胎兒心電圖儀研製管理的論文
胎兒心電圖儀研製管理的論文
摘要：介紹了一種基於虛擬儀器的電腦胎兒心電圖系統。該系統由兩部分組成：以PIC微控制器為核心硬體的資料採集裝置和PC平臺的處理分析系統。硬體電路功耗低，直接採用埠供電。軟體平臺採用視覺化語言LabView6.1程式設計實現，由於使用其大量成熟軟體模組，大大提高了開發效率。介紹了LabView實現的匹配濾波器等演算法，並改進了匹配濾波的模板更新方法。臨床試用取得了滿意效果。
關鍵詞：虛擬儀器；胎兒心電圖；胎兒監護；匹配濾波
1前言
虛擬儀器是計算機技術與電子儀器相結合產生的一種新型儀器模組，它通常是由計算機、模組化的功能硬體與帶有資料處理、過程控制的視覺化應用軟體構成。本系統使用NI公司出品的LabView6.1圖形語言程式設計實現。LabView採用圖示代替傳統的文字程式碼實現程式設計，圖示代表的程式模組都是NI公司開發的成熟程式模組，因此，採用LabView程式設計可以大大提高系統開發效率。
胎兒監護及圍產期監護是產科中一項重要的監護措施。常用的胎兒監護方法有：超聲多普勒監護、胎心音監護和胎心電監護。其中，胎兒心電監護因其從母體腹部提取胎兒心電訊號，對母體和胎兒無創，特別是能同時觀察胎兒心電圖，其優點明顯，是目前產科常用的診斷方法。
雖然腹部心電訊號拾取方便，但是，母體腹部訊號複雜，信噪比低，特別是一般母體心電訊號比胎兒心電訊號大10-20倍，而且胎兒心電約有10％-30％與母體心電重合，形成複雜的QRS波群，並且胎兒心電的頻譜與母體心電的頻譜重疊。這些因素給胎兒心電的檢測帶來了比較大的困難。學者們探索了一系列的訊號處理方法解決這個問題，包括：匹配濾波法[1]、自適應濾波法[2]等。本系統採用比較常用的匹配濾波法。
2系統的實現
2.1系統概要
本系統由硬體資料採集器和普通PC機兩部分組成，透過RS-232口連線。PC機上的應用程式採用圖形化程式語言LabView6.1實現。硬體資料採集器取樣獲得的資料以序列通訊的方式傳送給PC機，PC機上的軟體透過RS-232介面模組讀入波形資料，並送預處理模組，工頻陷波和抑制基線漂移後，進行匹配濾波去除母親心電的干擾，最終在顯示器上顯示胎兒心電訊號的波形。另外，PC機也可以序列通訊方式控制硬體資料採集器的工作狀態，如調整增益、時間常數等。
2.2硬體訊號採集系統
系統硬體由前置放大、工頻陷波、主放大器、微控制器系統等幾部分組成。前置放大器將導聯傳人的訊號適當放大後，送工頻陷波器陷波，以防止可能出現的過強工頻干擾阻塞系統放大通道。隨後，訊號經過主放大器和末級放大器幾萬倍放大之後，微控制器控制的A／D對其進行400×12bits／s取樣，資料經RS-232介面送PC機處理。硬體部分是PIC微控制器控制的高精度心電訊號採集系統。該系統內部採用12位高精度序列輸出A／D轉換器AD7895。取樣得到的資料透過
微控制器處理後將按照下面的幀格式透過串列埠發給PC機。系統取樣率為400Hz，資料傳輸速率為19.2kbps。該系統以低功耗為主要設計思想，其工作電流小於3mA，可以採用串列埠供電[3]，無須外接電源。
其中，12個X表示12位A／D取樣得到的資料；00、11為標誌位，00代表高6位，11代表低6位。另外，硬體部分也接收PC機的控制字。
2.3軟體部分
軟體部分分為RS-232介面模組、訊號預處理、匹配濾波演算法3部分，其中匹配濾波又包括相關檢測和波形對消2個部分。
2.3.1RS-232介面模組
(1)串列埠供電。由於硬體資料採集器工作電流比較小，本系統使用RS-232中空閒的握手訊號線製成電源，使其工作因此，在主程式開啟串列埠讀人資料前，必須對硬體資料採集器加電，使其處於工作狀態。在LabView中採用SerialLineCtrl.Vi模組，將RTS和DTR置相應電子；(2)串列埠讀寫。由於硬體資料採集器在整個工作期間，以19.2kbps的速率連續向外傳送資料，為了資料處理方便，採用了SerialReadWithTime-outFT.vi模組，以保證每次從串列埠快取中讀出等量偶數個數據。用SerialPortWrite.vi模組傳送控制字給硬體模組。控制字的傳送採用了LabView6.1中新增的事件驅動[4]功能。
2.3.2訊號預處理
主要功能是濾除工頻干擾和抑制基線漂移。
由於硬體系統採用串列埠供電，採集的訊號中常混入50Hz的工頻干擾，必須加以抑制。抑制工頻干擾的方法可以從硬體和軟體2個方面來實現。在硬體方面，工頻干擾是一種共模訊號，可以設計高質量的前置放大器和良好的遮蔽以及優秀的電源模組減弱工頻干擾對系統的影響。在軟體方面，使用50Hz的數字陷波的方法。本系統的數字陷波器採用Lab-View6.1SignalProcessingToolbox中的Equi-RippleBand-StopPtByPt.vi控制元件實現。
基線漂移的原因有多種，其中由於運動造成體表電極與皮膚之間細微的滑動和硬體電子元件熱效應造成引數變化是主要原因。本系統採用非線性高通濾波的方法抑制基線漂移。具體方法是將腹部電訊號透過中值濾波得到基線訊號，並與原腹部訊號相減。本系統採用的是MedianFilterPtByPt.vi控制元件。顯示了實際處理效果，A為原始腹部訊號；B為經過中值濾波後的基線訊號;C為抑制基線漂移後的腹部訊號。
2.4匹配濾波演算法
2.4.1資料佇列的.生成
佇列是一種常用的資料結構，本系統使用這種資料結構進行匹配濾波。但是LabView6.1已有的佇列控制元件queue，並不能滿足使用要求，必須重新建立一個。這裡採用與C語言中類似的作法，建立一個N個元素的陣列變數mainBuffer，將資料不斷從尾部移動到首部。是用LabView程式設計實現的長對為1000的雙精度浮點數佇列，與C語言實現不同之處在於佇列中資料移動的次數是1000，而不是999，這是因為LabView初始化與C語言不同所致。在LabView中，如果陣列某個單元沒有被附值，那麼，該單元不被初始化。因此，如果N=999，則第998個單元將被初始化，第999個單元因為是讀，而沒有被初始化，而致使後面的新資料輸入操作無效。
2.4.2相關檢測演算法
訊號與檢測模板的互相關運算,其中：S表不經過抑制基線操移和去除工頻干擾的腹部電訊號；T表示系統內部的檢測模板。經過互相關運算後就可以進行R峰檢測了。互相關運算採用SignalProcessingToolbox中的ColssCorrelation.vi控制元件。
R峰檢測實際上是對互相關運算的結果進行峰值檢測，以求得母親心電R峰的精確位置。用LabView系統自帶的峰值檢測控制元件ThresholdPeakDeicerPtByPt.vi進行檢測。
2.4.3波形對消演算法
波形對消演算法的基本思想是把當前母親心電QRS波群與先前求得的QRS波群模板進行加權平均，計算出新的QRS波群模板，並與當前QRS波群相減，濾除母親心電。臨床實驗獨立於主程式之外的定時中斷服務子程式完成顯示功能，程式設計思路簡單清晰、可讀性強。系統所用的24C01C操作簡單，3個管腳外，其餘管腳接地即可。
3系統軟體
系統軟體由主程式、顯示數字中斷服務子程式、功率控制中斷服務子程式、計時中斷服務子程式以及故障處理子程式組成。人眼視覺暫留時間為20ms，每位顯示時間間隔必須小於20ms。顯示中斷每次中斷間隔9ms，輪流切換顯示3位LED，每位數字的顯示時間間隔為18ms(<20ms)，可以達到穩定的視覺效果。計時中斷服務子程式包括正計時和倒計時，其中倒計時又分為以min為單位計時和以s為單位計時。故障處理子程式完成的功能是關閉系統中斷、關閉加熱輸出、根據取樣溫度判斷並顯示故障的型別(短路、斷路以及溫度超標)、發出報警以及等待使用者確認故障資訊後程序自動復位等功能。為了程式設計方便，本系統具體編制了按鍵檢測確認子程式、從D轉換子程式、電壓＼溫度轉換子程式、讀EEPROM以及寫EEPROM等子程式。
4結束語
自動煎藥機目前以其突出的優越性受到了各大醫院與製藥廠家的歡迎，當然它也存在一些需要解決的問題，即：如何解決先煎、後下問題，增加濃縮功能等。這些問題有待於在進一步的實踐中不斷完善。過程中發現傳統的模板更新方法[1]對母親心電QRS波群變化的跟蹤能力不強，某些情況下不能徹底濾除母親心電QRS波群，本系統改進了該方法。系統初始化時建立一個容量為N的模板庫，將檢測到的母親心電QRS波群存入該庫中，替換最初入庫的母親心電QRS波群，即構建一個母親心電QRS波群佇列，隨後按照新高舊低的優先順序原則進行加權平均。各母親心電QRS波群的權係數。
用訊號流圖的形式表示該演算法。展示了系統對腹部電訊號進行匹配濾波處理後的效果，A為從腹部提取的電訊號；B為改進模板更新方法後的胎兒心電訊號；C為採用傳統模板更新方法的胎兒心電訊號，*表示母親心電的殘餘。
5結論
本系統硬體無須另配電源，系統結構更簡單。軟體採用LabView6.1進行圖形化程式設計，直接使用NI公司提供的多種成熟的軟體模組，因而大大節省系統開發時間和成本。本系統具有訊號基線校正功能，改進了傳統匹配濾波模板更新的方法，經過近20例臨床測試，均取得良好效果。本系統在胎兒心電波群的識別上仍有改進的空間。