基于LabVIEW的心音信号与心电信号的实时采集分析系统

摘要： 　　本文介绍了利用美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW 7 Express和数据采集卡PCI-6023E构建心音信号与心电信号的多路数据的实时采集分析系统的方法和技术.对如何提高采集系统的性能与精度进行了分析,同时也给出了一些实例。 关键词： labVIEW7.1 虚拟仪器 心音信号 心电信号 多路数据采集 实时分析 Abstract: 　　In this paper, a method of data acquisition of heart sounds and Electrocardiograph signal based on LabVIEW was introduced. LabVIEW 7 Express and PCI-6023E were used in this study to develop a system on Data Acquisition and Real time analysis of heart sound signal and Electrocardiograph signal. How to get the high performance and precision of the system were introduced. Some practical application examples were also given. Key words: LabVIEW 7 Express virtual instrument heart sound Electrocardiograph signal multi-channel of data acquisition Real time analysis 引言 　　心脏听诊是诊断心脏疾病的重要方法之一。心音的强弱受很多因素影响；心音信号的频率在5-600HZ之间，心脏杂音在1500HZ以下。人的听觉系统仅对频率为1000-5000HZ的振动最敏感。医生在听诊时大多凭借丰富的经验进行判断，对经验较少的医生来说难度太大。并且心脏杂音是一组历时较长、频率不同、振幅不同的混合振动。不论在生理或病理情况下，心血管系统均可产生杂音，有些杂音并无重要性，而有些杂音则是心血感疾病的唯一指征。因此，准确判断心音及心脏杂音的生理或病理特征，在心血管系统疾病的临床初诊中具有重要的意义。 　　我们运用美国国家仪器公司开发的简单直观、快捷高效的图形化编程软件系统LabVIEW和数据采集卡PCI-6023E，构建了心音数据的实时采集系统，并且把其应用于先天性心脏病的心音信号的采集及分析。 　　我国每年的新生儿中，约有10万以上患先天性心脏病。听到心脏杂音是考虑心脏疾病的一个最重要体征，大多因此而进行进一步的检查，但有些严重心脏病，杂音却不明显；心电图虽是古老而普及的检查手段，但仍必须重视，一些先天性心脏病有其特有的改变。因此在我们的采集系统中有一路采集心音，有一路采集心电；心音心电同步进行采集，这样在分析时二者都有价值，并且利用心电对心音进行定位；心音的采集按照传统的5个位置进行（心尖区、主动脉瓣1区、肺动脉瓣区、三间瓣区和主动脉瓣2区）。综合分析将为医生提供更准确的信息。 1、心音实时采集与处理系统的组成 　　这个系统将心音、心电及噪声传感器，信号调理电路，数据采集卡，计算机和强大的图形编程软件LabVIEW相结合起来，构成了一个既灵活而处理功能又非常强大的基于计算机的测量与控制应用的实时采集与处理系统。系统由以下几部分构成，如下图所示 　　在这一系统中，首先将心音、心电和和背景噪声信号通过传感器转换成电信号，其次，在信号调理电路中采用硬件对三路电信号进行了信号放大和处理，实现50HZ的工频滤波，减少工频信号的干扰以达到较好的环境适应性目的。再输入到PCI-6023E数据采集卡进行模/数转换，最后利用计算机与LabVIEW进行数据的存储。 　　在采集心音信号的同时还需采集一路背景噪声信号，是便于在今后的回放分析过程利用LabVIEW编程中进行滤波，以实现排出背景噪声的干扰，获得较真实的心音信号，易于提出病理特征，同时也减少数据处理量，提高处理速度。 　　其中PCI-6023E是美国国家仪器公司开发的一种价廉物美的计算机专用数据采集卡。它的采样率可达200KS/s，具有12bit的分辨率。而根据心音的特点其主要成分的频率在500HZ以下，心脏杂音也在1500HZ以下。而心电信号的最高频率在100HZ以下。根据采样定理，采样频率fs必须至少是测量信号所包含的最高频率fm的两倍，因此每个通道的采样频率设为5000HZ,总采样率设定为5000*5=25000S/s。由于采集三路信号，所以采用了相邻的三路模拟输入通道。通道号分别为0~2。输入电压范围为-5v~+5v,输入模式与硬件参数设置为有参考的单端输入。否则，将人为的给采集的心音信号加入了噪音。而且要严格按照有参考的单端输入的接法与心音信号放大器的输出连接，尽可能减少通道的信号相互影响。 2、LabVIEW编程 　　整个心音信号采集系统程序是在Windows2000的操作平台上用LabVIEW 7 Express编写实现的。图2是心音信号、心电信号和背景噪声数据采集的基本流程图。 　　医生在听诊时一般要求环境安静，病人在短时间内屏住呼吸，减少干扰。我们在进行采集工作时，外界的环境随时发生变化，不可能人为控制，而噪声对信号的采集有较大的影响，这就需要有相应的处理办法，保证所采集的心音信号的真实性。所以在采集信号时需要同步采集背景噪声，可不进行适时的波形显示，但要将采到的信号数据保存为二进制。待信号分析时，先要运用LabVIEW中的相关运算函数，把采集的噪声信号和相应的同步心音信号进行相关滤波。 　　在LabVIEW编程环境中，从函数functions—data Acquisition—Analog Input—AI config.Vi。AI config.Vi虚拟仪器程序是设置模拟输入操作是程序。数据采集设备按照程序中指定的采样频率采集信号，数据被传送到缓冲区内。采集到整个样本后，LabVIEW将数据传递到程序中进行存储和显示。 3、实现采集 　　对于快速变化的信号，我们用信号最高频率成分5倍的采样频率进行信号采集，过高的采样频率消耗太多的系统资源，还增加信号的处理时间。通过多次实验分析对照分析结果，在实地采集时我们设置采样频率为2500HZ。采集的信号，可实现实时显示，但不实时分析。分析在回放程序中进行。 操作界面如图4所示： 　　该程序实时进行对心音、心电和背景噪声的精确采集，在5个经典听诊位置都采集了信号，获取了较为完整、真实的信号，为后续的先天性心脏病的研究打下了坚实的基础。 4、结束语 　　本文使用虚拟仪器技术，使心音信号的采集和分析变得直观，采集系统操作简便，已经投入实际的实例采集实验分析中，为建立先天性心脏病心音信号的数据库提供了有力的手段。可以看到，该系统在心音的听诊过程中，不再完全依赖医生们的个人经验，将使得听诊技术便于更多的医生掌握，疾病被及时发现的几率将会提高。 参考文献： [1] 董承琅，陶寿淇，陈灏珠，《实用心脏病学》，上海： 上海科技出版社 1994。 [2] 胡晓，王威廉，用PCI-6023E实现心音数据的实时采集，计算机应用，2002，22（10）：250-251。 [3] 邓焱，王磊等编著 LabVIEW7.1测试技术与仪器应用，机械工业出版社 作者简介： 刘 军（1971）在读研究生 2002年就读云南大学信息学院通信与网络专业 晋崇英（1972）在读研究生 2002年就读云南大学信息学院通信与网络专业 王威廉 教授 云南大学信息学院