身安全。4经济因素要考虑仪器的价格，使用寿命，可靠性和兼容性，提高其经济效益。5时代因素各个时代由于科学技术水平不同，技术的先进性也就不同，因此，仪器要尽量使用时代的先进技术，如x射线CT，就是当前先进的生物医学仪器。2.2系统整体组成及工作原理由于虚拟仪器

30、的模块化、开放性和灵活性是其体系结构的关键特点，当我们的测试要求变化时，可以方便地由自己来增加硬件模块或重新配置现有的系统，以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出来新的虚拟仪器系统而不丢弃已有的硬件资源。因此，我们在设计虚拟仪器系统时，对硬件的考虑不必拘泥于常规的体系结构，而应该根据实际情况选择或设计虚拟仪器的体系结构。我们可以从硬件和软件两部分构成的角度设计自己的系统，数据采集系统由传感器(Transducer)，信号调理(Signal Conditioning)，采集硬件(DAQ Hardware)，接口(Interface)，数据分析和处理软件(So

31、ftware)等几大部分组成。数据采集系统硬件中，传感器用于将测试对象的非电量原始信息转变成电压、电流或者频率电量并为后面的电路及计算机接收；信号调理用于对传感器输出的模拟信号进行放大、整形、滤波等电路调整，使之成为规定范围的电压信号；数据采集板卡对采样保持电路输出的稳定模拟电压进行转换，得到相应的数字信号，然后输入到计算机中通过相应的分析软件编程实现数据分析，波形显示，数据存储，波形存储等功能。具体结构如下图2-l所示。被测信号传感器信号调理信号采集计算机分析软件图2-1 数据采集控制系统结构总体框图系统处理的信号是心电信号，心电信号以三导联3的方式输出，由于心电信号非常微弱，容易受到外界干

32、扰，因此在进行数据采集前，必须对信号进行调理排除干扰。首先，由传感器提取被测信号，并将提取的模拟信号转变成电信号，信号调理模块将包含各种干扰的电信号进行处理，包括放大，滤波等。处理过的信号送入数据采集卡进行AD转换，最后将信号送入PC机，在PC机上通过软件编程实现信号的分析处理。2.3系统硬件组成系统硬件部分主要完成对生理信号的采集处理和模数转换。首先由传感器提取人体心电信号，然后对心电信号进行前置放大、滤波，并将经过前置放大后的心电信号传送给数据采集卡，由数据采集卡进行A/D转换，最后将处理过的生理信号送到上位机进行处理。如图2-2所示。前级放大后级放大和滤波数据采集卡心电信号、脉搏信号图2

33、-2 心电监护系统硬件框图（1）前置放大和后级放大：作用是将微弱的心电信号进行放大，并将信号调整到A/D转换器的输入范围，以便充分利用转换器的满量程分辨率。（2）滤波器：由于心电信号是强噪声背景下的低频微弱信号，容易受到外界干扰，所以必须使用滤波器将信号频带外的干扰去除。2.3.1前置放大器的设计各种生物信号都属于低频的微弱自然信号。为了对生物信号进行各种处理、记录、显示，必须首先把信号放大到所要求的强度。根据生物信号的特点，在选择设计生物信号放大器时，必须考虑以下几个参数4：1高输入阻抗生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现不稳定的高内阻源性质。源阻抗的不稳定性将使放大器电压

34、增益不稳定。再者，理论上源阻抗是信号频率的函数，电极阻抗也是频率的函数，变化规律都是随频率的增加而下降。如果放大器输入阻抗不足够高(与源阻抗相比)，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。粗略估计，如果设计的放大器输入阻抗为10M，信号源内阻与放大器输入阻抗相比为1/100，上述各种因素造成的失真和误差可忽略记。2高共模抑制比为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其它生理作用的干扰，须选用差动放大形式，因此CMRR值是放大器的主要指标。生物电放大器的CMRR值一般要求60dB80dB，高性能放大器的CMRR达100dB，这说明对于100mv的共模干扰和O.1 v的差模信号具有相

35、同的输出。值得注意的是放大器的实际共模抑制能力受到放大器前边电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗Zs1和Zs2一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入端相连的源阻抗实际变得十分复杂。不平衡是绝对的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。对于已经发生的这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是，提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。3低噪声、低漂移相对于幅度仅在微伏、毫伏数量级的低频生物电

36、信号而言，放大器前置级的这一项要求是重要的。高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差。所以，为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。这样，放大器的内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。我们知道，放大的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务。2.3.21LabVIEW数据采集卡的选择一个完整的数据采集系统

37、由传感器，信号调理，采集硬件，接口，数据分析和处理软件等几大部分组成，其中，数据采集硬件的性能直接影响到采集信号的质量，所以，数据采集卡的选择是非常重要的。利用LabVIEW实现数据采集有许多种方式，其中最简单的方式莫过于直接利用NI公司生产的数据采集板卡和LabVIEW中的数据采集VI实现。将数据采集板卡安装在计算机相应的插槽内，安装相应的驱动程序，这一步骤和计算机其它硬件没什么区别。所不同的是NI公司提供了一个专门的管理软件Measurement & Automation Explorer，来对NI公司产品的相关硬件进行管理。针对数据采集卡，这个软件可以完成NI公司数据采集卡的检测，性能测

38、试、属性配置和硬件删除。性能测试(Test Panel)能对数据采集卡进行简单的测试。根据不同的采集卡，Test Panel可以提供模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、计数器输入输出(Counter I/O)和数字输入输出(Digital I/O)的测试。利用属性配置操作(Properties)可以对数据采集卡的属性进行配置和检查。在系统属性中涉及到了采集卡占用的内存、中断号和直接内存访问号，而在模拟输入属性中可以设置模拟输入的范围和信号输入模式。除此之外，属性配置操作还可以对模拟输出(AO)、信号进入方式(Accessory)、数据采集和模拟输出的标定周期(OPC)和远程操作该数据卡的采集密

39、码(Remote Access)等属性进行配置。LabVIEW中的数据采集实际上包含了模拟输入、模拟输出、数字输入输出和计数器四种信号的输入输出方式。在典型的测试系统中，用的最多的是模拟输入方式13。基于以上的要求和本课题的实际需要，本设计选择了NI公司的PCI-6014型数据采集卡。PCI数据采集卡有100GQ的输入阻抗，保证干扰电流不会影响流入的信号，从而大大提高数据精确度，这一高阻抗性能还简化了许多问题，而这些是在设计外部电路时普遍存在的典型问题。PCI-6014数据采集卡能探测到模拟输入信号4V范围内的变化，从而可提高测量的精确度。为了更大程度减少数字化误差，PCI-6014还加入了许

40、多技术，如防止温度漂移电路，以减少原部件因温度变化而引起的误差，另PCI-6014还提供了多种连接信号的方法，包括8个模拟输入通道有不同的模式，最大程度地消除噪声，以及16路模拟输入通道的非接地单端模。以下为PCI-6014的技术参数14：（1）200KSs采样率，16位精度的16路模拟输入（2）2路模拟输出，16位精度（3）8条数字I0线(5VTTLCMOS)（4）2路24位定时计数器（5）数字触发（6）4组不同的模拟输入范围与PCI-6014配套选用的还有附件BNC2120以及专用的输入输出数据线和100接点输入输出接线端子。2.4系统软件组成2.4.1模块化结构设计为了优化程序设计，软件

41、开发采用的是模块化设计，而且各程序模块满足以下条件：(1)透明性好：一个模块在完成指定功能后，应不影响主程序现场，不改变各种参数，可放心调用，不必一定读懂该模块。(2)功能性强：各模块能提供最常用的功能，以减轻程序的重复性开发。(3)质量问题：各模块尽量优化算法，提高运行速度，并能提供必要的出错信息。(4)可读性强：整个程序在编制过程中使用标准控件和标准显示件，采用事件激活处理方式，且标明注释，便于其他操作人员学习和使用，也有利于日后进一步的研制和改进。2.4.2软件设计思想硬件设计的各个功能模块，构成了整个测量系统的物理基础。硬件功能模块中有模拟模块、数字模块、模数混合模块。各功能模块需通过

42、一定的软件程序参与，才能完成自身功能。要使各功能模块协调配合，真正地运作起来，还需通过软件将它们连成一个有机整体，整个系统才能完成指定的功能，并具有“自动化”、“智能化”的特点6。为了简化操作和提高开发及操作效率，本系统计算机处理软件采用虚拟仪器LabVIEW来开发。利用LabVIEW可以在计算机的屏幕上形象地模拟仪器的面板(如显示器、开关、按键、旋钮等)以及相应功能。用户通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，进行仪器功能选用，设置工作参数，启动或停止仪器的工作等。这不仅使操作者感到轻松自如，而且可减少用户误操作的可能性。其主要优越性如下：(1)在此图形操作环境下抛弃了繁琐的传统

43、菜单，窗口标题下不再出现菜单栏，方便用户使用。(2)能够实现多任务并行，即用户可以在任何时刻设定参数，而不干扰数据的显示。(3)可以对实验数据有选择地进行保存，实时地报告数据状态。除了使用LabVIEW开发软件提高系统可用性以外，我们还在系统软件设计中注意到了在数据处理方面建立统一的数据结构和数据流，使各功能模块通过共享数据资源以实现各功能模块间的连结，采用高效的算法以提高效率。在结构方面，尽量采用子函数以实现各种功能减少同样功能的重复编写，减少代码。2.4.3系统的软件部分编写DAQ数据采集卡和LabVIEW软件的安装与配置PC机上软件测试用户登录模块数据采集模块波形显示模块数据分析模块诊断

44、报警模块数据存储模块 图2-3 系统软件组成框图本系统的软件测试过程，主要完成对从硬件部分采集上来的生理信号进行波形显示、数据存储、波形回放、监控诊断和数据回放等工作。如图2-3所示的结构框图，其中包括以下几个模块：用户登陆模块、数据采集模块、波形显示模块、数据分析模块，数据存储模块，波形存储模块，诊断报警模块，波形回放模块等。在该系统中用户对界面进行操作，计算机接收到命令后，首先进行原始数据的预处理，经过处理的数据由LabVIEW的Waveform Graph图控件显示出信号曲线。我们还希望系统能够具有自动诊断功能，因此我们对处理后的信号要进行进一步的分析，从而得到信号的各种特征参数，通过与

45、标准参数范围比较从而得出判断结果。为了能将我们从信号中提取的一些信息直观的反馈给用户，系统除了能够显示出信号曲线以外还能显示各个特征参数的值及自动诊断结果。2.5技术指标系统主要包含以下几个技术指标7：l、共模抑制比系统中的干扰信号主要是共模干扰，如50Hz的工频干扰，而且其幅值比生物信号的要大得多，要足够抑制这些共模干扰，就要求系统的共模抑制比足够高。生物信号处理系统中，一般要求共模抑制比为6080dB，要求高的达100dB以上【8】。本系统共模抑制比达90dB左右。2、幅度分辨率系统的幅度分辨率与AD转换器的输入量程与转换精度有关，指的是系统可以分辨的最小电压值。本系统选用的DAQ数据采集

46、卡的输入量程为-10V+10V，转换精度为12位，则幅度分辨率为：A=54096=1.2207(mV)。本系统模拟放大器的放大倍数为1000倍，则分辨率为：A=1.22071000=1.2207(V)。CSE(欧共体心电图通用标准)推荐转换器分辨率至少到达5V8。3、时间分辨率采样频率不仅影响时间分辨率，而且影响对波形幅度的准确测量。因此对波形幅度的准确的测量来说，采样频率越高越好，但高采样率将影响成本和数据处理时间。另一个制约采样频率的因素是奈奎斯特采样定理即要求fs2f目前临床推荐心电图采样率不低于250Hz。本系统的采样率设计为1000Hz，即每秒采样1000个点。4、频率响应频率响应指

47、的是，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。生物信号的频率范围的下限很低，接近0Hz，但不包括直流信号。因此，在选用放大器的时候，必须注意，该放大器能够响应低频信号。AD620的带宽为012kHz(G=1000)。另外，系统使用了高低通滤波器，保证系统的频率响应范围O.05106Hz，即所处理信号的频带范围。5、增益为充分利用AD转换器的满量程分辨率，AD的输入应尽可能接近其基准电压，由于生物信号非常微弱，这就要求放大电路具有高增益的特性。本系统设计心电信号的总增益均为1000倍。第三章 系统硬件设计通常，在信号的量化、截取过程中很容易发生信号的失真，因此在采样过程中要符合采样定理。在测量过程中，不可避免的渗入一些干扰信号，因此要对信号进行放大、滤波等预处理，提高信噪比，滤除信号中的干扰成分，提取有用信息。本章详细地讲述了心电信号、脉搏信号的调理、采集及数据传输等部分的设计，并对其中关键器件的选择作了必要的说明。3.1心电监控系统硬件的组成本心电监控系统所测试的心电信号应包含的硬件处理模块有信号采集、前级放大、后级放大和滤波，在由数据采集采集卡传递的PC机，如图3-1：心电级 心电导连前级放大后级放大和滤波