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(xiàn)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(shù)據(jù)傳入計算機,，并在LabVIEW軟件平臺下實現(xiàn)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(shè)計實現(xiàn)，以便于后續(xù)功能擴展,。實驗結(jié)果達到預(yù)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(guān)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(shè)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(yù)防具有重要意義。本系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)心電信號采集的硬件系統(tǒng),，采用LabVIEW開發(fā)平臺實現(xiàn)對心電信號的處理,，包括利用DataSocket技術(shù)實現(xiàn)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(zhuǎn)診費用支出和勞累之苦等都具有重要意義,。

1 系統(tǒng)的構(gòu)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(gòu)成,。其結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。前端硬件設(shè)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(shè)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(dǎo)聯(lián)采集人體的心電信號，通過電路板的信號調(diào)理電路后送入A／D轉(zhuǎn)換器,，利用硬件描述語言(VHDL)在FPGA中設(shè)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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)臨時出現(xiàn)故障一次未發(fā)送成功的情況下，重新發(fā)送數(shù)據(jù),。圖2為該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖,。

獲取心電圖的方法是依靠與肢體接觸的電極，稱為“導(dǎo)聯(lián)”,。本系統(tǒng)通過前端電極,、引入人體標準導(dǎo)聯(lián)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(jīng)信號調(diào)理電路放大和濾波后才能對其A／D轉(zhuǎn)換，信號調(diào)理電路如圖3所示,。其中右腿驅(qū)動技術(shù)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(shè)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(diào)理電路輸出的心電信號滿足本系統(tǒng)采用的A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輸入端,。本系統(tǒng)設(shè)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(shè)計和功能設(shè)計相互獨立，網(wǎng)絡(luò)功能強大,，支持多種常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，開放性強等。LabVIEW軟件是圖形化編程環(huán)境的引領(lǐng)者，使用該軟件進行原理研究,、設(shè)計,、測試并實現(xiàn)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(jié)構(gòu)體系VISA (Virtual Instrument Software Architecture)實質(zhì)上是I／O接口軟件庫及其規(guī)范的總稱,，是VXIplug&play體系聯(lián)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(qū)動函數(shù)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(shè)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(shù)選板→“數(shù)據(jù)通信”→“協(xié)議”→“串口”子選板中,，實現(xiàn)串口的配置、讀寫,、串口中斷,、設(shè)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(yīng)安裝VISA驅(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行事后處理,，在先得到所有需要顯示的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實際要求將這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存放在文本文件中,，需要回放時，使用讀取測量文件回放數(shù)據(jù),。這樣可實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(yīng)用,。
    本系統(tǒng)首先將心電信號轉(zhuǎn)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(shù)組功能模塊檢索心電信號中相鄰2個采樣點的數(shù)據(jù),，將其相減后乘以采樣頻率，這樣就轉(zhuǎn)換成導(dǎo)數(shù)值構(gòu)成的數(shù)組,。設(shè)置閾值并與數(shù)組內(nèi)導(dǎo)數(shù)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(zhuǎn)換為每分鐘的心跳數(shù),。通常人的心率在50～150次／min,，因此，可設(shè)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(shù),，該技術(shù)是面向測量和網(wǎng)上實時高速數(shù)據(jù)交換，用于一個計算機內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)交換,。雖然目前已有TCP／IP,、DDE多種用于兩個應(yīng)用程序之間按共享數(shù)據(jù)的技術(shù)，但是這些技術(shù)都不是用于實時數(shù)據(jù)(Live Data)傳輸?shù)?。只有DataSocket是一項在測量和自動化應(yīng)用中用于共享和發(fā)布實時數(shù)據(jù)的技術(shù),。
    DataSocket實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)通信，而將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及顯示留給客戶端自行完成,，網(wǎng)絡(luò)只負責傳遞數(shù)據(jù)(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(wǎng)絡(luò)資源消耗少,，通信速度快,，適合實時性要求高、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)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(gòu)成：服務(wù)器管理(DataSocket Server Manager),、服務(wù)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(diào)用接口，通過URL方式訪問服務(wù)器中的數(shù)據(jù)項,，讀數(shù)據(jù)時為源地址,，寫地址是為宿地址。在URL中表明數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議,、網(wǎng)絡(luò)計算機標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量,，如圖6所示。

    DataSoeket支持多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,，不同的URL前綴表示了不同的協(xié)議或數(shù)據(jù)類型,。如“dstp：／／HYY／data”，其中HYY為服務(wù)器名稱,，data為數(shù)據(jù)項的名稱,。由此可見,，DataSocket簡化了應(yīng)用程序之間、計算機之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,，簡化程序通信,，提高編程效率。

2 系統(tǒng)應(yīng)用及注意事項
    該系統(tǒng)可應(yīng)用于醫(yī)院內(nèi)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(shù)據(jù)，醫(yī)生根據(jù)傳輸?shù)男碾姅?shù)據(jù)及時診斷心臟病人的病情,。而軟件設(shè)計部分實現(xiàn)遠程傳輸時應(yīng)注意：數(shù)據(jù)傳輸之前要分別在服務(wù)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(shù)據(jù),。

3 結(jié)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(xiàn)心電監(jiān)測系統(tǒng)功能,，以便于系統(tǒng)功能擴展。經(jīng)實驗測試,，數(shù)據(jù)顯示和遠程通信未出現(xiàn)失真,，達到了預(yù)期效果。利用DataSocket通信技術(shù)實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的遠程通信,，網(wǎng)絡(luò)資源利用率高,，傳輸數(shù)據(jù)量大，并且在服務(wù)器處理能力足夠強的情況下,，可服務(wù)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(wǎng)絡(luò)都可實現(xiàn)心電實時監(jiān)測?？梢姡撓到y(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(wù)系統(tǒng),，具有較高的社會使用價值和市場前景。