基于虚拟仪器的家庭心电监护系统

摘要：介绍了基于虚拟仪器的家庭心电监护系统。根据人体心电信号的特征，设计了性能优良的心电信号调理、采集电路；利用NI公司的USB6008作为数据采集设备，配置了DAO数据采集卡。利用LabVIEW友好的图形化界面和流程图设计软件，设计了用户登陆模块、数据采集模块、波形显示模块、数据分析模块，数据存储模块，波形存储模块，诊断报警模块等模块。
关键词：心电信号；MSP430；数字滤波

由于人们生活水平的提高、生活节奏的加快和环境污染等一系列因素的影响，心脏病、高血压等心脑血管疾病进入高发期，这类疾病的发作具有隐藏性、突发性和极大危险性，一般需要通过心电监护仪对心电进行实时监护。若病人在家进行心电监护既可缓解医院病床、医护人员等医疗资源的压力，又可减轻病人的经济负担，本文正是在这种背景下设计了一个基于虚拟仪器的家庭心电监护系统。

1 心电信号的硬件采集电路
通过体表电位提取出的心电信号属于强噪声背景下的生物电信号，它具有一般生物信号的特点：1)信号强度微弱；2)不稳定性；3)低频特性；4)随机性。在利用电极采集心电信号的过程中，常常掺杂着各种各样的噪声。由于心电信号比较微弱，极易受到外部环境的影响。来自心脏以外的人体器官也会产生生理信号，这种生理信号会严重干扰心电信号的识别，甚至完全湮没心电信号。还有，外部机器设备的信号噪声干扰等，都会对心电信号的测量、波形识别和病症诊断带来不利影响。

本系统硬件电路设计如图1所示，首先由体表前置电极采集心电信号，经放大电路放大(包括前置放大和次级放大电路)，心电滤波电路滤波(低通和高通滤波电路)，50Hz工频陷波器陷波滤除工频干扰，最后经数据采集卡采集输入计算机，进行后期处理，其中还包括检测电极是否脱落电路。
1．1 前置运算放大电路
为了克服测量生物电时伴随的较强的共模干扰(主要是50Hz干扰)，在生物电放大器的前置级通常采用差动放大以提高共模抑制比。

1．2 次级放大电路
由于前置运算放大器的放大倍数有限(一般不大于30倍)。信号放大倍数不足，在实际应用中往往要求输出信号为伏级，需要次级放大电路，又由于经前置运算放大器放大的信号变为反相，因此采用反相比例放大电路。则，最终输出信号与输入信号同相。

本设计中反相放大器的放大倍数为30。与前置放大器的放大倍数相叠加后，总的放大倍数可达600倍，可以将毫伏级的心电信号放大到伏级，并处于0V到1．8V之间。
1．3 心电信号滤波电路
为使电路具有较窄的过渡带和较好的滤波效果，本文采用压控电压源二阶低通滤波电路进行滤波，电路如图4所示。该电路由两级RC滤波器串联和同相放大电路组成。其中同相放大电路实际上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波的通带电压增益。

由于心电信号微弱，且频率为0．5～100Hz，需要多级滤波，必须设计高通滤波电路，这里采用压控电压源二阶高通滤波器。电路如图5所示。

1．4 50Hz工频陷波电路
心电信号微弱，易于受到外界信号干扰，特别是在此频段内容易受到强烈的干扰源，如50Hz或60Hz市电电刚信号的影响。为了去除系统中产生的50Hz交流干扰，本设计采用了双T网络如图6所示。Q越高，频率选择性越好，但是Q值越高，滤波器总体的性能不稳定，当Q值过大时，将在50Hz附近丢失过多的信号，产生波形失真，对于包含50Hz的信号是不利的。

1．5 电极脱落检测电路
由于患者在使用便携心电监护仪时行动是不受限制的，患者在身体活动时，贴在患者身上的导联极有可能发生松动或脱落的现象。如果在采集心电信号时出现电极脱落，或导电膏干燥而松动或脱落的情况，但未被患者察觉，采集到的数据将失去意义。
因此，电极导联脱落检测电路是十分必要的，电路如图7所示。

U3A采用LM324，构成电压跟随器，以隔离前后电路，使其不相互影响。R3、R4、R5、C2组成低通滤波器，防止50Hz工频干扰使其误翻转。

2 系统软件的实现
本文用美国国家仪器有限公司(NI)开发的虚拟仪器编程软件LabVIEW作为软件开发平台，利用其强大的界面及控件设计功能和信息处理能力，进行心电监护的信息处理。选择了NI公司的USB6008作为数据采集设备。

系统的软件设计部分主要包括以下几个模块：用户登陆模块、数据采集模块、波形显示模块、数据分析模块、数据存储模块、波形存储模块和诊断报警模块等，如图8所示。
2．1 系统主界面设计
系统软件主界面是系统的核心界面，操作者可通过点击界面上的按钮实现软件的功能，其中在主界面上显示心电信号波形、用户信息、心电信号测试数据，和心率诊断情况，还包括系统停止按钮和信息存储按钮，如图9所示。