基于LabVIEW的心电信号采集与分析设计方案

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  •      生物医电信号,如心电信号、血压信号、脑电信号等等,都表征了一定的病理特征,以心电为例,通常以心电图来记录心脏产生的生物电流,临床医生可以利用心电图对患者的心脏状况进行评估,并做出进一步诊断。而对于一些家用或者医用仪器厂商来说,则需要开发特定的信号处理算法并部署到嵌入式处理器上,完成医电特征的提取。通常整套心电监测产品的研发过程,由心电数据采集、心电信号分析、人机显示、文件存储等几部分组成,通过NI提供的图形化系统设计平台,可以覆盖数据采集、信号读取、心电分析以及报表生成等一系列产品开发的流程,完成整套系统的开发,提高开发效率。而在整个开发过程中,信号分析部分往往是重点,也是各厂商的软件核心技术所在。本文将重点就心电采集与分析展开讨论,介绍如何通过LabVIEW高效实现心电信号的采集及分析算法开发。

     

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    图1 典型的单周期心电图波形

    1  心电信号的数据采集

    通常来说,ECG信号是通过对若干电极(导联)感知生物电流,并通过数据采集设备将导联产生的模拟电信号转化为数字信号进行计算机分析。导联产生的模拟信号往往较为微弱,幅值在mV左右,需要通过动态信号采集设备进行采集,或者通过前置预放大之后采集。无论是独立的ECG导联或者集成医用式ECG设备,都可以通过NI设备进行数据采集。

     

    通过30多年的发展,美国国家仪器(NI)在测试测量领域奠定了领导地位,从便携式USB设备到高精度PXIe同步采样设备,可以实现从8位到24位的分辨率,以及48kHz到2GHz的采样率。同时NI设备将增益误差、偏移误差、不确定噪声等各种误差值综合考量之后,提供了绝对精度值,以确保最终测量的准确性。一般来说ECG信号的频率在几百赫兹左右,可以通过1k到5k左右的采样率进行采样,另外,根据应用的精度区别,可以选择14~16bit采样精度,基本上NI任何平台的数据采集设备均可以满足ECG的采样需求。可以根据应用的不同,选择合适的设备,如在便携式设备中选择USB数据采集,在远程医疗的应用中选择无线采集等。

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    图2 从USB到无线的NI数据采集方案

    无论使用何种NI硬件平台,都可以通过同一种编程平台——NI图形化编程软件LabVIEW实现开发。自1986年诞生以来,LabVIEW图形化开发平台一直致力于简化编程的复杂性,在所有涉及到数据采集和控制的领域里,LabVIEW图形化编程方式都已经成为标准的开发工具。对于医疗电子设备的开发团队来说,LabVIEW提供了将硬件I/O引入算法设计的快捷方式,无缝结合从数据采集、算法分析、数据存储以及人机交互等全方面流程,同时不同NI硬件可通过代码重用,发布到不同商业化、嵌入式平台,简化构建原型系统的复杂性。

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