基于LabVIEW的心电信号采集系统

摘要：设计了一套基于LabVIEW的心电信号采集系统，实现心电信号实时在线采集。设计系统是由硬件部分和虚拟仪器VI两部分构成。硬件部分包括电极、心电图机、NI ELVIS、数据采集卡和计算机5个部分；虚拟仪器VI的前面板对应着一台实际仪器的面板，实现的是对仪表的控制和信号表达功能；程序框图是程序的图形化源代码，实现数据采集卡对信号的模／数转换，信号的分析显示。实验室测试表明，基于LabVIEW的心电信号采集系统能够实现心电信号的动态实时显示。
关键词：LabVIEW软件；PCI6251；虚拟仪器VI；心电采集

    心电信号是人体生物电活动信息的表征，通过心电信号可以判断人体的健康状况。心电研究一直是医学领域的一个重要课题，心电图是心血管等疾病临床检查诊断的重要方法。心电信号主要频率范围为0．05～100 Hz，幅度约为0～4 mV，信号十分微弱。
    传统的心电记录方法主要靠心电图机来完成，其信号采集、处理和显示主要由硬件电路完成，电路生产技术要求较高，设备价格较贵，且维护和更新不便。
    基于LabVIEW的心电信号采集系统，除了能实现传统心电图机的采集功能外，还可通过编程可使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能等；仪器面板布置简捷，设计灵活。
    本设计系统采用的是编程软件系统LabVIEW 8．2和数据采集卡PCI6251，构建了心电数据的实时采集系统。

1 心电信号采集系统的实现
    设计系统是由硬件部分和虚拟仪器VI两部分构成。系统方框图如图1所示。

1．1 心电信号采集系统的硬件部分
    心电信号的硬件部分包括5个部分：电极、心电图机、NIELVIS(虚拟仪器技术教学和实验室套件)、数据采集卡和计算机。在使用标准的导联方式下，心电图机采集人体心电信号，并进行一系列的预处理，包括放大信号和滤除干扰，然后把信号送入数据采集卡，以供计算机的下一步处理。

1．2 心电信号采集系统的虚拟仪器VI
    虚拟仪器VI包括前面板和与之相对应的程序框图。前面板对应着一台实际仪器的面板，实现的是对仪表的控制和信号表达功能；程序框图是程序的图形化源代码，实现数据采集卡对信号的模／数转换，信号的处理显示等。其具体的程序流程图如图2所示。

1．2．1 心电信号采集系统VI的前面板设计
    软件前面板对应的是一台实际仪器的面板，实现的是对仪表的控制和信号表达功能，设计包含了波形显示、采样时间、扫描率和停止按钮等。心电信号采集系统VI的前面板如图3所示。

    心电实时显示图用来动态地显示采集的心电信号的变化情况。其横坐标为时间，设置显示2 s，可以显示一个完整的心动周期；纵坐标对应的是幅值，单位为毫伏。
1．2．2 心电信号采集系统VI的程序框图
    程序框图是程序的图形化源代码，可以实现数据采集卡对信号的模／数转换，信号的处理显示。
    LabVIEW是通过利用数据采集助手(DAQmx)节点来控制DAQmx设备完成数据采集的，拖出DAQ Assist子模板，并完成设备和通道的选择，以及相关属性设定。然后在DAQAssistant对应的引脚上添加了扫描率、采样数、停止按钮、以及一次采样的周期。
    DAQ Assistant的数据输出引脚data连接心电实时显示模块，这样就可以把经数据采集板卡PCI6251处理的心电信号在心电实时显示波形图中显示出心电信号波形。
    添加while循环框，把整个设计的模块框住，使得心电信号的采集在完成一次采集周期后再继续下一次采样周期，以实现连续心电信号采集的目的，达到动态、实时显示心电信号的效果。心电信号采集系统VI的程序框图如图4所示。

2 心电信号采集系统的测试
    按图1连接实验设备。心电图机的标准导联有4个电极，分别为红、黄、绿、黑，把它们分别接到右手、左手、左脚和右脚的各个腕部。心电图机的CRO接口分别接到NI ELVIS面板的模拟信号输入端的ACHO+端和ACHO-端。NI ELVIS输出与内插在PC机的数据采集卡相连。
    选择心电图机的各种按键，打开心电图机和NI EIVIS。在数据采集的软件部分，要设定前面板扫描率为250 Hz，采样数为500。右击心电实时显示波形图的属性，将横坐标改为0～2 s，以使采集的波形多于一个周期；纵坐标为幅值，单位毫伏。检查无误后，点击运行，可以看到在心电实时显示波形图中有不断变化的心电信号，这就是基于LabVIEW的心电信号采集系统在进行连续的采集任务，并在心电实时显示波形图中动态地显示出来了。同时前面板的采集时间也实时地显示了一个周期的采集任务进行的时间。为方便看到采集的波形图，点击前面板的停止按钮，系统暂停采集任务，采集到的波形如图5所示。

3 结论
    基于LabVIEW的心电信号采集系统，除了能实现传统心电图机的采集功能外，还可通过编程可使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能等；仪器面板布置简捷，设计灵活。采用LabVIEW编程软件和数据采集卡PCI6251，构建了心电数据的实时采集系统，实现心电信号的动态实时显示。其中在程序框图VI上增加心率计算模块，完成R波的提取和心率显示，有待进一步地研究。