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心电远程监测系统设计

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心电远程监测系统设计 心脏是人体血液循环的动力装置, 心脏波动是生命存在 的标志,心脏节律是人体生理状态的重要标志。当今心血管疾 病已成为发病率极高的常见病之一, 极大威胁人们的生命 [1]。 设计一种性能可靠、价格低廉、体积较小的心电采集与远程传 输系统对心血管疾病的检测和预防具有重要意义。 本系统采 用 FPGA 实现心电信号采集的硬件系统,采用 LabVIEW 开发 平台实现对心电信号的处理, 包括利用 DataSocket 技术实现 远程监测系统。 该系统将心电监测从病床、医院扩展到社区、 家庭实施远程监护,对于解决医...

心电远程监测系统设计
心脏是人体血液循环的动力装置, 心脏波动是生命存在 的标志,心脏节律是人体生理状态的重要标志。当今心血管疾 病已成为发病率极高的常见病之一, 极大威胁人们的生命 [1]。 设计一种性能可靠、价格低廉、体积较小的心电采集与远程传 输系统对心血管疾病的检测和预防具有重要意义。 本系统采 用 FPGA 实现心电信号采集的硬件系统,采用 LabVIEW 开发 平台实现对心电信号的处理, 包括利用 DataSocket 技术实现 远程监测系统。 该系统将心电监测从病床、医院扩展到社区、 家庭实施远程监护,对于解决医疗资源分布不平衡、减少病人 转诊费用支出和劳累之苦等都具有重要意义。 1 系统的构成 整个系统由心电信号采集、心电信号串口传输、心电信 号处理等 3 部分构成。 其结构框图如图 1 所示。 前端硬件设 计首先采集心电信号, 通过串口将该心电信号传入计算机, 然后在 LabVIEW 软件系统下对其处理。 1.1 系统硬件设计 该系统硬件是指由 FPGA 控制心电信号的采集、片外存 储,以及串口传输模块,前端采用标准导联采集人体的心电 信号,通过电路板的信号调理电路后送入 A/D 转换器,利用 硬件描述语言(VHDL)在 FPGA 中设计 A/D 采样控制器,片 外存储(SRAM)控制器和串口通信控制器分别控制信号通过 A/D 转换, 存储到片外 SRAM 中并通过串口传入计算机,存 储到片外 SRAM 中,以便在网络临时出现故障一次未发送成 功的情况下,重新发送数据。 图 2 为该系统硬件结构框图。 获取心电图的方法是依靠与肢体接触的电极,称为“导 联”。 本系统通过前端电极、引入人体标准导联心电信号,对 心电信号进行必要的放大和去除干扰。 而同时引入的心电信 号要经信号调理电路放大和滤波后才能对其 A/D 转换,信号 心电远程监测系统设计 黄熠园, 胡方明, 任爱锋, 姚为骏 (西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071) 摘要:研制一种功能强大、成本低的心电远程监测系统,可实现远程医疗心脏病患者。 该系统前端采用 FPGA 控制, 采集和存储人体的心电(ECG)信号,通过串口将心电数据传入计算机,并在 LabVIEW 软件平台下实现心电信号的 显示和远程传输系统。 其中大部分功能是由软件设计实现,以便于后续功能扩展。 实验结果达到预期目标。 该系统 可广泛用于医院、社区、家庭、户外监护,帮助医生及时诊断病人。 关键词: FPGA; 心电信号; LabVIEW; DataSocket 中图分类号:TP216,TP273 文献标识码: A 文章编号:1674-6236(2010)02-0045-03 Design of remote ECG monitoring system HUANG Yi-yuan, HU Fang-ming, REN Ai-feng, YAO Wei-jun (School of Electronic Engineering,Xidian University,Xian 710071,China) Abstract:A remote monitoring system for ECG is developed,which has the characteristics of powerful functions and low cost.The system front-end is controlled by FPGA to acquire and storage the ECG signals.The ECG signals are transmitted to the computer through serial port.The ECG display and remote transmission system is developed in the LabVIEW soft- ware platform.The most of functions are realized by the software design.So it is convenient to extension functions in the future.The result of experiment shows that it achieves the expected goals.The system is widely used in hospital,community family and outdoors.It helps doctor to diagnose directly. Key words: FPGA; ECG signals; LabVIEW; DataSocket 收稿日期:2009-08-29 稿件编号:200908068 作者简介:黄熠园(1985—),女,陕西咸阳人,硕士研究生。 研究方向:系统集成与信息处理,弱信号检测。 图 1 系统结构框图 图 2 系统硬件结构框图 2010年 2月 Feb. 2010 第 18卷 第 2期 Vol.18 No.2 电子设计工程 Electronic Design Engineering 4343- - 调理电路如图 3 所示。其中右腿驱动技术对抑制交流信号干 扰效果较好。 前置放大器放大输入电路微弱的(变化缓慢的) 心电信号,同时将干扰信号降至最低。系统设计的通带频率为 0.05~100 Hz 的带通滤波电路, 将心电信号的有用成分从采 集到的信号中分离出 [2]。 输出放大器将进一步放大心电信号, 这样可使信号调理电路输出的心电信号满足本系统采用的 A/D 转换模块的刻度范围。 由于心电信号易受市电 50 Hz 工 频干扰,因此这里采用陷波电路,即带阻滤波器,滤除干扰。 最后将处理后的心电信号送入 A/D 转换器的输入端。 本系统 设计的心电信号采集板为单通道采集板,适用于众多心脏疾 病患者。 1.2 LabVIEW 软件系统 LabVIEW 是 NI 公司推出的专业测试软件开发平台,其 特点是图形化编程环境, 软件设计和功能设计相互独立,网 络功能强大,支持多种常用网络 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ,开放性强等。 LabVIEW 软件是图形化编程环境的引领者, 使用该软件进行原理研 究、设计、测试并实现仪器系统,可大大提高工作效率[3]。 1.2.1 串口通信 虚拟仪器软件结构体系 VISA (Virtual Instrument Soft- ware Architecture) 实质上是 I/O 接口软件库及其规范的总 称,是 VXIplug&play 体系联盟统一采用的标准 [4]。 VISA 是在 LabVIEW 开发平台上控制 VXI、GPIB、RS232、PXI、PCI 以及 其他种类仪器的单接口程序库,是对其他总线驱动函数进行 的一个统一封装的高级 API, 通过 VISA 可直接访问测试硬 件设备。 LabVIEW 中用于串口通信的节点实际上是 VISA 节点, VISA 节点单独组成一个子选板,包括 8 个节点,位于函数选 板→“数据通信”→“协议”→“串口”子选板中,实现串口的配 置、读写、串口中断、设置 I/O 缓冲区大小、清空 I/O 缓冲区等 操作。 但需注意的是在使用串口前,应安装 VISA 驱动软件。 1.2.2 心电波形的显示和存储 波形显示是指将接收到的心电数据绘制连续波形,以供 专家分析 。 LabVIEW 中基本的图形显示控件都位于 Con- trols→ALL Controls→Graph 子模板上 。 Graph 和 Chart 是 LabVIEW 图形显示功能中的 2 种最基本元素。这 2 个元素都 可称为“图”,但是在 LabVIEW 中它们却有很大差别。 一般来 说,Chart 称为“记录图”,它是将数据在坐标系中实时、逐点 (或一次多个点)显示,反映被测物理量的变化趋势,与传统 的模拟示波器、波形记录仪的显示方式相仿。Graph 则是对已 采集数据进行事后处理, 在先得到所有需要显示的数据,然 后根据实际要求将这些数据组织成所需的图形,并一次性显 示 [5]。 因此本系统选用 Chart 实时显示,Graph 波形回放。 采用信号的时间和瞬态特性测量 Express VI 测量信号 的周期和频率。 使用写入测量文件可将数据存放在文本文件 中,需要回放时,使用读取测量文件回放数据。 这样可实现心 电信号的实时显示、存储、回放、打印等功能,还可进一步建 立数据库。 测试界面如图 4 所示。 1.2.3 心率计算及报警 LabVIEW 具有较为强大的信号处理能力,由于心率测量 反映心率的快慢, 因此实时准确的心率检测在病人监控、临 床治疗等方面具有广泛应用。 本系统首先将心电信号转换为同周期的方波信号,通过 求解方波信号的周期获得心电信号的周期,即利用 LabVIEW 提供的数组功能模块检索心电信号中相邻 2 个采样点的数 据,将其相减后乘以采样频率,这样就转换成导数值构成的 数组。 设置阈值并与数组内导数相比较;若大于阈值则输出 高电平;反之,则输出低电平,从而得到一系列方波,这样就 可测出 R 波,2 个相邻 R 波间的时间为心率周期, 再将其转 换为每分钟的心跳数。通常人的心率在 50~150 次/min,因此, 可设置心率的上下限,当心率超过该范围时,指示灯点亮, 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示病人有生命危险。 1.2.4 心电信号的远程传输 LabVIEW 可提供 TCP、 浏览器、RDA 和 DataSocket 等通 信方式。 其中,DataSocket 是 NI 公司推出的一项基于 TCP/IP 协议的新技术, 该技术是面向测量和网上实时高速数据交 换,用于一个计算机内或者网络中多个应用程序之间数据交 换 [6]。虽然目前已有 TCP/IP、DDE 多种用于两个应用程序之间 按共享数据的技术,但是这些技术都不是用于实时数据(Live Data)传输的。只有 DataSocket 是一项在测量和自动化应用中 用于共享和发布实时数据的技术。 DataSocket 实现的是数据通信, 而将复杂的数据处理及 显示留给客户端自行完成,网络只负责传递数据(包括控制 命令),最后形成测试系统是一个 C/S 模式的系统。 这样网络 资源消耗少,通信速度快,适合实时性要求高、数据量比较大 的远程测控[3]。 DataSocket 的工作方式如图 5 所示。 DataSocket Publisher 和 Datasocket Subscriber 是 DataSocket Server 的客户端,通过 DataSocket Servert 进行数据共享和交换, 三者可运行在同一 台机器或 3 台单独机器上(视具体情况而定)。 将服务器与发 布器和订阅器分离,以提高系统的安全性和可靠性。 图 3 信号调理电路 图 4 心电图测试界面 《电子设计工程》2010 年第 2 期 4444- - 黄熠园,等 心电远程监测系统设计 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! " 迁 址 启 事 《电子设计工程》杂志社的办公地点已迁至:西安市劳动南路 210 号 5-1-3 信箱 邮编: 710082 电话:029-84350396 作者在线投稿系统:http://mag.ieechina.com Email:editor@ieechina.com 路稳定性及整体功能,进而使其具有良好的市场前景。 参考文献: [1] 黄海宏 .小功率简易型太阳能控制器设计 [J].元器件与应 用,2006(2):88-90. [2] 张艳红,张崇巍,张 兴 .户用型太阳能充放电控制器的设 计[J].能源技术,2006,27(3):111-113. [3] 康华光 .电子技术基础:模拟部分[M].北京:高等教育出版 社,2005. [4] 张盛忠.基于 PIC16F676 的调宽调频式太阳能交通黄闪信 号灯控制器的设计[J].电源技术应用,2006,9(12):14-17. [5] 铅蓄电池电解液分层的研究[EB/OL].(2008-02-09)[2009- 08 -01].http://blog.china.alibaba.com/blog/shpaibinzhu/article/ b0-i3332697.html. [6] 何朝阳,戴 君,吴立琴 .基于 STC12C5410AD 的太阳能路 灯控制器设计[J].电子设计工程,2007(3):27-30. [7] 马 章 .新型太阳能光伏电源控制[J].铁道通信信号,2000, 36(7):24-25. DataSocket 基本体系由协同工作的 3 个部分构成: 服务 器管理 (DataSocket Server Manager)、 服务器端 (DataSocket Server) 和 客 户 端 (DataSocket API)。 同 时 还 包 括 Dstp (DataSocket Transfer Protocol) 协议 、 通用资源定位符 URL (Uniform Resour DataSocket Server Managerce Locator)和文件 格式等规程。 DataSocket 对外提供的资源定位接口和功能调用接口, 通过 URL 方式访问服务器中的数据项,读数据时为源地址, 写地址是为宿地址。 在 URL 中表明数据的传输协议、网络计 算机标志和数据缓冲区变量,如图 6 所示。 DataSocket 支持多种数据传输协议,不同的 URL 前缀表 示了不同的协议或数据类型。如“dstp://HYY/data”,其中 HYY 为服务器名称,data 为数据项的名称。 由此可见,DataSocket 简化了应用程序之间、计算机之间的网络数据传输,简化程 序通信,提高编程效率。 2 系统应用及注意事项 该系统可应用于医院内外的心脏病人,系统硬件电路模 块通过串口与 PC 机或便携式计算机相连,显示、存储、分析、 打印和远程传输心电数据,医生根据传输的心电数据及时诊 断心脏病人的病情。 而软件设计部分实现远程传输时应注 意 : 数据传输之前要分别在服务器与客户机上启动 DataSocket Server,建立连接, 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 URL 和控件连接方式,进 而发送和读取数据。 3 结束语 本系统不同于传统的心电监测系统之处在于采用软件 编程实现心电监测系统功能,以便于系统功能扩展。 经实验 测试,数据显示和远程通信未出现失真,达到了预期效果。 利 用 DataSocket 通信技术实现心电数据的远程通信,网络资源 利用率高,传输数据量大,并且在服务器处理能力足够强的 情况下,可服务多个被监测病人。 被监测病人可位于医院或 医院外(比如家庭、办公室、户外等),只要有 PC 机或便携式 计算机及网络都可实现心电实时监测。 可见,该系统具有强 大功能和低成本的特点为众多心脏病患者提供方便,增强医 疗服务系统, 具有较高的社会使用价值和市场前景。 参考文献: [1] 郑晓婉,吕云朋 .马金中 .基于 MSP430F1611 的便携式 12 导心电采集系统的设计[J].电子设计工程,2009,17(4):12- 14. [2] 孙肖子,任爱锋,徐少莹,等 .现代电子线路和技术实验简 明教程[M].北京:高等教育出版社,2009. [3] 戴鹏飞 ,王胜开 ,王格芳 ,等 .测试工程与 LabVIEW 应用 [M].北京:电子工业出版社,2006. [4] 陈真诚,陈晓俐 .基于虚拟仪器的远程心电监护系统的研 制[J].医疗卫生装备,2009,30(4):19-21. [5] 侯国屏,王 坤,叶齐鑫. LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计 [M].北京:清华大学出版社,2005. [6] 胡仁喜 ,王恒海,齐东明,等 . LabVIEW8.2.1 虚拟仪器实 例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007. 图 5 DataSocket 工作方式 图 6 URL 构成 ################################# (上接第 42 页) 4545- -
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