基于LabVIEW的心電信號采集與分析設(shè)計方案

生物醫(yī)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(yī)用儀器廠商來說，則需要開發(fā)特定的信號處理算法并部署到嵌入式處理器上，完成醫(yī)電特征的提取。通常整套心電監(jiān)測產(chǎn)品的研發(fā)過程，由心電數(shù)據(jù)采集、心電信號分析、人機(jī)顯示、文件存儲等幾部分組成，通過NI提供的圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺，可以覆蓋數(shù)據(jù)采集、信號讀取、心電分析以及報表生成等一系列產(chǎn)品開發(fā)的流程，完成整套系統(tǒng)的開發(fā)，提高開發(fā)效率。而在整個開發(fā)過程中，信號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討論，介紹如何通過LabVIEW高效實(shí)現(xiàn)心電信號的采集及分析算法開發(fā)。

圖1 典型的單周期心電圖波形

1 心電信號的數(shù)據(jù)采集

通常來說，ECG信號是通過對若干電極（導(dǎo)聯(lián)）感知生物電流，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備將導(dǎo)聯(lián)產(chǎn)生的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行計算機(jī)分析。導(dǎo)聯(lián)產(chǎn)生的模擬信號往往較為微弱，幅值在mV左右，需要通過動態(tài)信號采集設(shè)備進(jìn)行采集，或者通過前置預(yù)放大之后采集。無論是獨(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NI設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

通過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(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，提供了絕對精度值，以確保最終測量的準(zhǔn)確性。一般來說ECG信號的頻率在幾百赫茲左右，可以通過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任何平臺的數(shù)據(jù)采集設(shè)備均可以滿足ECG的采樣需求。可以根據(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)用中選擇無線采集等。

圖2 從USB到無線的NI數(shù)據(jù)采集方案

無論使用何種NI硬件平臺，都可以通過同一種編程平臺——NI圖形化編程軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)開發(fā)。自1986年誕生以來，LabVIEW圖形化開發(fā)平臺一直致力于簡化編程的復(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)的開發(fā)工具。對于醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)團(tuán)隊來說，LabVIEW提供了將硬件I/O引入算法設(shè)計的快捷方式，無縫結(jié)合從數(shù)據(jù)采集、算法分析、數(shù)據(jù)存儲以及人機(jī)交互等全方面流程，同時不同NI硬件可通過代碼重用，發(fā)布到不同商業(yè)化、嵌入式平臺，簡化構(gòu)建原型系統(tǒng)的復(fù)雜性。