基于LabVIEW和NI myDAQ的智能心率仪设计

李　立，范传良，胡增顺

(1.安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000；2.开封大学公共计算机教研部，河南 开封 475004)

0　引言

随着医疗技术的发展，设备的小型化、智能化是现代医疗设备发展的重要方向。目前诊断性心电图机(Holter)成本高昂、操作复杂，需要特定设备进行数据分析。采用单片机、ARM等低端控制器，以数码管和TFT彩屏为显示器的消费型心电图机造价低廉。其缺点在于数据处理效率低、精度差、在功能上局限性较大，数据质量相对较差[1-4]。因此，本文设计了基于LabVIEW和NI myDAQ的智能心率仪。其中：NI myDAQ具有强大的数据处理能力，LabVIEW编写的用户操作界面具有良好的操作性。该设计具有较好的可扩展性和可维护性，节能、经济；同时，提供了良好的用户操作界面。该设计为便携智能舰载医疗设备的发展提供了另一种思路[5]。

1　系统总体架构

本设计的硬件部分包括脉搏信号采集模块、数据处理模块及外围电路。脉搏信号采集模块对用户的脉搏进行采集，并将其转换为电信号。脉搏信号处理模块对采集的脉搏信号进行滤波和放大。NI myDAQ数据处理模块为数据处理中心单元，负责对传感器采集的数据进行处理[6-7]。

软件部分使用LabVIEW对心电信号进行分析、显示、存储和计算，并通过编写实时显示的人机交互界面(human machine interaction,HMI)，实现对心率的实时显示以及对硬件设备的功能性操作。同时，该设计以技术数据管理流(technical data management streaming，TDMS)格式保存采集到的数据，并利用FileView功能，使数据信息可浏览和回放，以供用户及时打印及调阅查看。

系统原理框图如图1所示。

图1　系统原理框图Fig 1　Schematic diagram of the system

2　硬件设计

2.1　脉搏信号采集模块

脉搏信号采集模块如图2所示。

图2　脉搏信号采集模块Fig 2　Pulse signal collection module

脉搏采集模块是整个系统的重要组成部分，主要以OPT101型传感器为核心构建。OPT101型传感器是集光敏器件与信号放大于一体的小规模集成器件，输出信号为电压信号，电压随光敏器件的光强度呈线性变化，内部采用单独电源供电。OPT101电路中，由1 MΩ的电阻与3 pF的电容组成反馈网络，即将引脚4和引脚5连接，构成基本的应用电路。

2.2　脉搏信号处理模块

由于OPT101传感器采集到的信号，存在信号微弱以及受到外界环境干扰会形成杂波信号的缺点，会使后续软件的信号处理产生误差。故将OPT101芯片的引脚5输出的电压信号，经过R2、C2、C3，连接到LM324放大器的反相输入端。

为了避免无关信号传到U1A的输入端，用C2、C3组成的双极性耦合电容将其隔离。C4和R5构成低通滤波器。其截止频率为3.33 Hz，用于去除脉搏信号中的高频信号成分。最后，在7#引脚处输出处理后的脉搏信号。脉搏信号处理模块如图3所示。

图3　脉搏信号处理模块Fig 3　Pulse signal processing module

2.3　NI myDAQ数据处理模块

该模块主要由NI myDAQ采集卡组成。该采集卡是一种便携式、低成本、高精度的设备，通过LabVIEW程序编写，可以进行模拟和数字信号的采集、测量和分析。该采集卡带有2个模拟量输入(analog input,AI)端口、2个模拟输出(analog output，AO)端口、8个数字输入/输出(data input and output,DIO)端口、±15 V和5 V电压端口、2个模拟接地(analog ground，AGND)和1个数字接地(data ground，DGND)端口。2组AI通道可被配置为通用高阻抗差分电压输入或音频输入；2个AO通道可被配置为通用电压输出或音频输出，也可作为数模转换通道使用；8个DIO通道中，每个通道内部连接一个可编程函数接口(programmable function interface，PFI)；±15 V电源可作为电源模拟组件，+5 V可作为电源数字组件。NI myDAQ的系统处理模块结构如图4所示。

图4　系统处理模块Fig 4　System processing module

将脉搏信号处理模块中7号引脚输出的脉搏信号输入到myDAQ的AIO+端口，通过其内部的仪表放大器和增益结构的处理，将信号输入到模拟的数字转换器。然后，将信号传递到USB时钟定时控制器(USB-STC3)，并通过USB总线将采集到最终的数字信号传递给LabVIEW程序。编写程序将采集到的数字信号还原为电压信号。

3　心电系统软件设计

3.1　电压模拟信号采集程序设计

软件的设计流程主要包括参数初始化、数据采集、NI myDAQ读取/发送数据、TDMS文件存储、人机交互等部分。

设备开机时，系统可自动清除无效参数，以便采集任务的进行。在进行数据采集时：首先，采用DAQmx创建采集通道；然后，配置采集的最大电压和最小电压，并将最大电压和最小电压设定为+5 V和-5 V；最后，分配物理通道模拟端口为AIO+。DAQmx定时(采样时钟)的采样数配置为100，采样模式为连续采样，采样率为1 000 次/s。当数据流到达DAQmx属性节点，驱动采集程序运行并且检测实际的采样率是否达到设置的采样率。通过控件，将myDAQ采集到的波形通过波形图实时显示。此处加入一个while循环，以实现myDAQ对脉搏信号的连续采集，并实时显示在HMI界面。当记录文件时，使用配置文件对话框控件实现与用户的有效人机交互，并采用TDMS写入控件将数据写入TDMS文件；然后，通过DAQmx记录配置TDMS控件，为打开或创建TDMS文件指明路径，调整记录模式为off或打开并读取。当结束循环、终止任务时，采用DAQmx停止任务控件，并及时使用DAQmx清除任务控件清理任务。

3.2　电压模拟信号处理及存储程序设计

脉搏信号滤波前后的波形图如图5所示。由图5可知，经滤波后的信号波形更易观察、分析。

图5　脉搏信号波形图Fig 5　Waveforms of pulse signals

为了实现对TDMS文件的再次读取及显示，需要特定的程序来完成此项功能。对此，设计了TDMS文件调取查看功能。通过“TDMS OPEN”控件，打开TDMS文件通过的有效路径。通过“TDMS Read”控件，读取采集到的脉搏信号。为了除去杂波，加入带阻滤波器(bandstop filter,BSF)。对脉搏信号滤波后，使用波形图表显示滤波后的脉搏信号。当不用TDMS文件时，通过“TDMS Close”控件将文件关闭，即关闭所占用的内存资源。

为了对采集到的脉搏信号进行准确的分析，采用BSF对采集到的信号进行滤波[8-9]。经过反复试验并测定，最终将高截止频率设为100 Hz，低截止频率设为10 Hz。

3.3　心率计算运算程序设计

3.3.1心率计算以及其实现方法

经过滤波之后的脉搏波形，在每次心跳时都会产生2个波峰。其波形虽然可以近似看成一个周期性的波形，但由于每个波峰并不完全一致，不能直接得到周期。因此，必须将模拟信号转换为数字信号，再进行处理。为解决周期检测问题，采用LabVIEW中“触发与门限”控件，配置属性为触发门限，其电压阀值为2 V，停止门限电压也为2 V。如图5所示，波形表示每次只允许通过一次心跳的脉搏信号。通过测量每次心跳的峰峰值间隔时间，可计算出每次心率。

3.3.2心率计算程序

在设计心率计算程序时，先测出整体波形，并通过滤波器控件对波形进行处理；然后，计算所触发的波形个数，通过波形数据提取控件并计算所需的数据。测量结果在HMI界面实时显示。在此过程中，用户可以根据自身心跳波峰的幅度，对起始电压和停止电压进行设置，使测出的心率值更加准确、可信度更高。通过分析该值的稳定性，可判断心率是否稳定。

只要测出每次从触发到停止所需要的时间T，即可计算出每分钟的心率。为减小误差，采用多次测量求平均值的方法。将每次脉搏跳动的时间用一维数组记录，即保存了每一次脉搏跳动时间的数值。这里采用数组大小控件，以确定输出数组为一维数组。接着，通过数组插入控件将采集值不断写入数组，并由数组保存其采集值。将记录的数组元素通过数组索引控件逐个索引相加。在此，使用while循环。每循环一次读取一个数组元素，并使用移位寄存器保存每次读取的值，以供下次循环继续相加。将各个元素相加的最终值除以元素个数，即可得到脉搏跳动时间的平均值：

(1)

3.4　警报程序设计

在进行心率检测时，为方便提醒用户，设计了报警程序。当心率保持在医学上人体的正常范围，即60～100次/min时，前面板的LED显示为绿色，表示正常，不会发出警报；否则，显示为红色，程序会发出警报，警告人们此时的心率过快或过慢。

4　在Windows终端的操作

为了增加用户操作的直观性，在计算机端设计了良好的用户操作界面，使其能够实时显示心率值及心跳波形。另外，通过将程序封装为.exe文件形式，可实现该程序在任意计算机上的正常运行，大大增加了本设计的可移植性。

为了进一步验证与测试设计系统的可靠性，根据国家心电监护仪检定规范JJG760-2003的要求[10]，以医用迈瑞MEC-1000型心电监护仪为标准，对5名师生进行了心率对比测试。其年龄范围为19～55岁，2女3男，均为正常心电测试者。分别5次连续测量受测者10min的心率情况，以平均值对比设计的心率系统与医用测试值的情况，具体测试结果如表1所示。

表1　心率对比测试结果Tab.1　Test results of heart rate contrast

通过实际测试对比可知，本设计能够准确、高效、实时地监测人体心率情况。与医用设备相比，该心率仪的精度误差为0.14%，具有成本低、精度高和可靠性好的优点。采用LabVIEW和NI myDAQ方案，为家庭便携式医疗设备提供了另外一种实现思路。

5　结束语

本文所设计的基于LabVIEW和NI myDAQ的生物智能心率仪，成功地结合了myDAQ强大的数据采集功能与LabVIEW编程优势。通过实际测试对比可知，本设计具备可靠性高、实时性能好、便于观察等优点，为家庭便携式医疗设备的智能化设计提供了参考。

参考文献:

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[8] 何玲玲,张仲,葛立峰.基于LabVIEW的微弱光电信号采集与处理系统的设计[J].电测与仪表,2010,46(6):65-68.

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[10]全国无线电计量技术委员会.心电监护仪检定规程：JJG760-2003[S].北京:中国标准出版社,2004.