基于LabVIEW的心電信號采集與分析設計方案

生物醫電信號，如心電信號、血壓信號、腦電信號等等，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，臨床醫生可以利用心電圖對患者的心臟狀況進(jìn)行評估，并做出進(jìn)一步診斷。而對于一些家用或者醫用儀器廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，則需要開(kāi)發(fā)特定的信號處理算法并部署到嵌入式處理器上，完成醫電特征的提取。通常整套心電監測產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程，由心電數據采集、心電信號分析、人機顯示、文件存儲等幾部分組成，通過(guò)NI提供的圖形化系統設計平臺，可以覆蓋數據采集、信號讀取、心電分析以及報表生成等一系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的流程，完成整套系統的開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率。而在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，信號分析部分往往是重點(diǎn)，也是各廠(chǎng)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)現心電信號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 心電信號的數據采集

通常來(lái)說(shuō)，ECG信號是通過(guò)對若干電極（導聯(lián)）感知生物電流，并通過(guò)數據采集設備將導聯(lián)產(chǎn)生的模擬電信號轉化為數字信號進(jìn)行計算機分析。導聯(lián)產(chǎn)生的模擬信號往往較為微弱，幅值在mV左右，需要通過(guò)動(dòng)態(tài)信號采集設備進(jìn)行采集，或者通過(guò)前置預放大之后采集。無(wú)論是獨立的ECG導聯(lián)或者集成醫用式ECG設備，都可以通過(guò)NI設備進(jìn)行數據采集。

通過(guò)30多年的發(fā)展，美國國家儀器(NI)在測試測量領(lǐng)域奠定了領(lǐng)導地位，從便攜式USB設備到高精度PXIe同步采樣設備，可以實(shí)現從8位到24位的分辨率，以及48kHz到2GHz的采樣率。同時(shí)NI設備將增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值綜合考量之后，提供了絕對精度值，以確保最終測量的準確性。一般來(lái)說(shuō)ECG信號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，根據應用的精度區別，可以選擇14～16bit采樣精度，基本上NI任何平臺的數據采集設備均可以滿(mǎn)足ECG的采樣需求?？梢愿鶕玫牟煌?，選擇合適的設備，如在便攜式設備中選擇USB數據采集，在遠程醫療的應用中選擇無(wú)線(xiàn)采集等。

圖2 從USB到無(wú)線(xiàn)的NI數據采集方案

無(wú)論使用何種NI硬件平臺，都可以通過(guò)同一種編程平臺——NI圖形化編程軟件LabVIEW實(shí)現開(kāi)發(fā)。自1986年誕生以來(lái)，LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺一直致力于簡(jiǎn)化編程的復雜性，在所有涉及到數據采集和控制的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化編程方式都已經(jīng)成為標準的開(kāi)發(fā)工具。對于醫療電子設備的開(kāi)發(fā)團隊來(lái)說(shuō)，LabVIEW提供了將硬件I/O引入算法設計的快捷方式，無(wú)縫結合從數據采集、算法分析、數據存儲以及人機交互等全方面流程，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，簡(jiǎn)化構建原型系統的復雜性。