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XXXXXXXXXXXXXX文献综述1心电信号采集系统的设计－信号处理部分XXX（XXXXXX电子•测控系，重庆）摘要心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。因此，心电信号采集系统在心脏病的诊断方面有着重要的意义。本文综述了心电信号的形成机理，心电信号特性，心电采集系统-信号处理部分软件的实现。关键词心电信号采集系统信号处理AbstractHeartdiseasehasbecometheoneofmajordisease，whichdoesharmtohumanhealth．Therefore，Thispaperreviewstheformationmechanismofecgsignal,Ecgsignalcharacteristics，Ecgacquisitionsystem-signalprocessingsoftwarerealizationPartKeywordsECGAcquisitionSystemSoftwareprocessing1引言从1903年Einthvoven第一次记录下人体的心电图至今已有近百年。随着计算机技术的发展,各种心电图(ECG)监视系统不断涌现。如现在临床上广泛使用的Holter[1]分析系统,便携式智能实时心电监视系统等。所有这些应用都必须对心电信号进行处理,才能进行准确的分析判断。实现信号处理主要有：LabVIEW图形化软件，VisualBasic，VC++等。应用这些软件对心电信号进行分析，处理，存储与显示。2心电信号的形成机理与特性人体的心电信号是一种低频率的微弱电信号[2]，常规心电信号是mV量级信号，幅度约为10uV～5mV，频率范围为O.05～150Hz，其主要能量成分集中在0.05～100Hz。2.1心电信号的形成[3]（1）心肌细胞的动作电位①心肌细胞除极和复极的电生理现象,②极化状态(polarised):静息电位(restingpotential),③动作电位(actionpotential,AP):除极(depolarisation)和复极(repolarisation)（2）电兴奋的传导(conductionorspreadofelectricalexcitation)[4]①窦房结:心脏的起搏兴奋点,其细胞自发产生50-100次/分的可传导AP,②心房的传导:心房传导束--右心房--左心房③传导系统的传播:房室束--希氏束--左、右分支--普金野（Purkinje）纤维网-心室肌XXXXXXXXXXXXXX文献综述2电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋（3）心电图(electrocardiogram,ECG)的产生①电流源：每个心肌细胞的除极和复极过程等效于一个偶极子层（dipolelayer）②容积导体(volumeconductor):人体组织是导电的，看作是一个容积导体，③心电向量:所有心肌细胞的偶极子场的向量和④心电图：所有心肌细胞的偶极子场在容积导体内产生电场，从而有电位差产生，即心电图。2.2心电信号的特性如图2.1所示的正常心电图由一系列波群组成，各段波群反映不同阶段的心电信号变化，由于QRS波变化比较集中，所以给出了分解图[5]。下面对每个波形点作详细的介绍：图2.1典型的心电信号(1)P波：最初产生的偏离的波被命名为P波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极。(2)QRS波群：心室的激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化。正常间隔0.08-O.12秒。典型的QRS波群是指三个紧密相连的波；第一个向下的波为Q波，这波不一定总是出现。QRS波的第一个向上的波为R波，继R波后第一个向下的波为S波，发生在S波后的向上的波称为R’。QRS是广义的代表心室肌的除极波，并不是每一个QRS波群都具有Q、R、S三个波，一个单相的负QRS复合波被称为QS波[6]。(3)PR间期：从P波开始到QRS复合波开始，它代表心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限。正常间期是O．12-2．O秒，测量是从P波的起点到QRS复合波的起点，不管初始波是Q波还是R波。它是房室传导时间的一种度量，由于这个原因，它在临床诊断上很有用。基线是由波的TP段建立的(T波末端到下一个P波开始)。(4)ST段：是在QRS波群以后，T波以前的一段平线。代表左、右心室全部除极完毕到复极开XXXXXXXXXXXXXX文献综述3始以前的一段时间。该段在确定病理学上比如心肌梗塞(升高)和局部缺血(降低)上是很重要的。在正常情况下，它用作测量其它波形幅度的等电势线。(5)T波：代表心室肌复极过程引起的电位变化。(6)QT间期：代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。QT间期代表体现了心室肌肉激活间期和恢复。这个持续时间和心率的变化相反。但通常不采用QT，而采用修正QT，称为QTC：QTC=QT+1.75(心室率-60)。体表心电图反映的是心电信号的时域特性，经分析可以看出ECG信号的特征段的分界处是波形上的拐点[6]。3LabVIEW在心电信号处理中的应用3.1虚拟仪器应用于生物信号检测的意义[7]生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的影响，使得信号的处理是复杂和困难的。应用计算机分析生物电信号，能有效降低信号处理的复杂性和困难度。特别是应用虚拟仪器技术分析生物医学信号，将使心脏功能检查、心电监护等变得灵活高效。3.2LabVIEW软件工具的特点虚拟仪器是计算机技术与仪器技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，代表了仪器发展方向。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)[8]是美国NI公司(NationalInstrumentCompany)推出的一种基于G语言(GraphicsLanguage,图形化编程语言)虚拟仪器软件开发工具。其特点如下:(1)LabVIEW是基于图形化的软件编程平台，是应用于测控领域的专用软件开发工具。(2)采用图形化(数据流图式的语言)的编程语言，交互式编程环境，不仅人机界面使用可视化技术建立，而且程序代码也是图形化的代码，使编程过程更加接近人的思维，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。(3)采用数据流编程模式，是能够同时运行多个程序的多任务系统。(4)提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库。(5)提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独具特色的高亮执行和探针工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。(6)32bit的编译器编译运行32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。(7)内置TPCI,DAQ,GPIB,PXI,VXI,RS-232和RS-485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，支持数据采集卡和GPIB,穿口设备、VXI仪器、PLC、工业现场总线。XXXXXXXXXXXXXX文献综述4(8)具有强大的外部接口能力，可以实现LabVIEW与外部的应用软件(如Word,Excel等)、C语言、WindowsAPI,MATLAB等编程语言之间的通信。可用的外部接口诸如DLLs(动态链接库)、CIN代码调用、DDE(共享库)、MATLAB,ActiveX等。(9)强大的Internet功能，内置T便于应用TCPIIP,DDE,ActiveX等软件标准的库函数。支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发[9]。(10)LabVIEW支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发LabVIEW应用程序可直接移植到其他平台上。LabVIEW增强了用户构件自己系统的能力，为用户提供了实现仪器编程与数据采集系统的便捷途径。使用LabVIEW进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统，可以大大缩短系统的开发时间，提高生产效率高达4-10倍。因此，基于labV工EW的医学信号采集系统具有开发周期短，可扩展性强，操作简单,界面友好,使用灵活等特点。4VisualBasic6.0用于心电信号处理4.1VisualBasic6.0语言特点VisualBasic6.0简称为VB6.0，是微软公司于1998年推出的可视化编程工具MSDN之一，是目前世界上使用最广泛的程序开发工具之一。结构简单，编写程序对系统的资源占有极低，是程序编写者编写小型程序的第一选择，即便是对编程一无所知，而又迫切希望掌握一种快捷实用的编程语言的初学者，那就选择VB6.0。尽管考虑到VB程序本身编译和运行效率较低的不足，但是它的快捷的开发速度，简单易学的语法，体贴便利的开发环境，它仍不失一款优秀的编程工具，是初学者的首选。其语言特点如下：易学易用的集成开发环境：VisualBasic6.0为用户设计界面、编写代码、调试程序、编译程序、制作应用程序安装盘等提供了友好的集成开发环境。可视化的设计平台：在使用传统的程序设计语言编程时，一般需要通过编写程序来设计应用程序的界面（如界面的外观和位置等），在设计过程中看不见界面的实际效果。而在VisualBasic6.0中，采用面向对象程序设计方Object-OrientedProgramming）[11]，把程序和数据封装起来作为一个对象，每个对象都是可视的。开发人员在界面设计时，可以直接用VisualBasic6.0的工具箱在屏幕上画出窗口、菜单、命令按键等不同类型的对象，并为每个对象设置属性。开发人员要做的仅仅是对要完成事件过程的对象进行编写代码，程序设计的效率可大大提高。事件驱动的编程机制：面向过程的程序是由一个主程序和若干个子程序及函数组成的。程序运行时总是先从主程序开始，由主程序调用子程序和函数，开发人员在编程时必须事先确定整个XXXXXXXXXXXXXX文献综述5程序的执行顺序。而VB6.0事件驱动的编程是针对用户触发某个对象的相关事件进行编码，每个事件都可以驱动一段程序的运行。开发人员只要编写响应用户动作的代码。这样的应用程序代码精简，比较容易编写与维护。结构化的程序设计语言：VisualBasic6.0具有丰富的数据类型和众多的内部函数。其采用模块化和结构化程序设计语言，结构清晰，语法简单，容易学习。4.2VisualBasic6.0中的MSComm串口控件串行通信控件MSComm全称为MicrosoftCommunicationsControl[10]，是微软公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它既可以用来提供简单的串行端口通信功能，也可以用来创建功能完备的、事件驱动的高级通信工具。利用VB开发串口通信程序主要有两种方法：一是使用MSComm串口控件，二是调用WindowsAPI函数。在实践中，使用VB串口控件MSComm实现通信的方法比调用API函数的方法更加方便、快捷，而且用较少的代码可以实现相同的功能，从而使编程效率大大提高。使用MSComm控件进行串口编程时使用它可以建立与串行端口的连接，通过串行端口连接单片机串口，发出命令，交换数据，响应串行连接中发生的事件。5总结心电采集系统信号处理部分用VB6.0处理直接用其串口控件就可以是实现数据传送，而虚拟仪器需要数据采集卡采集数据。从长远看，虚拟仪器是电子技术和计算机技术相结合的产物，它是现代仪器仪表设计的高效率解决方案。LabVIEW应用在生物信号数据采集及处理系统之中会越来越多，随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术必将会在测试领域发挥越来越重要的作用。XXXXXXXXXXXXXX文献综述6参考文献：[1]余学飞.医学电子仪器原理与设计[M].华南理工大学出版社.2000年3月[2]卢喜烈.12导同步心电图图谱[M].北京科学技术文献出版社2001.1-5[3]JiapuandTompkinsWJ.Areal-timeQRSdetectionalgorithm[J].IEEEBME.2005.3