【doc】基于虚拟仪器的胎儿心电图仪的研制

【doc】基于虚拟仪器的胎儿心电图仪的研制 基于虚拟仪器的胎儿心电图仪的研制 一 研究论着 基于虚拟仪器的胎儿心电图仪的研制 蔡坤陆尧胜 (暨南大学电子工程系广州市510632) 摘要介绍了一种基于虚拟仪器的电脑胎儿心电图系统.该系统由两部分组成:以 PIC单片机为核心硬件的数据采集 装置和Pc平台的处理系统.硬件电路功耗低,直接采用端口供电.软件平台采 用可视化语言LabView6.1编程实 现,由于使用其大量成熟软件模块,大大提高了开发效率.介绍了LabView实现的 匹配滤波器等算法,并改进了匹配滤 波的更新.临床试用取得了满意效果. 关键词虚拟仪器;胎儿心电图;胎儿监护;匹配滤波 中图分类号:TH772~.2文献标识码:A文章编号:1003—8868(2003)12,o019—03 DevelopmentoffetalECGbasedonvisualinstrument CAIKun,LUYao—sheng (DepartmenlofElectronicEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632) AbstractAcomputerizedfetalECG(FECG)systemispresented,whichiscomposedoftwocomponentsOneisthe datacollectiondevicewithaPICmicrocomputerasthemainhardware,whichhaslowpowerconsumptionandgets powersupplythroughserialport.TheotherisasoftwareplatformbasedonPC,whichisbuihthroughLabView6.1,a graphicprogramminglanguage.PlentyofmodulesprovidedbyLabView6.1utilized,itisegieienttodevelopthe softwareplatform.Inparticular,theimplementationofthematchedfilteringalgorithmsisintr oduced,whichistheCOle ofthesoftwareplatform.Anewmethodofupdatingtemplatesofmatchedfiherisdescribed. Keywordsvisualinstrument;FECG;fetalmonitoring;matchedfiher 1前言 虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合产生的一种新 型仪器模块,它通常是由计算机,模块化的功能硬件与带有数 据处理,过程控制的可视化应用软件构成.本系统使用NI公 司出品的LabView6.1图形语言编程实现.LabView采用图标 代替传统的文字代码实现编程,图标代表的程序模块都是NI 公司开发的成熟程序模块,因此,采用LabView编程可以大大 提高系统开发效率. 胎儿监护及围产期监护是产科中一项重要的监护措施. 常用的胎儿监护方法有:超声多普勒监护,胎心音监护和胎心 电监护.其中,胎儿心电监护因其从母体腹部提取胎儿心电信 号,对母体和胎儿无创,特别是能同时观察胎儿心电图,其优 点明显,是目前产科常用的诊断方法. 虽然腹部心电信号拾取方便,但是,母体腹部信号复杂, 信噪比低,特别是一般母体心电信号比胎儿心电信号大10~ 20倍,而且胎儿心电约有10%~30%与母体心电重合,形成复 杂的QRS波群,并且胎儿心电的频谱与母体心电的频谱重 叠.这些因素给胎儿心电的检测带来了比较大的困难.学者们 探索了一系列的信号处理方法解决这个问题,包括:匹配滤波 法【11,自适应滤波法等.本系统采用比较常用的匹配滤波法. 2系统的实现 2.1系统概要 本系统由硬件数据采集器和普通PC机两部分组成,通 过Rs-232口连接.PC机上的应用程序采用图形化编程语言 I.abView6.1实现.硬件数据采集器采样获得的数据以串行通 信的方式发送给PC机,PC机上的软件通过RS一232接口模块 读入波形数据,并送预处理模块,工频陷波和抑制基线漂移 后,进行匹配滤波去除母亲心电的干扰,最终在显示器上显示 胎儿心电信号的波形.另外,PC机也可以串行通信方式控制 硬件数据采集器的工作状态,如调整增益,时间常数等. 2.2硬件信号采集系统 如图1所示,系统硬件由前置放大,工频陷波,主放大器, 单片机系统等几部分组成.前置放大器将导联传人的信号适 当放大后,送工频陷波器陷波,以防止可能出现的过强工频干 扰阻塞系统放大通道.随后,信号经过主放大器和末级放大器 几万倍放大之后,单片机控制的A/D对其进行400x12bits/s 采样,数据经RS一232接口送PC机处理.硬件部分是PIC单 片机控制的高精度心电信号采集系统.该系统内部采用12位 高精度串行输出A/D转换器AD7895.采样得到的数据通过 单片机处理后将按照下面的帧格式(表1)通过串口发给Pc 机.系统采样率为400Hz,数据传输速率为19.2kbps.该系统以 低功耗为主要设计思想,其工作电流小于3mA,可以采用串口 供电p】,无须外接电源. 外H卧{lH囊HHH 图1硬件数据采集器结构图 2003年第12期?医疗卫生装备 WT九匕曹—— 其中,12个"X"表示12位A/D采样得到的数据;"00", "11"为标志位,"00"代表高6位,"11"代表低6位. 另外,硬件部分也接收PC机的控制字(表2). 表1数据帧格式 7 表2控制字涵义表 02H 04H l0H 20H 40H 80H 时间常数(I)0.03s 时间常数(II)0.3s 增益(I) 增益(II) 增益(Il1) 定标(开) 2.3软件部分 如图2所示,软件部分分为RS一232接口模块,信号预处 理,匹配滤波算法3部分,其中匹配滤波又包括相关检测和波 形对消2个部分. 预处理 ___…一一…一1 匹配滤渡模块 Rs一,Ij敦字抑制;I;;接口一陷渡.L漂移一;渡形 l!:!:r ?t :一一— 图2系统软件结构框图 2.3.1RS一232接口模块 (1)串口供电.由于硬件数据采集器工作电流比较小,本 系统使用RS一232中空闲的握手信号线制成电源,使其工作. 因此,在主程序打开串口读人数据前,必须对硬件数据采集器 加电,使其处于工作状态.在LabView中采用SerialLineCtr1. vi模块,将RTS和DrIR置相应电平;(2)串口读写.由于硬件 数据采集器在整个工作期间,以19.2kbps的速率连续向外发 送数据,为了数据处理方便,采用了SerialReadWithTime- outFT.vi模块,以保证每次从串口缓存中读出等量偶数个数 据.用SerialPortWrite.vi模块发送控制字给硬件模块.控制 字的发送采用了LabView6.1中新增的事件驱动[41功能. 2.3.2信号预处理 主要功能是滤除工频干扰和抑制基线漂移. 由于硬件系统采用串口供电,采集的信号中常混入50Hz 的工频干扰,必须加以抑制.抑制工频干扰的方法可以从硬件 和软件2个方面来实现.在硬件方面,工频干扰是一种共模信 号,可以设计高质量的前置放大器和良好的屏蔽以及优秀的 电源模块减弱工频干扰对系统的影响.在软件方面,使用 50Hz的数字陷波的方法.本系统的数字陷波器采用Lab- View6.1SignalProcessingT0olbox中的Equi—RippleBand— StoByPt.vi控件实现. 基线漂移的原因有多种,其中由于运动造成体表电极与 皮肤之间细微的滑动和硬件电子元件热效应造成参数变化是 主要原因.本系统采用非线性高通滤波的方法抑制基线漂 移.具体方法是将腹部电信号通过中值滤波得到基线信号,并 与原腹部信号相减.本系统采用的是MedianFilterPtByPt.vi 控件.图3显示了实际处理效果,A为原始腹部信号;B为经过 中值滤波后的基线信号;C为抑制基线漂移后的腹部信号. 500 A 0 — 500 l00 B0 — 100 图3信号实际处理效果 2.4匹配滤波算法 2.4.1数据队列的生成 队列是一种常用的数据结构,本系统使用这种数据结构 进行匹配滤波.但是LabView6.1已有的队列控件queue,并 不能满足使用要求,必须重新创建一个.这里采用与C语言 中类似的作法,创建一个N个元素的数组变量mainBuffer,将 数据不断从尾部移动到首部.图4是用LabView编程实现的 长对为1000的双精度浮点数队列,与C语言实现不同之处在 于队列中数据移动的次数是1000,而不是999,这是因为 LabView初始化与C语言不同所致.在LabView中,如果数组 某个单元没有被附值,那么,该单元不被初始化.因此,如果 N=999,则第998个单元将被初始化,第999个单元因为是 "读",而没有被初始化,而致使后面的新数据输入操作无效. JIReplaceArraySubset — 数据输入 图4队列生成 2.4.2相关检测算法 信号与检测模板的互相关运算可以用下面的表示: 1 Rst(m):s(m+n)T(n) ln;0 其中:S表示经过抑制基线漂移和去除工频干扰的腹部电信 号;T表示系统内部的检测模板.经过互相关运算后就可以进 行R峰检测了.互相关运算采用SignalProcessingToolbox中 的Co~sCorrelation.vi控件. R峰检测实际上是对互相关运算的结果进行峰值检测, 以求得母亲心电R峰的精确位置.用LabView系统白带的峰 值检测控件ThresholdPeakDetectorPtByPt.vi进行检测. 2.4.3波形对消算法 波形对消算法的基本思想是把当前母亲心电QRS波群 与先前求得的QRS波群模板进行加权平均,计算出新的QRS 波群模板,并与当前QRS波群相减,滤除母亲心电.临床实验 2003年第12期?医疗卫生装备 姗.啪 C 一 研究论着 过程中发现传统的模板更新方法t】对母亲心电QRS波群变化 的跟踪能力不强,某些情况下不能彻底滤除母亲心电QRS波 群,本系统改进了该方法.系统初始化时建立一个容量为N的 模板库,将检测到的母亲心电QRS波群存人该库中,替换最 初入库的母亲心电QRS波群,即构建一个母亲心电QRS波群 队列,随后按照"新高旧低"的优先级原则进行加权平均.各母 亲心电QRS波群的权系数公式如下: w(i): 1一 式中:0<l,且为常数,i=0,l,2,…,N. 图5用信号流图的形式表示该算法.图6展示了系统对 腹部电信号进行匹配滤波处理后的效果,A为从腹部提取的 电信号;B为改进模板更新方法后的胎儿心电信号;C为采 用传统模板更新方法的胎儿心电信号,"%"表示母亲心电 的残余. 当群 图5模板更新框图 3结论 本系统硬件无须另配电源,系统结构更简单.软件采用 LabView6.1进行图形化编程,直接使用NI公司提供的多种成 熟的软件模块,因而大大节省系统开发时间和成本.本系统具 有信号基线校正功能,改进了传统匹配滤波模板更新的方法, 经过近20例临床测试,均取得良好效果.本系统在胎儿心电 波群的识别上仍有改进的空间. B C 400厂—————]200}{ 20:(===!lI........'.........'.........I...................'.........L.........L. 伽 200广——————]}4 0 200【.............................—........... 围6信号经匹配滤波处理后的效果 参考文献 1杨福生,等生物医学信号处理北京:高等教育出版社,1989.256- 282 2马小波,周礼杲,杨福生.应用频域自适应处理从母腹电信号中提取 胎儿心电.航天医学与医学工程,1999,4(1):19-29 3JanAxelson着,精英科技译.串行端口大全北京:中国电力出版 社.20ol_131,132 4Event-DrivenProgramming,8-11,LabView6.1UserManual,Novem ber20o1Edition 5LaufenceKeselbrener,MichelKeselbrenerandSolangeAkselrod Nonlinearhi【shpassfilterforR-wavedetectioninECGsignal Med.Eng.Phys,1997,19(5):481-484 (2003—O6—2O收稿20o3-10—22修回) (.I.I上接第18页.I.I) 独立于主程序之外的定时中断服务子程序完成显示功能,程 序设计思路简单清晰,可读性强.系统所用的24C01C操作简 单,除图3所示的3个管脚外,其余管脚接地即可. 4系统软件 系统软件由主程序(如图4所示流程图),显示数字中断 服务子程序(如图5所示流程图),功率控制中断服务子程序 图7故障处理子程序流程图 (如图6所示流程图),计时中 断服务子程序以及故障处理 子程序(如图7所示流程图) 组成.人眼视觉暂留时间为 20ms,每位显示时间间隔必须 小于20ms.显示中断每次中断 间隔9ms,轮流切换显示3位 LED,每位数字的显示时间间 隔为18ms(<20ms),可以达到 稳定的视觉效果.计时中断服 务子程序包括正计时和倒计 时.其中倒计时又分为以min 为单位计时和以S为单位计 时.故障处理子程序完成的功 能是关闭系统中断,关闭加热 输出,根据采样温度判断并显 2003年第12期?医疗卫生装备 示故障的类型(短路,断路以及温度超标),发出报警以及等待 用户确认故障信息后程序自动复位等功能.为了编程方便,本 系统具体编制了按键检测确认子程序,AkD转换子程序,电压 \温度转换子程序,读EEPROM以及写EEPROM等子程序. 5结束语 自动煎药机目前以其突出的优越性受到了各大医院与制 药厂家的欢迎,当然它也存在一些需要解决的问题,即:如何 解决先煎,后下问题,增加浓缩功能等.这些问题有待于在进 一 步的实践中不断完善. 参考文献 1王定发,徐庆红.电热式自动煎药机和自动包装机的应用及优点.时 珍国医国药,20o1,12(4):342 2林卫星,马常旺.IC卡预付费电表系统.工业控制计算机,2001,14 (12):59 3何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京:北京航空 航天大学出版社,1993 4杨凌,包玮鸳.煎药机煎药与传统方法煎药的检出率比较.时珍国医 国药.20o1,12(5):411 5何立民.单片机高级教程——应用与设计.北京:北京航空航天大学 出版社,2000 6李勋,刘源.单片机实用教程.北京:北京航空航天大学出版社,2002 (2003-05-05收稿20o3—1o-24修回) ?g.枷埘 A