ＴＨＥＳＩＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＲＥＰＯＲＴ １研究论著 基于虚拟仪器的远程心电监护系统的研制 陈真诚，陈晓俐 （中南大学信息物理工程学院生物医学工程系，长沙４１００８３） 【摘要】 目的：研制一种远程心电监护系统，满足众多心脏病患者在医院之外享受医疗保健的愿望。方法：采用 ＥＣＧ１０５单通道心电板采集心电信号．并进行相应的预处理；通过串口将心电数据传入计算机，充分利用计算机强大 的信号分析处理功能．采用ＬａｂＶＩＥＷ平台研制出基于虚拟仪器的远程心电监护系统。结果：在实时显示心电波形的 同时，可对已保存的心电记录进行回放和分析．可对心率是否异常进行判断和报警，并可实现心电数据的远程传输。 结论：方便地实现了心电信号的显示、存储、回放、诊断分析以及远程通信，系统将大部分需要由传统硬件检测电路来 完成的功能改由软件来实现．便于今后的功能扩展。强大的功能及低成本为众多・心脏病患者提供了方便。 【关键词１虚拟仪器；心电监护；ＬａｂＶｌＥＷ；ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ 【中图分类号】Ｒ５４０．４１；ＴＰ２７４ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］ １００３－８８６８（２００９）０４－００１９—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＥＣＧ Ｔｅｌｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ－ｅｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ－ｌｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｂｊ．ｄｉｗ Ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａｎ ＥＣＧ ｔｅｌｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｍａｎｙ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｃａｒｄｉｏｐａｔｈｓ ｗｉｔｈ ｅｎｊｏｙｉｎｇ ｍｅｄｉｃａｌ ｃａｒｅ ｏｕｔ ｏｆ ｈｏｓｐｉｔａｌｓ．１＆ｌｈｏｄｓ Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｎ ＥＣＧ１０５ ｔｈａｔ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｒｉａｌ ｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ＇ｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｗｅｒｅ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｆｕｌｌｙ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ＥＣＧ ｔｅｌｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂｙ ＬａｂＶＩＥＷ．Ｒ啊 臼Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｏｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｊｕｄｇｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｉｓ ａｂｎｏｒｍａｌ，ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ＥＣＧ ｄａｔａ ｒｅｍｏｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．ｃａ删如 岫 Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ，ｓｔｏｒａｇｅ，ｒｅｄｉｓｐｌａｙ，ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｋｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＥＣＧ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｄｙ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｍａｎｙ ｃａｒｄｉｏｐａｔｈｓ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．【Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｊｏｕｒｎａｌ。 ２００９，３０（４）：１９—２１】 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｖｉｔｒｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ＥＣＧ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＬａｂＶｌＥＷ：ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ １ 引言 ２系统的构成 虚拟仪器主要由硬件和软件两部分组成，包括３个功能 模块：数据采集、数据测试分析和结果输出，其结构框图如图 １所示。 数据采集卡 并行口，串行口 ＧＰＩＢ总线 Ｖｘｌ总线 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 心电信号的处理变得更加困难。应用计算机分析心电信号， 能有效降低信号处理的复杂性和困难度，同时可以方便地实 现监测数据的远程传输，从而实现心电的远程监护。 虚拟仪器是基于微机的新一代测控仪器，它是由用户自 己定义，自由地组合计算机平台、硬件、软件等构成的测控仪 器系统。它借助计算机强大的信号分析处理功能来实现对信 号的各种操作。本文介绍基于虚拟仪器的远程心电监护系统 ＰＸＩ总线 网络接口ＵＳＢ接口 ２．１ 硬件 豳 的实现方案，以期充分利用计算机家庭普及程度的提高，使 众多心脏病患者只要配置较少硬件设施就可以完成家庭心 图１虚拟仪器结构框图 电监护，也为进一步实现远程医疗奠定可行性基础 收稿日期：２００８一ｔＯ一２０修回日期：２００８—１２－０８ 虚拟仪器的硬件是由信号采集调理系统和计算机硬件 系统组成，完成对测量数据的采集、传输和显示结果等功能。 作者简介：陈真诚（１９６５～），男，湖南永州人，博士．教授，硕士研究生导 师，主要从事医学信号与信息处理、生物传感器及智能仪器等方面的教 学与研究工作；陈晓俐（１９８５一），女，福建宁德人，硕士研究生．主要研究 方向为医学信号和医学图像处理、生物医学传感器及智能仪器．Ｅｍａｉｌ： ｃｈｘ１．ｋａｒｅｎ＠１６３．ｃｏｎ 其信号采集调理部件随着微机的发展和采用总线方式的不 同，又分为以下几种：数据采集卡式；并行／串行口式；ＧＰＩＢ总 线方式；ＶＸＩ总线方式；ＰＸＩ总线方式；网络接口方式；ＵＳＢ接 口方式。其中，并行，串行口式是把由一个或多个数据采集模 医疗卫生装备・２００９年４月第３Ｏ卷第４期 １ Ｑ ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ・Ｖｏ１．３０Ｎｏ４ＡｐｒｉＩ２ＯＯ９ ｌ Ｕ 研究论著Ｉ ＴＨＥＳＩＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＲＥＰＯＲＴ 块组成的硬件系统集成在一个采集盒或一个探头上，可与 ＰＣ或便携式计算机的并口／串口相连，方便野外作业，性能价 司的Ｐｏｗｅｒ Ｂｕｉｌｄｅｒ。 （２）用专业图形化编程软件进行开发。比如．ＨＰ公司的 格比高。因此，本系统设计的是串口式的虚拟仪器，其结构框 图如图２所示。 ＶＥＥ，ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ和Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ等。 ＬａｂＶＩＥＷ将软件的界面设计与功能设计独立开来．修改 人机界面无需对整个程序进行调整，它是利用数据流框图接 心电信号采集预处理电路的结构框图如图３所示。 ＥＧＤ信号 图２系统结构框图 ＡＤＣ 输入 图３采集预处理电路结构框图 心电测量电极应该具有响应时间快、阻抗低、信号衰减 小、没有噪声和非线性等性能，导联线需要屏蔽，以防止外界 电磁波的干扰。前级放大电路就是要把微弱的心电信号放大 提供给后级电路．同时又具有足够抑制各种干扰信号的能 力。其必须具有输入阻抗高、噪声小、失调漂移小、稳定性好、 共模抑制比高、抗干扰极化电压能力强、输入电流小、漏电流 小等特点。滤波电路和主放大电路是要隔去前置放大器的直 流电压和直流极化电压，耦合心电信号，进一步提高放大电 路的电压增益．并清除低频噪声。最后把处理后的心电信号 送到Ａ，Ｄ转换器的输入端。 本系统的心电信号采集预处理模块是ＥＣＧ１０５单通道 心电板，如图４所示。该心电板带有ＲＳ一２３２接口，可以直接 和计算机上的串口相连。 图４ ＥＣＧ单通道心电板 ２＿２软件 对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： （１）以通用编程软件进行编写。主要有Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的 Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ与Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋，Ｂｏｄａｎｄ公司的Ｄｅｌｐｈｉ，Ｓｙｂａｓｅ公 ，）ｎ医疗卫生装备・２００９年４月第３０卷第４期 厶Ｖ Ｃｈｉｎｅ∞Ｍｅｄｉｅａｌ Ｅａｕｉｐｍｅｎｔ Ｊｏｕｒｎａｌ・Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．４ ＡｐｎＩ ２００９ 收指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优 点。其信号处理功能非常强大，包括丰富的用于数据采集、分 析处理及数据存储的库函数以及满足各种实际应用的功能 函数，这就大大简短了虚拟仪器的开发周期，简化了虚拟仪 器编程过程。而通用的编程软件需利用组件技术实现面板的 设计，这使程序设计变得非常麻烦。此外，利用ＬａｂＶＩＥＷ独 特的网络技术可以方便地实现远程传输功能，因此，ＬａｂＶｉｅｗ 是本设计的最佳选择。 ２＿２．１ 串口通信模块 ｈｂＶＩＥＷ提供了功能强大的虚拟仪器软件体系结构 （Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＶＩＳＡ）库。ＶＩＳＡ实质 上是一个Ｉ／０接口软件库及其规范的总称。一般情况下，就将 这个Ｉ／０接口软件库称为ＶＩＳＡ库。在使用串口之前，我们需 要安装ＶＩＳＡ的驱动软件。调用ＬａｂＶＩＷＥ的ＶＩＳＡ函数库中 的各种串口ＶＩ可以很方便地实现对串口的初始化、读写等 操作，串口调试软件流程图如图５所示。 心电板连续采集数据．并 把采集到的数据通过串口不 断送人到计算机中去。通过设 置逻辑控件可以控制串口的 工作。 ２＿２＿２显示与存储模块 波形显示部分是将心电 数据转化为心电曲线，并显示 出来，供用户阅读、分析。在 ＶＩＷＥ中较为常用的波形 显示控件为：Ｇｒａｐｈ和Ｃｈａｒｔ。 Ｇｒａｐｈ用于显示测量值为均匀 采集的一条或多条曲线．仅绘 制单值函数，它可以显示包括 任意个数据点的曲线，且接收 图５串口软件流程图 多种数据类型，从而最大程度地降低数据在显示为图形前进 行类型转换的工作量。Ｃｈａｒｔ是显示一条或多条曲线的特殊 数值显示控件，一般用于显示以恒定速率采集到的数据。在 内存中表现为用一定长度的缓冲区来记录数据，因此可以保 留来源于此前更新的历史数据。比较两者，本设计选用Ｃｈａｒｔ 用于波形的实时显示，Ｇｒａｐｈ用于波形的回放。 心电特征参数显示部分是通过使用Ｅｘｐｒｅｓｓ ＶＩ中的 Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ＆Ｌｅｖｅｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＶＩ来测量心电信号峰值、谷 值等，使用Ｔｉｍｉｎｇ＆Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＶＩ来测量心电 信号的周期、频率等。 使用写人测量文件．ＶＩ可将数据存放在文本文件中，使 ＴＨＥＳＩＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＲＥＰＯＲＴ Ｉ研究论著 用读取测量文件．ＶＩ可以重新调出数据进行分析和显示。 ＬａｂＶＩＥＷ提供了丰富的库函数。使用它提供的各种ＶＩ 以及显示控件可以方便地实现波形、数据的显示和存储。 ２．２．３诊断报警模块 心率是ｌ临床上诊断心脏疾病的重要依据之一．诊断报警 其中，“２０２．１９７．６５．８８”是本地计算机的网址，它可以是 计算机名、ＩＰ地址或计算机域名。“ｗａｖｅ”是ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ连接 的名称标志。用以区别不同的ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ连接。 ３总结与展望 该系统充分利用了计算机资源．将传统心电监护系统中 模块正是用于监测心率，当心率出现异常时发出警报。 该模块的具体实现过程为：利用ＬａｂＶｌＥＷ提供的数组 功能模块检索心电信号中相邻两个采样点的数据，将其相 减后乘以采样频率，这样就转换成了导数值构成的数组。 设置合适的阈值，与数组内的导数值进行比较：若大于阈 值则输出“ｌ”；反之，则输出“Ｏ”。从而得到一系列方波，这 样就可以监测出Ｒ波。通过设置定时器，在一定时间内计 算一系列方波中上升沿的次数。从而可以得到心率。设置 心率的上下限，当心率超出这个范围时，用布尔指示灯显 示报警状态。 ２．２．４远程通信模块 ｈｂＶＩＥＷ支持１℃Ｐ和ＵＤＰ协议，并开发了特有的Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ技术。它是一种面向测量和自动化工程的网上实时高 速数据交换的编程新技术．摒除了较为复杂的ＴＣＰ，ＩＰ底层编 程。编程人员无需为不同的数据格式和通讯协议编写具体的 程序代码．只需要通用资源定位符ＵＲＬ，就可在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上及 时发送所需传输的数据．大大简化了网络通信的编程。 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ系统包括ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ Ｓｅｒｖｅｒ Ｍａｎａｇｅ￣ＤａｔａＳｏｃｋ． ｅｔＳｅｒｖｅｒ和ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ ＡＰＩ等３个部分。利用ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ发布数 据需要３个要素：Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ（发布器），ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＳｅｒｖｅｒ和Ｓｕｂ． ｓｃｒｉｂｅｒ（订阅器）。Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ利用ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ ＡＰＩ将数据写到 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＳｅｖｒｅｒ中．而Ｓｕｂｓｃｉｒｂｅｒ利用ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ ＡＰＩ从 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔＳｅｒｖｅｒ中读出数据。如图６所示。 在运用Ｄａｔａ Ｓｏｃｋｅｔ技术实现数 据传输之前要分别 在服务器与客户机 上启动ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ 图６ ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ通信过程 Ｓｅｒｖｅｒ。建立连接。 ＬａｂＶＩＥＷ７．Ｏ以上版本为每一面板控件都设定了ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ 连接对话框．在控件上弹出右键快捷菜单，选择打开 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ连接对话框，选中Ｅｎａｂｌｅｄ，在对话框上规定ＵＲＬ （收发双方为同一指定的ＵＲＬ）和控件连接方式（发布或读 取），就可以发布和读取数据了。设置完成后，控件右上角有 一指示灯．绿色表 示连接正常。红色 表示连接失败。 ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ传 输协议（ｄｓｔｐ）的网 图７ ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ传输协议 址应遵守图７所示 的弼址遘守格式 格式。 需由硬件电路实现的大部分功能，转为由软件来实现，节约 了成本，增强了系统的可扩充性。多次测试结果表明。该系统 可以实现心电信号的实时显示、存储、回放以及诊断报警和 心电数据远程传输，具备了远程心电监护系统的基本功能， 对我国远程医疗系统构建具有一定的研究价值和使用价值。 对比发送的数据，可以看出数据完整，没有发生失真。测试也 表明。采用ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ技术实现信息收发具有明显的消息时 效性．即接收者读到的都是发送者最后发来的信息，并且只 能读取读信息运行后发送者送来的信息。不过，系统的功能 还有待于进一步完善，如增加心电数据分析功能，以提高系 统的综合分析能力；使用数据库技术，对数据进行更加有效 地管理等。 远程心电监护仪可使心脏病患者方便地记录心电信号． 及时发现心电异常并得到治疗。其强大的功能和低成本为众 多心脏病患者提供了便利。这种远程心电监护仪具有很高的 应用价值和良好的市场前景。 远程医疗系统的出现．不仅大大降低了患者的死亡率， 同时也减轻了医护人员的劳动量、提高了护理工作的效率。 可以预见．随着医学诊疗技术、计算机技术、网络与通信技 术的迅猛发展．远程医疗已成为现代医疗技术发展的方向 和代表。 ［参考文献］ ［１】朱晓华，冯玉田．基于组件技术的虚拟仪器开发方法的研究【Ｊ】． 上海大学学报，１９９９，５（４）：３４—３５． 【２】周求湛，钱志鸿，刘萍萍，等．虚拟仪器与ＬａｂＶＩＥＷ７ Ｅｘｐｒｅｓｓ程 序设计［ＭＩ．北京：北京航空航天大学出版社，２００４． 【３】姚锡林．一种基于虚拟仪器概念的数字示波器的实现方法Ⅲ． 南京邮电学院学报，１９９７，１７（１）：１ｌｌ—ｌｌ５． 【４ Ｇａｒｙ Ｗ Ｇｏｈｓｏｎ．ＬａｂＶｌＥＷ Ｇｒ４】ａｐｈｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ【Ｍ】．ＵＳＡ：Ｍｃ Ｇｒａｗ—ＨｉＵ，１９９８． 【５】陈敏，汤晓安．虚拟仪器软件ＬａｂＶＩＥＷ与数据采集ｆＪＪ．小型微 型计算机系统，２ＯＯ１（４）：５０１—５０３． ［６】杨乐平，李海涛，赵勇，等．ＬａｂＶＩＥＷ高级程序设计ｆＭ】．北京：清 华大学出版社，２０ｏ３． 【７１吴章海．基于虚拟仪器的远程监测传输技术研究【Ｊ】．包钢科技， ２ｏｏ７．３３（５）：４２— ． 【８】杨群清．基于虚拟仪器技术的心电监护系统的研制ｆＪ】．中国医 疗器械杂志，２０ｏ５，２９（５）：３，ｔ０—３４２． 【９】 Ｎｏｒｍａ Ｄｏｒｓｔ．Ｕｓｉｎｇ ＬａｂＶＩＥＷ ｔｏ Ｃｒｅａｔｅ Ｍｕｌｄｔｈｒｅａｄｅｄ ＶＩｓ ｆｏｒ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ【Ｍ／ＯＬＩ．ＵＳＡ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎ— ｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２０００．ｆ２０００－０１—２５１．ｈｔｔｐＹ／ｚｏｎｅ．ｎｉ．ｃｏｍ． 医疗卫生装备・２００９年４月第３Ｏ卷第４期 １ Ｃ 州Ｉ∞ＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ・ＶｏＬ３０ＮＯＡＡ酬２Ｏ０９ 厶●
