摘要：研制一種功能強大、成本低的心電遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可實現遠程醫(yī)療心臟病患者。該系統(tǒng)前端采用FPGA控制，采集和存儲人體的心電(ECG)信號，通過串口將心電數據傳入計算機，并在LabVIEW軟件平臺下實現心電信號的顯示和遠程傳輸系統(tǒng)。其中大部分功能是由軟件設計實現，以便于后續(xù)功能擴展。實驗結果達到預期目標。該系統(tǒng)可廣泛用于醫(yī)院、社區(qū)、家庭、戶外監(jiān)護，幫助醫(yī)生及時診斷病人。
關鍵詞：FPGA；心電信號；LabVIEW；DataSocket
心臟是人體血液循環(huán)的動力裝置，心臟波動是生命存在的標志，心臟節(jié)律是人體生理狀態(tài)的重要標志。當今心血管疾病已成為發(fā)病率極高的常見病之一，極大威脅人們的生命。設計一種性能可靠、價格低廉、體積較小的心電采集與遠程傳輸系統(tǒng)對心血管疾病的檢測和預防具有重要意義。本系統(tǒng)采用FPGA實現心電信號采集的硬件系統(tǒng)，采用LabVIEW開發(fā)平臺實現對心電信號的處理，包括利用DataSocket技術實現遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將心電監(jiān)測從病床、醫(yī)院擴展到社區(qū)、家庭實施遠程監(jiān)護，對于解決醫(yī)療資源分布不平衡、減少病人轉診費用支出和勞累之苦等都具有重要意義。
1 系統(tǒng)的構成
整個系統(tǒng)由心電信號采集、心電信號串口傳輸、心電信號處理等3部分構成。其結構框圖如圖l所示。前端硬件設計首先采集心電信號，通過串口將該心電信號傳入計算機，然后在LabVIEW軟件系統(tǒng)下對其處理。
1．1 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)硬件是指由FPGA控制心電信號的采集、片外存儲，以及串口傳輸模塊，前端采用標準導聯采集人體的心電信號，通過電路板的信號調理電路后送入A／D轉換器，利用硬件描述語言(VHDL)在FPGA中設計A／D采樣控制器，片外存儲(SRAM)控制器和串口通信控制器分別控制信號通過A／D轉換，存儲到片外SRAM中并通過串口傳入計算機，存儲到片外SRAM中，以便在網絡臨時出現故障一次未發(fā)送成功的情況下，重新發(fā)送數據。圖2為該系統(tǒng)硬件結構框圖。
獲取心電圖的方法是依靠與肢體接觸的電極，稱為“導聯”。本系統(tǒng)通過前端電極、引入人體標準導聯心電信號，對心電信號進行必要的放大和去除干擾。而同時引入的心電信號要經信號調理電路放大和濾波后才能對其A／D轉換，信號調理電路如圖3所示。其中右腿驅動技術對抑制交流信號干擾效果較好。前置放大器放大輸入電路微弱的(變化緩慢的)心電信號，同時將干擾信號降至最低。系統(tǒng)設計的通帶頻率為
0．05～100 Hz的帶通濾波電路，將心電信號的有用成分從采集到的信號中分離出。輸出放大器將進一步放大心電信號，這樣可使信號調理電路輸出的心電信號滿足本系統(tǒng)采用的A／D轉換模塊的刻度范圍。由于心電信號易受市電50 Hz工頻干擾，因此這里采用陷波電路，即帶阻濾波器，濾除干擾。最后將處理后的心電信號送入A／D轉換器的輸入端。本系統(tǒng)設計的心電信號采集板為單通道采集板，適用于眾多心臟疾病患者。
1．2 LabVIEW軟件系統(tǒng)
LabVIEW是NI公司推出的專業(yè)測試軟件開發(fā)平臺，其特點是圖形化編程環(huán)境，軟件設計和功能設計相互獨立，網絡功能強大，支持多種常用網絡協(xié)議，開放性強等。LabVIEW軟件是圖形化編程環(huán)境的引領者，使用該軟件進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)，可大大提高丁作效率。
1．2．1 串口通信
虛擬儀器軟件結構體系VISA (Virtual Instrument Software Architecture)實質上是I／O接口軟件庫及其規(guī)范的總稱，是VXIplug&play體系聯盟統(tǒng)一采用的標準。VISA是在LabVIEW開發(fā)平臺上控制VXI、GPIB、RS232、PXI、PCI以及其他種類儀器的單接口程序庫，是對其他總線驅動函數進行的一個統(tǒng)一封裝的高級API，通過VISA可直接訪問測試硬件設備。
LabVIEW中用于串口通信的節(jié)點實際上是VISA節(jié)點，VISA節(jié)點單獨組成一個子選板，包括8個節(jié)點，位于函數選板→“數據通信”→“協(xié)議”→“串口”子選板中，實現串口的配置、讀寫、串口中斷、設置I／O緩沖區(qū)大小、清空I／O緩沖區(qū)等操作。但需注意的是在使用串口前，應安裝VISA驅動軟件。
1．2．2 心電波形的顯示和存儲
波形顯示是指將接收到的心電數據繪制連續(xù)波形，以供專家分析。LabVlEW中基本的圖形顯示控件都位于Controls→ALL Controls→Gra-ph子模板上。Graph和Chart是LabVIEW圖形顯示功能中的2種最基本元素。這2個元素都可稱為“圖”，但是在LabVIEW中它們卻有很大差別。一般來說，Chaa稱為“記錄圖”，它是將數據在坐標系中實時、逐點(或一次多個點)顯示，反映被測物理量的變化趨勢，與傳統(tǒng)的模擬示波器、波形記錄儀的顯示方式相仿。Graph則是對已采集數據進行事后處理，在先得到所有需要顯示的數據，然后根據實際要求將這些數據組織成所需的圖形。并一次性顯示閣。因此本系統(tǒng)選用Chart實時顯示，Graph波形回放。
采用信號的時間和瞬態(tài)特性測量Express VI測量信號的周期和頻率。使用寫入測量文件可將數據存放在文本文件中，需要回放時，使用讀取測量文件回放數據。這樣可實現心電信號的實時顯示、存儲、回放、打印等功能，還可進一步建立數據庫。測試界面如圖4所示。
1．2．3 心率計算及報警
LabVlEW具有較為強大的信號處理能力，由于心率測量反映心率的快慢，因此實時準確的心率檢測在病人監(jiān)控、臨床治療等方面具有廣泛應用。
本系統(tǒng)首先將心電信號轉換為同周期的方波信號，通過求解方波信號的周期獲得心電信號的周期。即利用LabVIEW提供的數組功能模塊檢索心電信號中相鄰2個采樣點的數據，將其相減后乘以采樣頻率，這樣就轉換成導數值構成的數組。設置閾值并與數組內導數相比較；若大于閾值則輸出高電平；反之，則輸出低電平，從而得到一系列方波，這樣就可測出R波，2個相鄰R波間的時間為心率周期，再將其轉換為每分鐘的心跳數。通常人的心率在50～150次／min，因此，可設置心率的上下限，當心率超過該范圍時，指示燈點亮，表示病人有生命危險。
1．2．4 心電信號的遠程傳輸
LabVIEW可提供TCP、瀏覽器、RDA和DataSockel等通信方式。其中，DataSocket是NI公司推出的一項基于TCP／IP協(xié)議的新技術，該技術是面向測量和網上實時高速數據交換，用于一個計算機內或者網絡中多個應用程序之間數據交換。雖然目前已有TCP／IP、DDE多種用于兩個應用程序之間按共享數據的技術，但是這些技術都不是用于實時數據(Live Data)傳輸的。只有DataSocket是一項在測量和自動化應用中用于共享和發(fā)布實時數據的技術。
DataSocket實現的是數據通信，而將復雜的數據處理及顯示留給客戶端自行完成，網絡只負責傳遞數據(包括控制命令)，最后形成測試系統(tǒng)是一個C／S模式的系統(tǒng)。這樣網絡資源消耗少，通信速度快，適合實時性要求高、數據量比較大的遠程測控。
DataSocket的工作方式如圖5所示。DataSocket Publisher和Datasocket Subscliber是DataSockel Server的客戶端，通過DataSocket Servert進行數據共享和交換，三者可運行在同一臺機器或3臺單獨機器上(視具體情況而定)。將服務器與發(fā)布器和訂閱器分離，以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
DataSocket基本體系由協(xié)同工作的3個部分構成：服務器管理(DataSocket Server Manager)、服務器端(DataSocket Server)和客戶端(DataSocket API)。同時還包括Dstp(DataSocket Transfer Protocol)協(xié)議、通用資源定位符URL(Uniform Resour DataSocket Servet Managerce Locator)和文件格式等規(guī)程。
DataSocket對外提供的資源定位接口和功能調用接口，通過URL方式訪問服務器中的數據項，讀數據時為源地址，寫地址是為宿地址。在URL中表明數據的傳輸協(xié)議、網絡計算機標志和數據緩沖區(qū)變量，如圖6所示。
DataSoeket支持多種數據傳輸協(xié)議，不同的URL前綴表示了不同的協(xié)議或數據類型。如“dstp：／／HYY／data”，其中HYY為服務器名稱，data為數據項的名稱。由此可見，DataSocket簡化了應用程序之間、計算機之間的網絡數據傳輸，簡化程序通信，提高編程效率。
2 系統(tǒng)應用及注意事項
該系統(tǒng)可應用于醫(yī)院內外的心臟病人，系統(tǒng)硬件電路模塊通過串口與PC機或便攜式計算機相連，顯示、存儲、分析、打印和遠程傳輸心電數據，醫(yī)生根據傳輸的心電數據及時診斷心臟病人的病情。而軟件設計部分實現遠程傳輸時應注意：數據傳輸之前要分別在服務器與客戶機上啟動DataSocket Server．建立連接，規(guī)定URL和控件連接方式，進而發(fā)送和讀取數據。
3 結束語
本系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的心電監(jiān)測系統(tǒng)之處在于采用軟件編程實現心電監(jiān)測系統(tǒng)功能，以便于系統(tǒng)功能擴展。經實驗測試，數據顯示和遠程通信未出現失真，達到了預期效果。利用DataSocket通信技術實現心電數據的遠程通信，網絡資源利用率高，傳輸數據量大，并且在服務器處理能力足夠強的情況下，可服務多個被監(jiān)測病人。被監(jiān)測病人可位于醫(yī)院或醫(yī)院外(比如家庭、辦公室、戶外等)，只要有PC機或便攜式計算機及網絡都可實現心電實時監(jiān)測?？梢?，該系統(tǒng)具有強大功能和低成本的特點為眾多心臟病患者提供方便，增強醫(yī)療服務系統(tǒng)，具有較高的社會使用價值和市場前景。