基于虛擬儀器的胎兒心電圖儀的研制

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硬件電路功耗低夺克，直接采用端口供電顾篡。軟件平臺采用可視化語言LabView6.1編程實現(xiàn)酌沥，由于使用其大量成熟軟件模塊，大大提高了開發(fā)效率拐尚。介紹了LabView實現(xiàn)的匹配濾波器等算法，并改進(jìn)了匹配濾波的模板更新电湘。臨床試用取得了滿意效果隔节。
1 前言
　　虛擬儀器是機(jī)技術(shù)與儀器相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型儀器模塊，它通常是由計算機(jī)寂呛、模塊化的功能硬件與帶有數(shù)據(jù)處理怎诫、過程控制的可視化軟件構(gòu)成。本系統(tǒng)使用 NI公司出品的LabView6.1圖形語言編程實現(xiàn)贷痪。LabView采用圖標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文字代碼實現(xiàn)編程幻妓，圖標(biāo)代表的程序模塊都是NI公司開發(fā)的成熟程序模塊，因此劫拢，采用LabView編程可以大大提高系統(tǒng)開發(fā)效率肉津。
　　胎兒監(jiān)護(hù)及圍產(chǎn)期監(jiān)護(hù)是產(chǎn)科中一項重要的監(jiān)護(hù)措施。常用的胎兒監(jiān)護(hù)方法有：超聲多普勒監(jiān)護(hù)舱沧、胎心音監(jiān)護(hù)和胎心電監(jiān)護(hù)妹沙。其中，胎兒心電監(jiān)護(hù)因其從母體腹部提取胎兒心電信號熟吏，對母體和胎兒無創(chuàng)距糖，特別是能同時觀察胎兒心電圖，其優(yōu)點明顯蒲龟，是產(chǎn)科常用的診斷方法慢杜。
　　雖然腹部心電信號拾取方便，但是，母體腹部信號復(fù)雜炫咱，信噪比低死辫，特別是一般母體心電信號比胎兒心電信號大10-20倍，而且胎兒心電約有 10％-30％與母體心電重合水芍，形成復(fù)雜的QRS波群品庞，并且胎兒心電的頻譜與母體心電的頻譜重疊。這些因素給胎兒心電的檢測帶來了比較大的困難存裁。學(xué)者們探索了一系列的信號處理方法解決這個斋垫，包括：匹配濾波法[1]、自適應(yīng)濾波法[2]等郊纱。本系統(tǒng)采用比較常用的匹配濾波法届饰。
2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
　　2.1系統(tǒng)概要
　　本系統(tǒng)由硬件數(shù)據(jù)采集器和普通PC機(jī)兩部分組成，通過RS-232口連接臼蔼。PC機(jī)上的應(yīng)用程序采用圖形化編程語言LabView6.1實現(xiàn)狸眼。硬件數(shù)據(jù)采集器采樣獲得的數(shù)據(jù)以串行通信的方式發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)上的軟件通過RS-232接口模塊讀入波形數(shù)據(jù)浴滴，并送預(yù)處理模塊拓萌，工頻陷波和抑制基線漂移后，進(jìn)行匹配濾波去除母親心電的干擾升略，最終在顯示器上顯示胎兒心電信號的波形微王。另外，PC機(jī)也可以串行通信方式控制硬件數(shù)據(jù)采集器的工作狀態(tài)品嚣，如調(diào)整增益炕倘、時間常數(shù)等。
　　2.2 硬件信號采集系統(tǒng)
　　系統(tǒng)硬件由前置放大翰撑、工頻陷波罩旋、主放大器、單片機(jī)系統(tǒng)等幾部分組成眶诈。前置放大器將導(dǎo)聯(lián)傳人的信號適當(dāng)放大后涨醋，送工頻陷波器陷波，以防止可能出現(xiàn)的過強(qiáng)工頻干擾阻塞系統(tǒng)放大通道册养。隨后东帅，信號經(jīng)過主放大器和末級放大器幾萬倍放大之后，單片機(jī)控制的A／D對其進(jìn)行400×12 bits／s采樣修梭，數(shù)據(jù)經(jīng) RS-232接口送PC機(jī)處理茴茁。硬件部分是PIC單片機(jī)控制的高精度心電信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)部采用12位高精度串行輸出A／D轉(zhuǎn)換器AD7895纸级。采樣得到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理后將按照下面的幀格式通過串口發(fā)給PC機(jī)泣奏。系統(tǒng)采樣率為400Hz客洁，數(shù)據(jù)傳輸速率為19.2kbps。該系統(tǒng)以低功耗為主要設(shè)計思想县堰，其工作電流小于3mA垢类，可以采用串口供電[3]，無須外接電源茴支。
　　其中革襟，12個X表示12位A／D采樣得到的數(shù)據(jù)；00卓您、11為標(biāo)志位鸭嗡，00代表高6位，11代表低6位浙炼。另外份氧，硬件部分也接收PC機(jī)的控制字。
　　2.3軟件部分
　　軟件部分分為RS-232接口模塊弯屈、信號預(yù)處理蜗帜、匹配濾波算法3部分，其中匹配濾波又包括相關(guān)檢測和波形對消2個部分资厉。
　　2.3.1 RS-232接口模塊
　√薄（1）串口供電。由于硬件數(shù)據(jù)采集器工作電流比較小宴偿，本系統(tǒng)使用RS-232中空閑的握手信號線制成電源店归，使其工作因此，在主程序打開串口讀人數(shù)據(jù)前酪我，必須對硬件數(shù)據(jù)采集器加電，使其處于工作狀態(tài)且叁。在LabView中采用Serial Line Ctrl.Vi模塊都哭，將RTS和DTR置相應(yīng)電子；（2）串口讀寫逞带。由于硬件數(shù)據(jù)采集器在整個工作期間欺矫，以19.2kbps的速率連續(xù)向外發(fā)送數(shù)據(jù)，為了數(shù)據(jù)處理方便吱台，采用了 Serial Read With Time-out FT.vi模塊姥憋，以保證每次從串口緩存中讀出等量偶數(shù)個數(shù)據(jù)。用 Serial Port Write.vi模塊發(fā)送控制字給硬件模塊苦爸∑捶剩控制字的發(fā)送采用了LabView6.1中新增的事件驅(qū)動[4]功能。
　　2.3.2信號預(yù)處理
　　主要功能是濾除工頻干擾和抑制基線漂移瑟扁。
　　由于硬件系統(tǒng)采用串口供電境仁，采集的信號中潮喜欤混入50Hz的工頻干擾，必須加以抑制阿切。抑制工頻干擾的可以從硬件和軟件2個方面來實現(xiàn)库绩。在硬件方面，工頻干擾是一種共模信號擦蚣，可以設(shè)計高質(zhì)量的前置放大器和良好的屏蔽以及優(yōu)秀的電源模塊減弱工頻干擾對系統(tǒng)的峡蓖。在軟件方面，使用50Hz的數(shù)字陷波的方法掠廓。本系統(tǒng)的數(shù)字陷波器采用Lab-View6.1 Signal Processing Toolbox中的Equi-Ripple Band- Stop PtByPt.vi控件實現(xiàn)换怖。
　　基線漂移的原因有多種，其中由于運動造成體表電極與皮膚之間細(xì)微的滑動和硬件元件熱效應(yīng)造成參數(shù)變化是主要原因却盘。本系統(tǒng)采用非線性高通濾波的方法抑制基線漂移狰域。具體方法是將腹部電信號通過中值濾波得到基線信號，并與原腹部信號相減黄橘。本系統(tǒng)采用的是Median Filter PtByPt.vi控件兆览。顯示了實際處理效果，A為原始腹部信號塞关；B為經(jīng)過中值濾波后的基線信號;C為抑制基線漂移后的腹部信號抬探。
　　2.4 匹配濾波算法
　　2.4.1 數(shù)據(jù)隊列的生成
　　隊列是一種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)使用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配濾波帆赢。但是LabView6.1已有的隊列控件queue小压，并不能滿足使用要求，必須重新創(chuàng)建一個椰于。這里采用與C語言中類似的作法怠益，創(chuàng)建一個N個元素的數(shù)組變量main Buffer，將數(shù)據(jù)不斷從尾部移動到首部姻眼。是用LabView編程實現(xiàn)的長對為1000的雙精度浮點數(shù)隊列团春，與C語言實現(xiàn)不同之處在于隊列中數(shù)據(jù)移動的次數(shù)是1000，而不是999娄缴，這是因為LabView初始化與 C語言不同所致兔卤。在LabView中，如果數(shù)組某個單元沒有被附值摊梯，那么云盲，該單元不被初始化。
　　因此杀乃，如果N=999球逢，則第998個單元將被初始化，第999個單元因為是讀瞎弥，而沒有被初始化播瓦，而致使后面的新數(shù)據(jù)輸入操作無效驮觅。
　　2.4.2 相關(guān)檢測算法
　　信號與檢測模板的互相關(guān)運算,其中：S表不經(jīng)過抑制基線操移和去除工頻干擾的腹部電信號；T表示系統(tǒng)內(nèi)部的檢測模板众琼。經(jīng)過互相關(guān)運算后就可以進(jìn)行R峰檢測了闯捎。互相關(guān)運算采用Signal Processing Toolbox中的ColssCorrelation.vi控件许溅。
　　R峰檢測實際上是對互相關(guān)運算的結(jié)果進(jìn)行峰值檢測瓤鼻，以求得母親心電R峰的精確位置。用LabView系統(tǒng)自帶的峰值檢測控件Threshold Peak Deicer PtByPt.vi進(jìn)行檢測贤重。
　　2.4.3 波形對消算法
　　波形對消算法的基本思想是把當(dāng)前母親心電QRS波群與先前求得的QRS波群模板進(jìn)行加權(quán)平均茬祷，出新的QRS波群模板，并與當(dāng)前QRS波群相減并蝗，濾除母親心電祭犯。臨床實驗獨立于主程序之外的定時中斷服務(wù)子程序完成顯示功能，程序設(shè)計思路簡單清晰滚停、可讀性強(qiáng)沃粗。系統(tǒng)所用的24C01C操作簡單，3個管腳外键畴，其余管腳接地即可最盅。
3 系統(tǒng)軟件
　　系統(tǒng)軟件由主程序、顯示數(shù)字中斷服務(wù)子程序起惕、功率控制中斷服務(wù)子程序涡贱、計時中斷服務(wù)子程序以及故障處理子程序組成。人眼視覺暫留時間為20ms牌骚，每位顯示時間間隔必須小于20ms翎女。顯示中斷每次中斷間隔9ms，輪流切換顯示3位LED缘荧，每位數(shù)字的顯示時間間隔為18ms（<20ms）誉梳，可以達(dá)到穩(wěn)定的視覺效果。計時中斷服務(wù)子程序包括正計時和倒計時兰险，其中倒計時又分為以min為單位計時和以s為單位計時。故障處理子程序完成的功能是關(guān)閉系統(tǒng)中斷天殉、關(guān)閉加熱輸出脚培、根據(jù)采樣溫度判斷并顯示故障的類型（短路、斷路以及溫度超標(biāo)）靡鞭、發(fā)出報警以及等待用戶確認(rèn)故障信息后程序自動復(fù)位等功能纺围。為了編程方便，本系統(tǒng)具體編制了按鍵檢測確認(rèn)子程序蜘辕、從D轉(zhuǎn)換子程序僧旬、電壓＼溫度轉(zhuǎn)換子程序炉奴、讀EEPROM以及寫EEPROM等子程序。
4 結(jié)束語
　　自動煎藥機(jī)以其突出的優(yōu)越性受到了各大與制藥廠家的歡迎蛇更，當(dāng)然它也存在一些需要解決的瞻赶，即：如何解決先煎、后下問題派任，增加濃縮功能等砸逊。這些問題有待于在進(jìn)一步的實踐中不斷完善。過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的模板更新[1]對母親心電QRS波群變化的跟蹤能力不強(qiáng)掌逛，某些情況下不能徹底濾除母親心電QRS波群师逸，本系統(tǒng)改進(jìn)了該方法。系統(tǒng)初始化時建立一個容量為N的模板庫豆混，將檢測到的母親心電QRS波群存入該庫中篓像，替換最初入庫的母親心電QRS波群，即構(gòu)建一個母親心電 QRS波群隊列皿伺，隨后按照新高舊低的優(yōu)先級原則進(jìn)行加權(quán)平均员辩。各母親心電QRS波群的權(quán)系數(shù)。
　　用信號流圖的形式表示該算法心傀。展示了系統(tǒng)對腹部電信號進(jìn)行匹配濾波處理后的效果止既，A為從腹部提取的電信號；B為改進(jìn)模板更新方法后的胎兒心電信號垂暖；C為采用傳統(tǒng)模板更新方法的胎兒心電信號核瘤，＊表示母親心電的殘余。
5 結(jié)論
　　本系統(tǒng)硬件無須另配電源穗阐，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單涉泡。軟件采用LabView6.1進(jìn)行圖形化編程，直接使用NI公司提供的多種成熟的軟件模塊能莫，因而大大節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)時間和成本政茄。本系統(tǒng)具有信號基線校正功能，改進(jìn)了傳統(tǒng)匹配濾波模板更新的方法妇愉，經(jīng)過近20例臨床測試彭闷，均取得良好效果。本系統(tǒng)在胎兒心電波群的識別上仍有改進(jìn)的空間芳企。

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