基于LabVIEW的心電信號(hào)采集與分析設(shè)計(jì)方案

生物醫(yī)電信號(hào)，如心電信號(hào)、血壓信號(hào)、腦電信號(hào)等等，都表征了一定的病理特征，以心電為例，通常以心電圖來(lái)記錄心臟產(chǎn)生的生物電流，臨床醫(yī)生可以利用心電圖對(duì)患者的心臟狀況進(jìn)行評(píng)估，并做出進(jìn)一步診斷。而對(duì)于一些家用或者醫(yī)用儀器廠商來(lái)說(shuō)，則需要開(kāi)發(fā)特定的信號(hào)處理算法并部署到嵌入式處理器上，完成醫(yī)電特征的提取。通常整套心電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程，由心電數(shù)據(jù)采集、心電信號(hào)分析、人機(jī)顯示、文件存儲(chǔ)等幾部分組成，通過(guò)NI提供的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以覆蓋數(shù)據(jù)采集、信號(hào)讀取、心電分析以及報(bào)表生成等一系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的流程，完成整套系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率。而在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，信號(hào)分析部分往往是重點(diǎn)，也是各廠商的軟件核心技術(shù)所在。本文將重點(diǎn)就心電采集與分析展開(kāi)討論，介紹如何通過(guò)LabVIEW高效實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集及分析算法開(kāi)發(fā)。

圖1 典型的單周期心電圖波形

1 心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集

通常來(lái)說(shuō)，ECG信號(hào)是通過(guò)對(duì)若干電極（導(dǎo)聯(lián)）感知生物電流，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備將導(dǎo)聯(lián)產(chǎn)生的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析。導(dǎo)聯(lián)產(chǎn)生的模擬信號(hào)往往較為微弱，幅值在mV左右，需要通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行采集，或者通過(guò)前置預(yù)放大之后采集。無(wú)論是獨(dú)立的ECG導(dǎo)聯(lián)或者集成醫(yī)用式ECG設(shè)備，都可以通過(guò)NI設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

通過(guò)30多年的發(fā)展，美國(guó)國(guó)家儀器(NI)在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域奠定了領(lǐng)導(dǎo)地位，從便攜式USB設(shè)備到高精度PXIe同步采樣設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)從8位到24位的分辨率，以及48kHz到2GHz的采樣率。同時(shí)NI設(shè)備將增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值綜合考量之后，提供了絕對(duì)精度值，以確保最終測(cè)量的準(zhǔn)確性。一般來(lái)說(shuō)ECG信號(hào)的頻率在幾百赫茲左右，可以通過(guò)1k到5k左右的采樣率進(jìn)行采樣，另外，根據(jù)應(yīng)用的精度區(qū)別，可以選擇14～16bit采樣精度，基本上NI任何平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備均可以滿足ECG的采樣需求?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用的不同，選擇合適的設(shè)備，如在便攜式設(shè)備中選擇USB數(shù)據(jù)采集，在遠(yuǎn)程醫(yī)療的應(yīng)用中選擇無(wú)線采集等。

圖2 從USB到無(wú)線的NI數(shù)據(jù)采集方案

無(wú)論使用何種NI硬件平臺(tái)，都可以通過(guò)同一種編程平臺(tái)——NI圖形化編程軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)。自1986年誕生以來(lái)，LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)一直致力于簡(jiǎn)化編程的復(fù)雜性，在所有涉及到數(shù)據(jù)采集和控制的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化編程方式都已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于醫(yī)療電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，LabVIEW提供了將硬件I/O引入算法設(shè)計(jì)的快捷方式，無(wú)縫結(jié)合從數(shù)據(jù)采集、算法分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及人機(jī)交互等全方面流程，同時(shí)不同NI硬件可通過(guò)代碼重用，發(fā)布到不同商業(yè)化、嵌入式平臺(tái)，簡(jiǎn)化構(gòu)建原型系統(tǒng)的復(fù)雜性。