一种心电信号虚拟仪器的设计与实现

智能仪表与传感器计算机测量与控制.2005.13(12)　Computer Measurement &Control 　・1443・收稿日期:2005-04-28;　修回日期:2005-05-18。

作者简介:何保全,男,河南潢川人,研究生,主要从事模式识别与电路系统方向的研究;罗代升,男,四川成都人,教授,主要从事图像处理、模式识别、无线通信领域的研究。

文章编号:1671-4598(2005)12-1443-03 中图分类号:TP274 文献标识码:B一种心电信号虚拟仪器的设计与实现何保全,罗代升,符晓娟,王旭阳,张　锋(四川大学电子信息学院,四川成都　610064)摘要:针对目前传统心电图机的主要缺陷,基于LabView 虚拟仪器开发平台实现了一种新型的心电信号虚拟仪器;该系统导入心电信号,经放大滤波电路处理后由GPIB 数据采集卡输入计算机,再在虚拟仪器软件上进行分析显示结果;应用结果表明,该系统结果准确、容易实施、造价低廉。

关键词:LabView ;心电测试;放大滤波Design and Implementation of a Virtual Instrument for ECG SignalHe Baoquan ,L uo Daisheng ,Fu Xiaojuan ,Wang Xuyang ,Zhang Feng(College of Electronics and Information Engineering ,Sichuan University ,Chengdu 610064,China )Abstract :The design and implementation of virtual electrocardiogram testing instrument is introduced.The instrument consist s of t hree part s :amplifying and filtering circuit ,GPIB card and virtual instrument software.The circuit is designed by taking INA128P IC as it s core.The card is used for data grabbing.The software is developed using LabView.While the instrument is working ,ECG signals are amplified and filtered by the circuit ,ducted into computer through GPIB card ,displayed on the virtual instrument software developed by LabView.K ey w ords :LabView ,ECG signal testing ,Amplifying and filtering0　引言用心电图机把随时间变动的心电信号经放大后记录下来的系列波形的曲线,就是心电图。

心电图是临床检查心脏情况的重要资料,因此显示分析心电图对于人们来说就显得异常重要。

传统心电图机曾经对医学事业做出了巨大的贡献,但是随着信息技术的不断发展,传统心电图机的弊端也逐渐暴露出来:很多电子元件间的电磁干扰导致可靠性差;波形显示主要靠在纸上画出,对波形的记录只能立取立看,不能实时监控;而且波形分析主要靠医生的主观分析,容易产生人为误差甚至误诊[1]。

随着数字电子技术与电子计算机的飞速发展,基于电子计算机对传统心电图机进行改进就成为了一个有着重要经济和实用价值的课题。

在这里,我们将介绍在传统心电图机的工作机理基础上,基于LabView 虚拟仪器开发平台所开发出来的改进型心电图机—虚拟心电测试仪器。

1　心电信号的采集及放大滤波电路硬件部分主要是由导联输入、及二级放大滤波电路构成。

心电信号由粘附在皮肤上的传感器导入检测电缆,然后由放大滤波电路进行处理。

111　信号导联心电信号是通过专用的一次性医用传感器进入检测电缆的,传感器与电缆相连的地方加金属网屏蔽外部干扰信号。

为了获取较强的信号,我们采用胸导联,即一端连接胸腔附近,一端连接手臂。

检测电缆用来把电极上采集到的心电信号导入放大滤波电路,并通过电缆线有效地屏蔽其他电磁波干扰,这些是一般导线所不能达到的。

112　放大滤波因为人体心电信号十分微弱,频率只有1～2Hz ,非常容易受到体表和身体周围多种信号的干扰。

在这里我们采用两级放大滤波电路对信号进行处理。

第一级以美国BB 公司生产的医用放大器INA128P 为核心。

由INA128P 的芯片资料可知其由3个运放构成,且是完全对称的,由此可知其共模电压放大倍数为0。

令A 1和A 2的差模电压信号为U id /2,-U id /2,A 1、A 2、A 3的输出各为U o 1、U o 2、U o ,通过电阻R G 的电流为I G 。

则可得:I G =[U id /2-(-U id /2)=U id /R G 。

U o 1-U o 2=I G (2×25k +R G );(U o 1-U o 2)/U id =(2×25k +R G )/R G =1+50k/R G 。

则INA128P 的差模电压放大倍数A d 为:G =1+50k/R G ,也就是说INA128P 的增益只由电阻R G 决定。

然而,上述INA128P 的推导是在其内部电路结构完全对称的情况下得出的,在实际应用中肯定存在着共模输入。

为了抑制共模信号,提高INA128P 的共模抑制比,我们将INA128P 的电路中应接入的R G 改成了两个阻值较小的电阻和一个线绕电阻,且这三个电阻的总值仍为R G 。

由调节线绕电阻来调节电路的平衡,对抑制共模输入,提高共模抑制比起到了很好的作用。

在INA128P 的差分信号输入端,分别接入0101μF 的瓷片电容,以滤除输入端千赫兹以上的高频信号;在其正负电源端,分别接入由011μF 瓷片电容和10μF 电解电容组成的并联电路,用于滤除电源和外界的高频信号和一些几十赫兹的低频信号。

经过上述一级的滤波电路,信号仍然很微弱,信噪比较低。

为此,我们设计了一个由集成运放和RC 网络组成的有源二阶低通滤波器,如图3心电信号的采集及放大滤波电路图的后半部分所示。

该级低通滤波放大器的通带截止频率为20　・1444・ 计算机测量与控制　第12期图4　虚拟仪器软件交互界面Hz ,为了既保持通频带的增益,而高频段幅频特性又能很快衰减,同时还能避免在f =f 0处幅频特性产生一个较大的凸峰,我们选择的品质因数Q =1,则由品质因数公式A up =1+R F R 1,Q =13-A up,即R F =R 1,在此我们选择R F =33k ,R 1=33k [2]。

通带电压放大倍数为2。

滤波器的对数幅频特性是以-40dB/十倍频的速度下降的。

图1　心电信号的采集及放大滤波电路图 经过两级滤波放大,在示波器上显示的心电信号已较为明显,但是信噪比较低,交流干扰信号50Hz 和肌电干扰信号20～50Hz 部分未能滤除掉,我们将在PC 端利用软件滤波。

2　虚拟心电仪器的软件构成系统虚拟心电仪器的软件构成系统由GPIB 数据采集卡、基于LabView 的虚拟软件组成。

经过放大滤波的心电信号经GPIB 数据采集卡导入计算机,然后在虚拟软件上进行分析及显示。

211　基于GPIB 数据总线的LabView 虚拟仪器开发平台通过GPIB 接口技术,不同厂家生产的不同设备可以很方便地与计算机一起组建成自动测试系统。

用虚拟仪器的软件开发平台,从根本上消除了仪器编程的复杂性,使用户能够集中精力于仪器的使用而不是仪器的编程[3]。

由于计算机内部采用与GPIB 总线完全不同标准的总线,为使计算机作为GPIB 系统控制器,必须在计算机的扩展槽上插一块与GPIB 总线相连的接口卡。

可以通过三种方式对GPIB 卡进行控制,(1)使用LabView 提供的GPIB 功能子模块;(2)利用V ISA (Virtual Instrument Software Architecture )库实现控制;(3)利用仪器驱动程序进行控制[4]。

基于Labview 的虚拟仪器测试软件设计包括前面板的设计及后台图形化控制程序的设计。

前面板是图形化用户界面,模拟真实仪器,由控制、指示和修饰等部分组成。

用户可以使用各种图标,如按钮、开关、实时趋势图和事后记录仪等,设置输入数值和观察输出量[5]。

212　低通滤波器的软件设计为了滤除50Hz 工频干扰与20～50Hz 的肌电干扰信号,在这里我们需要用软件来设计低通滤波器。

IIR 滤波器的设计源于传统的模拟滤波器设计,可以通过对低通模拟滤波器进行模拟频率变换得到。

常用的IIR 滤波器有ButterWorth 滤波器、Chebyshev 滤波器、Chebyshev II 滤波器、Elliptic 滤波器和Bessel 滤波器。

在这里我们选用ButterWorth 滤波器模块,因为其有最平滑的频率响应,在截断频率以外有,频率响应单调下降。

在通带中是理想的单位响应,在阻带中响应为零。

在截断频率处有3db 衰减。

图2是ButterWorth 低通滤波器的频率响应。

而且ButterWorth 过度带的陡峭程度正比于滤波器的阶数。

因为心率只有1～2Hz ,而干扰信号为20～50Hz ,所以高阶ButterWorth 滤波器的频率响应接近于理想低通滤波器的特点正是我们所需要的[6]。

在此,我们不需要独立编码实现ButterWorth 滤波器,因为LabView 提供了多种常用的滤波器,并且提供了设计FIR 和IIR 滤波器的V I 。

滤波器模板位于Functions 模板>>Ana 2lyze 子模板>>Signal Processing 子模板>>Filters 子模板。

其中ButterWorth 滤波器模块有7个输入端子,2个输出端子。

Filter type 端口有低通、高通、带通和带阻4个选项,这个选项值决定了ButterWorth 的类型。

在这里我们选择low pass (低通),然后将Low Cutoff Freq 的值设为20,即滤掉频率大于20的干扰波。

端口init/cont 的值若为False (De 2fault ),滤波器的内部状态则置零;若为T rue 滤波器的状态为上次调用后的状态。

ButterWorth 滤波器模板图如图3所示。