基于 Labview 的远程心电分析监护仪 ——— 南京邮电大学

程旭煌 张健 迮天怡 袁华超

一、设计概述（应用背景、应用价值等）

•应用背景：心血管疾病逐渐增多 ,采取抢救措施可以避免死亡。通过 LABVIEW进行实时监护，是挽救患者生命的重要措施

•应用价值：本项目针对这些问题 , 设计一种远程心电监护仪 ,传输数据到 PC端，通过 LABVIEW显示，并通过设计信号分析，能更加方便和高效的监测病人的实时状况。

整个系统的特点

功耗低1

体积小便于携带2

操作简单、界面清新3

可更改和优化性强4

成本低便于普及5

二、系统方案

心电信号的采集

心电信号的实时显示

总体设计图

无线传输模块

总体设计图心电信号采集 信号调理放大 滤波处理

心电信号输出

IRIS 无线PC 机

数据库LabSQL

显示Labview

示意图

为使心电测试系统简便可行，这里采用三导联右腿驱动。使用长为 1m 的三芯屏蔽线。在导线一端配上与心电极贴片匹配的摁钮，这样即可方便地进行心电极贴片的更换，又能满足接触卫生和仪器精度的要求。

电极的选择对信号的采集是非常重要的一个环节，应选择灵敏度高、电极失调电位低、电极噪声低和电极极化效应低的电极片。综合考虑，本实验选用一次性氯化银电极片，以保证信号的完整采集，

电极选择与贴片方案设计

贴片位置

心电信号是微弱的生物电信号，具有以下基本特点，设计的电路应满足相应要求：

• 心电信号十分微弱，只有1mV左右，不能直接供 A/D进行采样，所以要求心电信号放大倍数足够高，本文设计放大倍数余约为3000倍。

• 心电信号频谱范围一般为0.05Hz-100Hz ，频谱能量主要集中在1Hz-50Hz 之间，所以需要设计高通滤波器滤除低频噪声，设计低通滤波器来滤除高频干扰，并设计抗50Hz 工频高扰电路，得出可靠的具有诊断价值的信号。

• 心电信号源为人体，人体源阻抗比较大，所以设计要有足够高的放大输入阻抗，否则会造成信号低频分量幅度减少，从而造成低频失真。

• 心电信号容易受到电子线路噪声的影响，如固有噪声和散粒噪声，所以为了获得尽可能高的信噪比，选择的元器件，尤其放大器应尽量为低噪声元件，以降低噪声。

心电信号的采集

右腿驱动

输入信号

输入缓冲电路

前置放大电路

高通滤波电路

后级放大电路

低通滤波电路

50Hz

陷波

输出保护电路

心电采集模块总体电路原理图

前置放大器主要解决人机接口问题1 、高输入阻抗。被提取的心电信号是内阻高而不稳定的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。2 、高共模抑制比 CMRR 。人体所携带的工频干扰以及所测参数以及生理作用的干扰均为共模干扰，故前置级需采用共模抑制比高的差动放大形式。3 、低噪声、低漂移，应对信号源影响小，输出稳定。4 、右腿体表驱动电路是克服 50Hz 共模干扰、提高共模抑制比而专门设计的。

前置放大电路是整个信号放大最关键的环节，关系到整个采集部分的工作性能。采集心电信号时，会受到各种噪声的干扰，本系统前置放大电路设计如

图 1.2所示，增益为：

　　　1

100 1001 1 9.7

11.4G

k kG

R k

前置放大电路

　　模拟滤波器和前置放大电路一样，在整个节点设计中占有十分重要的地位，直接影响最后心电采集的结果。本实验的完整滤波电路如图1.3 所示。

高通、低通、全通滤波电路

高通滤波电路

后级放大电路原理图后级放大电路为主放大电路，主放大电路如图所示，放大器采用OPA2335 放大器，为满足 AD采样需求，整个电路放大倍数约为3000倍，而前置放大部分已对信号放大了约10倍，因此后级主放大电路放大倍数可设为300倍左右。

右腿驱动电路原理

　　在心电电极和电子线路之间由于有电容耦合的存在，会产生耦合电流从人体流经地，对人体产生危害，需要设计右腿驱动电路保护病人，同时右腿驱动电路对 50Hz 工频干扰有很好的抑制作用。　　右腿驱动电路的工作原理是将人体体表获得的共模电压通过负反馈放大的方式输回人体，从而达到抵消共模干扰的作用，从根本上抑制共模电压，右腿驱动电路中采用 Analog Devices 公司的 OPA2335 ，其内置了两个高精度低噪声的运算放大器 [33] 。右腿驱动电路如图 3.8 所示， AD623 放大电路中 R24 和 R25 检测人体的共模电压，送入右腿驱动放大器， U1A 作为射级跟随器，充当缓冲作用， U1B 作为辅助放大器，信号通过反相放大后反馈到右腿电极。右腿电极没有与放大器直接相连，而是流到运放输出端，减小了共模电压对前置放大器的影响。当病人和地之间出现高电压，危及病人安全时， U1B 达到电压达到饱和等效接地， R8 起到限流保护作用。

实物展示

心电采集模块

示波器显示最终信号

数据传输传输模块

•　　　本系统设计的无线体域网终端基于美国Crossbow 公司研发的 IRIS 模块构建，可作为控制器和无线收发模块；　　　

• IRIS 模块加载了 TinyOS操作系统，该系统由一系列组件组成，组件则使用 nesC语言设计。

无线发送模块

• 无线体域网通过汇聚节点和上位机连接，汇聚节点和普通节点在硬件设计上 没有区别，它通过 51针扩展接口接插在网关上，与网关一起组成无线体域网的基站，基站实物图如图 4.6 所示，网关使用的是 Crossbow公司研发的 MIB520类型网关，该网关通过USB 与上位机通信。汇聚节点和网关组成的基站的功能主要有三点，一是通过射频模块 AT86RF230 接收无线体域网终端节点发送来的数据；二是通过USB 接口与 PC机通信，基站一方面将数据提交给 PC 机，另一方面，从 PC 机获取无线体域网需要的同步信息，并分发到网络中；三是通过基站完成本地编程和空中编程。

无线接收模块

　　　 IRIS 模块集成了 Atmel公司研发的ATmega128L 单片机，该单片机具有运算快、功耗低等特点，并内置 8 路 10 位模数转换器，使得外接电子元器件达到最少。具有体积小和电路简单的特点；并且，它具有超低供电电压及超低功耗的特性，很适合用于 WBAN 系统中。　　　 IRIS 模块与传感器板之间通过标准的51针扩展插口相连， IRIS 模块为传感器板提供了包括数字 I/O 、 ADC转换、时钟等接口。

Labview系统的主要组成

心电图有关常识确定心电信号

历史波形读取开始采集

多方式分析数据库读取

系统组成

系统主界面

分析法介绍

分析法

小波包变换识别

离散极值点分析法

三维 RQS分析

二阶差分阈值识别法

分析模块

心电信号分析模块程序框图

总结

整个系统可分两部分组成： 心电监测中心和无线监测分站。心电监测中心包括一台 PC机，

有线接收信号模块。监测中心基本功能包括：（ 1） Labview实时显示和接收无线监测分站采集处理的心电数

据并分类保存；（ 2）对无线监测分站进行监控；（ 3）实时显示监测的情况，保存备份。 无线监测分站包括心电信号采集电路、 IRIS无线传输模块。其

基本功能包括：（ 1）通过心电信号采集电路采集、滤波和放大心电信号；（ 2）通过无线网络，把采集的信号，传输到电脑中；（ 3）实时显示的心电数据并进行数据的特征点检测与自动诊断。（ 4）进行心电信号的相关常识连接查询；

改进与提高

• 本项目在做中，也发现了很多的不足之处，在实时报警模块中，还存在很多的医学上的盲区，导致做的不是很准确和精准，希望能与医学上这方面的专家一起来帮忙研究与指导，我们再通过软件来实现功能。

• 可扩展之处：在项目中，我发现，如果能在心电采集模块上加一个 GPS模块，可以自动对病人进行定位系统，同时也可以进行手机信号的报警，通过设定好的路径，拨打电话进行求助。

• 也可以在采集模块中加入医学上的小型电压机，在病人心电信号微弱时，进行及时的救治，使生命得到保障。