基于LabVIEW的心音信號與心電信號的實時采集分析系統

摘要： 　　本文介紹了利用美國NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW 7 Express和數據采集卡PCI-6023E構建心音信號與心電信號的多路數據的實時采集分析系統的方法和技術.對如何提高采集系統的性能與精度進行了分析,同時也給出了一些實例。 關鍵詞： labVIEW7.1 虛擬儀器 心音信號 心電信號 多路數據采集 實時分析 Abstract: 　　In this paper, a method of data acquisition of heart sounds and Electrocardiograph signal based on LabVIEW was introduced. LabVIEW 7 Express and PCI-6023E were used in this study to develop a system on Data Acquisition and Real time analysis of heart sound signal and Electrocardiograph signal. How to get the high performance and precision of the system were introduced. Some practical application examples were also given. Key words: LabVIEW 7 Express virtual instrument heart sound Electrocardiograph signal multi-channel of data acquisition Real time analysis 引言 　　心臟聽診是診斷心臟疾病的重要方法之一。心音的強弱受很多因素影響；心音信號的頻率在5-600HZ之間，心臟雜音在1500HZ以下。人的聽覺系統僅對頻率為1000-5000HZ的振動最敏感。醫生在聽診時大多憑借豐富的經驗進行判斷，對經驗較少的醫生來說難度太大。并且心臟雜音是一組歷時較長、頻率不同、振幅不同的混合振動。不論在生理或病理情況下，心血管系統均可產生雜音，有些雜音并無重要性，而有些雜音則是心血感疾病的唯一指征。因此，準確判斷心音及心臟雜音的生理或病理特征，在心血管系統疾病的臨床初診中具有重要的意義。 　　我們運用美國國家儀器公司開發的簡單直觀、快捷高效的圖形化編程軟件系統LabVIEW和數據采集卡PCI-6023E，構建了心音數據的實時采集系統，并且把其應用于先天性心臟病的心音信號的采集及分析。 　　我國每年的新生兒中，約有10萬以上患先天性心臟病。聽到心臟雜音是考慮心臟疾病的一個最重要體征，大多因此而進行進一步的檢查，但有些嚴重心臟病，雜音卻不明顯；心電圖雖是古老而普及的檢查手段，但仍必須重視，一些先天性心臟病有其特有的改變。因此在我們的采集系統中有一路采集心音，有一路采集心電；心音心電同步進行采集，這樣在分析時二者都有價值，并且利用心電對心音進行定位；心音的采集按照傳統的5個位置進行（心尖區、主動脈瓣1區、肺動脈瓣區、三間瓣區和主動脈瓣2區）。綜合分析將為醫生提供更準確的信息。 1、心音實時采集與處理系統的組成 　　這個系統將心音、心電及噪聲傳感器，信號調理電路，數據采集卡，計算機和強大的圖形編程軟件LabVIEW相結合起來，構成了一個既靈活而處理功能又非常強大的基于計算機的測量與控制應用的實時采集與處理系統。系統由以下幾部分構成，如下圖所示 　　在這一系統中，首先將心音、心電和和背景噪聲信號通過傳感器轉換成電信號，其次，在信號調理電路中采用硬件對三路電信號進行了信號放大和處理，實現50HZ的工頻濾波，減少工頻信號的干擾以達到較好的環境適應性目的。再輸入到PCI-6023E數據采集卡進行模/數轉換，最后利用計算機與LabVIEW進行數據的存儲。 　　在采集心音信號的同時還需采集一路背景噪聲信號，是便于在今后的回放分析過程利用LabVIEW編程中進行濾波，以實現排出背景噪聲的干擾，獲得較真實的心音信號，易于提出病理特征，同時也減少數據處理量，提高處理速度。 　　其中PCI-6023E是美國國家儀器公司開發的一種價廉物美的計算機專用數據采集卡。它的采樣率可達200KS/s，具有12bit的分辨率。而根據心音的特點其主要成分的頻率在500HZ以下，心臟雜音也在1500HZ以下。而心電信號的最高頻率在100HZ以下。根據采樣定理，采樣頻率fs必須至少是測量信號所包含的最高頻率fm的兩倍，因此每個通道的采樣頻率設為5000HZ,總采樣率設定為5000*5=25000S/s。由于采集三路信號，所以采用了相鄰的三路模擬輸入通道。通道號分別為0~2。輸入電壓范圍為-5v~+5v,輸入模式與硬件參數設置為有參考的單端輸入。否則，將人為的給采集的心音信號加入了噪音。而且要嚴格按照有參考的單端輸入的接法與心音信號放大器的輸出連接，盡可能減少通道的信號相互影響。 2、LabVIEW編程 　　整個心音信號采集系統程序是在Windows2000的操作平臺上用LabVIEW 7 Express編寫實現的。圖2是心音信號、心電信號和背景噪聲數據采集的基本流程圖。 　　醫生在聽診時一般要求環境安靜，病人在短時間內屏住呼吸，減少干擾。我們在進行采集工作時，外界的環境隨時發生變化，不可能人為控制，而噪聲對信號的采集有較大的影響，這就需要有相應的處理辦法，保證所采集的心音信號的真實性。所以在采集信號時需要同步采集背景噪聲，可不進行適時的波形顯示，但要將采到的信號數據保存為二進制。待信號分析時，先要運用LabVIEW中的相關運算函數，把采集的噪聲信號和相應的同步心音信號進行相關濾波。 　　在LabVIEW編程環境中，從函數functions—data Acquisition—Analog Input—AI config.Vi。AI config.Vi虛擬儀器程序是設置模擬輸入操作是程序。數據采集設備按照程序中指定的采樣頻率采集信號，數據被傳送到緩沖區內。采集到整個樣本后，LabVIEW將數據傳遞到程序中進行存儲和顯示。 3、實現采集 　　對于快速變化的信號，我們用信號最高頻率成分5倍的采樣頻率進行信號采集，過高的采樣頻率消耗太多的系統資源，還增加信號的處理時間。通過多次實驗分析對照分析結果，在實地采集時我們設置采樣頻率為2500HZ。采集的信號，可實現實時顯示，但不實時分析。分析在回放程序中進行。 操作界面如圖4所示： 　　該程序實時進行對心音、心電和背景噪聲的精確采集，在5個經典聽診位置都采集了信號，獲取了較為完整、真實的信號，為后續的先天性心臟病的研究打下了堅實的基礎。 4、結束語 　　本文使用虛擬儀器技術，使心音信號的采集和分析變得直觀，采集系統操作簡便，已經投入實際的實例采集實驗分析中，為建立先天性心臟病心音信號的數據庫提供了有力的手段。可以看到，該系統在心音的聽診過程中，不再完全依賴醫生們的個人經驗，將使得聽診技術便于更多的醫生掌握，疾病被及時發現的幾率將會提高。 參考文獻： [1] 董承瑯，陶壽淇，陳灝珠，《實用心臟病學》，上海： 上海科技出版社 1994。 [2] 胡曉，王威廉，用PCI-6023E實現心音數據的實時采集，計算機應用，2002，22（10）：250-251。 [3] 鄧焱，王磊等編著 LabVIEW7.1測試技術與儀器應用，機械工業出版社 作者簡介： 劉 軍（1971）在讀研究生 2002年就讀云南大學信息學院通信與網絡專業 晉崇英（1972）在讀研究生 2002年就讀云南大學信息學院通信與網絡專業 王威廉 教授 云南大學信息學院