家庭醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)

摘要隨著社會的進步和科技的發(fā)展，全球的環(huán)境也發(fā)生了巨大的變化，各種病毒隨著各類污染源的出現(xiàn)而產(chǎn)生，對人們的健康造成了相當大的危害。尤其是近幾年流感病毒的蔓延和心腦血管疾病的高發(fā)病率受到了全球的高度關(guān)注。計算機逐步進入家庭，為研制具有分析、處理和存儲能力的家庭醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。為了提高預防和監(jiān)測疾病的水平，對常見病、慢性病進行實時監(jiān)測，本課題設(shè)計了一種家庭醫(yī)療護理和監(jiān)測系統(tǒng)，可以在家庭里面，方便、快捷地實現(xiàn)對體溫信號、心電信號和脈搏信號的實時監(jiān)測，并且能對采集的信號進行相應的分析和存儲。系統(tǒng)包括傳感器模塊、放大電路模塊、DAQ數(shù)據(jù)采集模塊和PC機軟件編程幾個部分。分別通過溫度傳感器和心電傳感器獲取到體溫信號和心電信號，經(jīng)過模擬電路處理，再把經(jīng)處理的信號送到數(shù)據(jù)采集卡輸進計算機，然后利用Labview編程，對體溫信號進行標度變換、從心電信號中提取脈搏信號和實現(xiàn)各種信號時域和頻域的分析和數(shù)據(jù)的存儲，最后把處理和分析的結(jié)果通過人機界面顯示出來。關(guān)鍵詞：家庭醫(yī)療監(jiān)測，虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集接口，ECG，體溫AbstractWiththeprogressofthesocietyandthedevelopmentoftechnology,theglobalenvironmenthaschangedgreatly.Variousviruscomeintobeingwithlotsofpollution,whichmakegreatdamagetopeople'shealth.Especially,inrecentyears,peoplepaymornattentiontothespreadofinfluenzavirusesandthehighincidenceofcardial-cerebraldisease.Computergraduallyenteringthefamilyforafamilymedicalcaresystemwhicncananalysize,processandstoragedataprovidesasolidfoundation.Inordertoimprovethelevelofdiseasepreventionandreal-timelymonitoringofcommondiseaseandchronicdisease,.Thissubjectdesignsafamilymedicalcaremonitoringsystem,whichbeinstalledfamilycanmonitorthetemperaturesignal,ECGsignalsandpulsesignalconvenientlyandquickly.Systemincludingsensormodule,amplifyingcircuitmodule,DAQdataacquisitionmodule,softwaremoduleandPCmodule.ThetemperaturesignalandelectrodesignalwhicharecollectedthroughthetemperaturesensorandECGelectrodeclipacquisition,thenamplifiedbycircuitamplifier,andthenputthesignalsintothedataacquisitioncard,andusingtheLabview,calibratingthetemperaturesignal,expracpingpulsesignalfromECGsignalandprocessing,timedomainandfrequencydomain,finallydisplayingtheresultsoftheprocessingandanalysisbyhuman-machineinterfacedisplay.tous[1].Keywords:Homecaremonitoring,Virtualinstrument,Dataacquisitioninterface,ECG,TemperatureTOC\o"1-5"\h\z1緒論11.1題目背景11.2國內(nèi)外研究狀況21.3研究內(nèi)容和目的32系統(tǒng)分析與整體結(jié)構(gòu)42.1體溫信號的測量42.2心電信號的測量42.2.1心電信號產(chǎn)生的機理42.2.2心電信號的特點52.2.3心電傳感器與心電導聯(lián)62.3脈搏信號的測量72.4系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)73系統(tǒng)硬件設(shè)計83.1體溫信號測量模塊83.1.1溫度傳感器83.1.2模擬放大電路93.2心電信號測量模塊113.2.1心電傳感器113.2.2模擬放大和濾波電路123.3數(shù)據(jù)采集卡模塊294系統(tǒng)軟件設(shè)計344.1軟件平臺的介紹344.2軟件實現(xiàn)的功能344.3軟件的設(shè)計354.3.1信號的采集354.3.2脈搏信號的提取374.3.3信號的數(shù)值顯示和波形顯示374.3.4信號的保存與回放384.3.5體溫和脈搏信號的時域特征分析394.3.6心電信號的時域分析和頻域分析404.4軟件的整體層次結(jié)構(gòu)40總結(jié)48參考文獻50致謝51#經(jīng)過“拆分函數(shù)”拆分出來的信號（即體溫信號和心電信號）均屬于動態(tài)數(shù)據(jù)類型，所以需要經(jīng)過“從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”函數(shù)，其圖標如圖4.4所示。從動態(tài)數(shù)踞轉(zhuǎn)換￡圖4.4“從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”函數(shù)的圖標左端輸入的是動態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過設(shè)置，有段輸出可以是單一標量、一維數(shù)組、二維數(shù)組、波形數(shù)組等等類型。本系統(tǒng)中用它來實現(xiàn)把信號直接轉(zhuǎn)換成單一標量。4.3.2脈搏信號的提取根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計方案，沒有使用脈搏傳感器直接從人體上采集脈搏信號，而是從心電信號中提取，由于上面已經(jīng)把信號進行拆分，而且轉(zhuǎn)換成單一標量，現(xiàn)在用一設(shè)定的數(shù)值（例如0.8），去和心電信號的每一個單一標量進行比較，一旦標量中出現(xiàn)大于閾值的數(shù)，一初始值為零的中間變量就進行加1運算，一分鐘之后，把中間變量的結(jié)果顯示出來，這個結(jié)果就是這一分鐘之內(nèi)脈搏的跳動次數(shù)，同時中間變量重新從零開始，統(tǒng)計下一分鐘脈搏的跳動次數(shù)。這樣就可以實現(xiàn)脈搏信號的提取。4.3.3信號的數(shù)值顯示和波形顯示本系統(tǒng)主要顯示的信號有三種，包括體溫信號和脈搏信號的數(shù)值顯示和心電信號的波形顯示，以及各種信號歷史數(shù)據(jù)的時域和頻域的分析結(jié)果的數(shù)值顯示或波形顯示。其中信號的時域和頻域的分析的分析見4.3.5和4.3.6小節(jié)。其中體溫用Labview自帶的“溫度計“顯示控件和其附帶的數(shù)值同步顯示。在顯示之前增加了電壓單位至溫度單位的標度變換，同時，體溫的顯示增加了華氏度與攝氏度模式的轉(zhuǎn)換功能，攝氏溫度（C）和華氏溫度（F）之間的換算關(guān)系為：9F=C+32（4.1）5或C=5-32（4.2）

脈搏信號直接采用“數(shù)值顯示控件“進行顯示。而心電信號則選用”波形圖“顯示，能夠?qū)崟r地顯示出心電圖。荻退日期/時間｛秒）番時間標識荻退日期/時間｛秒）番時間標識Fg~l|圖4.5“獲取日期/時間（秒）”函數(shù)的圖標函數(shù)的“當前時間”端連接到“時間標識顯示控件”的輸入端，再對“時間標識顯示控件”的格式進行合理的設(shè)置，便可以準確地顯示當前日期和時間。本系統(tǒng)設(shè)計的實時時間格式如圖4.6所示。麗11年05月27日星期五10:46:21圖4.6時間格式4.3.4信號的保存與回放由于本系統(tǒng)需要保存的信號由三種，所以選用常見、方便的文本文件（.txt）來進行對數(shù)據(jù)的回放，首先把三種信號組成的數(shù)組通過“數(shù)組至電子表格字符串”函數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為字符串類型，然后保存到文本文件中。為了方便后續(xù)數(shù)據(jù)的讀取以及進行其他操作，故保存數(shù)據(jù)時采用按列保存的方式，即如圖4.7所示（圖中的數(shù)據(jù)只是模擬數(shù)據(jù)，沒有參考價值）。

圖4.7信號保存的方式第一列存放的是體溫數(shù)據(jù)，第二列存放的是心電數(shù)據(jù)，而最后一列存放的是脈搏數(shù)據(jù)，需要各信號的數(shù)據(jù)時先用“讀取文本文件”函數(shù)從文本文件中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過“電子表格字符串至數(shù)組”函數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)組，再使用“索引數(shù)組”函數(shù)，把需要的數(shù)據(jù)讀取出來?！八饕龜?shù)組”函數(shù)的圖標如圖4.8所示。囁—帥_元素或子數(shù)組索-1圖4.8“索引數(shù)組”函數(shù)的圖標改變輸入端“索引”的值即可以在輸出端“元素或子數(shù)組”中輸出不同列的數(shù)據(jù)。例如若想得到體溫的數(shù)據(jù)，輸入端“索引”的值設(shè)為“0”，即第“0”列就是體溫的數(shù)據(jù)。心電和脈搏的數(shù)據(jù)依此類推。4.3.5體溫和脈搏信號的時域特征分析過去一段時間的體溫和脈搏的數(shù)據(jù)對分析人們的健康和預防疾病有著舉足輕重的

作用，所以本系統(tǒng)增加了對過去一點時間內(nèi)體溫和脈搏的時域分析，從而更加具體地了

解人們的健康狀況。根據(jù)實際需要，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對體溫和脈搏求平均值、標準偏差和

方差的功能。該功能的實現(xiàn)只要用到的函數(shù)是“標準偏差和方差”這個函數(shù)，其圖標如圖4.9所示。crtr2xcrtr2x權(quán)（采樣）差

均標方

二」圖4.9“標準偏差和方差”函數(shù)的圖標體溫或脈搏的數(shù)據(jù)連接到函數(shù)的“X”端，經(jīng)過函數(shù)運算即可以得到數(shù)據(jù)的均值、標準偏差和方差。“權(quán)（采樣）”端是計算總體還是采樣的標準偏差和方差，默認為“0”,即計算總體的便準偏差和方差。4.3.6心電信號的時域分析和頻域分析在本系統(tǒng)中，主要從時域和頻域兩個方面來分析心電信號，從而提取心電信號中的特征。時域分析主要是對心電的實時信號進行自相關(guān)分析，自相關(guān)分析是時域分析中的一種常用的方法。通過自相關(guān)分析能夠更清晰地顯示出心電波形中R瓣的幅值和周期，從而更準確的提取到脈搏信號和獲取心電信號中的重要信息；頻域分析主要是對心電的實時信號進行頻譜分析，通過頻域分析可以方便地觀察信號的頻率范圍和能量的分布。4.4軟件的整體層次結(jié)構(gòu)上面已經(jīng)對各功能進行較為詳細的介紹，這部分主要介紹軟件的整體層次結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件的整體層次結(jié)構(gòu)如圖4.10所示。系統(tǒng)由主VI和關(guān)鍵子VI組成［131。

SILOIfrMO、&團AIglgls將Alaflgls將AIglglS稱.SILOIfrMO、&團AIglgls將Alaflgls將AIglglS稱.*-:価A::A:ZIH向€fflEI炬自」：△官厶{*?ealB雷玄二?州_nl==U“BU5UM5.Ri,.arfhuHW5mc”U08KKUaparHKRUpaSKZHflap.c-Bu^￡uoawnun1AvhuuHKrin530R^5uoflh^cMsto?8P^-.騏司樂一⑥[II圍HI岡回Illi圖4.10軟件的整體層次結(jié)構(gòu)圖1.系統(tǒng)主VI的設(shè)計

系統(tǒng)主VI用來獲取體溫和心電信號、提取脈搏信號，并且實時顯示和保存。它的前面板和程序框圖分別如圖4.11和4.12所示。sf?n?93皿》-侵|?|超將、「。"?1:.七帑君|3-|圖sf?n?93皿》-侵|?|超將、「。"?1:.七帑君|3-|圖4.11系統(tǒng)主VI的前面板設(shè)計日0-搐憫右團aiwEF也：.?€):泌也金恆tfg棒主ft刪一仮歸卜???￡>□嗣9WH◎岸9皿骨日0-搐憫右團aiwEF也：.?€):泌也金恆tfg棒主ft刪一仮歸卜???￡>□嗣9WH◎岸9皿骨?!*刪&?賜0&WJ.一塢隔壬Iml一：目丄卜,1口IPJD11-!-■I?皐銘出占一-卜111iIB;V悟Itfl呂粹r.l「F&芝I-HIKI十芻毎一圖4.12系統(tǒng)主VI的程序框圖設(shè)計單擊左上角的“運行”按鍵，系統(tǒng)進入運行狀態(tài)，將會彈出如圖4.13所示的對話框,用來輸入文件保存的路徑，當不需要改變路徑時便會保存到默認設(shè)定的路徑中。

圖4.13保存路徑對話框

圖4.14系統(tǒng)關(guān)鍵子VI的前面板設(shè)計輸入文件名，按“確認”鍵，對話框自動關(guān)閉，系統(tǒng)將開始運行，采樣率和采樣數(shù)可以根據(jù)實際需要進行增加或降低。2.系統(tǒng)關(guān)鍵子VI的設(shè)計運行過程中，單擊主界面上的“數(shù)據(jù)分析”按鈕，由“數(shù)據(jù)分析”按鈕的單擊事件，觸發(fā)“事件結(jié)構(gòu)”中的“數(shù)據(jù)分析，值改變”分支，調(diào)用“數(shù)據(jù)分析”子VI,此時系統(tǒng)自動彈出如圖4.14所示的前面板，與其對應的程序框圖如圖4.15所示。

圖4.15系統(tǒng)關(guān)鍵子VI的程序框圖設(shè)計刪一刪V>0—-mlnul-.-llwdNIQS^I-lbldlq號-Tnr=§wlmlwan圖4.15系統(tǒng)關(guān)鍵子VI的程序框圖設(shè)計刪一刪V>0—-mlnul-.-llwdNIQS^I-lbldlq號-Tnr=§wlmlwan卜戡宅IBl□??!輕床*Isl二平3|聘<\|少3麗一國旦，1*-IT￥￡a4Isl一arRT3F0找蚩咲MZI-Altalaa^fn-l_型0一g扭聲3口{@〔已MH(9世磁S皿昌9順剛0ised一GOB活E、-IK轅氏-靦a'.K冊鸚能據(jù)十和電闋藝窗E1單擊“打開文件”后端的按鈕，將自動彈出如圖4.16的打開目錄路徑對話框，選擇路徑和文件名后，默認的路徑和文件名與保存的一致。單擊“確認“按鈕，對話框關(guān)閉,單擊”開始“按鈕，系統(tǒng)開始對數(shù)據(jù)進行相應的分析。

3BI打開3BI打開圖4.16讀取路徑對話框當需要停止對數(shù)據(jù)進行分析時，單擊“返回“按鈕，利用”事件結(jié)構(gòu)“的相似功能,使子VI停止運行，自動關(guān)閉，并返回到主界面，主VI繼續(xù)正常運行。主VI運行過程中，單擊“退出系統(tǒng)“控件，自動彈出如圖4.17的提示對話框，單擊"確定“后，整個系統(tǒng)完全關(guān)閉，這功能突出了人機界面的人性化。圖4.17圖4.17確定退出系統(tǒng)對話框經(jīng)過三個多月的努力，從了解現(xiàn)在家庭醫(yī)療護理和監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，比較幾種家庭醫(yī)療和監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和方案，結(jié)合實驗室設(shè)備的條件，選擇合適的方案，然后進行硬件電路的仿真、制作和調(diào)試，軟件的編程和調(diào)試。最后把整個系統(tǒng)的各部分的功能實現(xiàn)。其中，體溫部分由于采用的是半導體溫度傳感器LM35，其輸出是隨環(huán)境溫度變化而呈線性變化的電壓信號。未經(jīng)放大時，環(huán)境每變化10C,輸入電壓就變化10mV,該部分原理和電路都比較簡單，所以在設(shè)計的過程中沒有太大的問題出現(xiàn)，相對比較順利、但是，心電部分由于心電信號的特點和電路的復雜性，經(jīng)過一個多月的電路調(diào)試，有一段時間看到心電信號的出現(xiàn)，由于當時沒有及時對出現(xiàn)的信號進行保存。雖然同時有很大的干擾在里面，但是根據(jù)當時示波器的量程可以大概估算出，經(jīng)過放大后的心電信號的波形的峰峰值約為1.1V，出現(xiàn)調(diào)動的周期為0.75S左右。后來再經(jīng)過增加濾波器的電路改進過程后，心電信號再也沒有明顯地出現(xiàn)。現(xiàn)在經(jīng)過長時間的觀察、調(diào)試和查閱相關(guān)資料，總結(jié)出其中無法采集到心電信號的原因主要有以下幾個方面。（1）心電信號非常微弱，在用心電電極夾采樣信號時，沒有夾在合適的位置，即從信號的源頭就出現(xiàn)了問題；（2）連接心電電極夾與前置放大電路輸入端的屏蔽線在測量中雖然可以導電，但是由于屏蔽線中的導線相對細小，而且導線與心電電極夾之間的接觸以及導線與前置放大電路的輸入端之間的接觸沒有采用相對緊湊的接觸方式，這也是導致無法檢測到心電信號的一潛在原因；（3）在心電信號的采集中，受到的最大的干擾是50Hz的工頻干擾。在調(diào)試的過程中，一直都是在實驗室相對固定的位置調(diào)試，電路中用到的電源都是由實驗室的穩(wěn)壓電源提供，也是用實驗室的示波器來觀察輸出信號，這些設(shè)備都是由220V，50Hz的市電供電，這就相當容易受到工頻干擾，而且調(diào)試環(huán)境存在相當多燈光、風扇和其他一些家用電器，這些都會帶來50Hz的工頻干擾，雖然在電路的設(shè)計了50Hz的陷波電路，但這是比較簡單的于RC雙T網(wǎng)絡(luò)的二階帶阻濾波器，效果相對采用專用的芯片的陷波效果好；（4）心電信號屬于低頻信號，實際電路的設(shè)計的低通濾波電路理論計算的截止頻率為110Hz左右，但是在實際的調(diào)試中，在該理論截止頻率時卻沒有達到滿意的效果，頻率要增加到180Hz才出現(xiàn)明顯的衰減下降，這也是電路設(shè)計中的一大問題；（5）查閱其他相關(guān)資料得知，35Hz的人體肌電對心電信號也會造成相當大的干擾，而本系統(tǒng)中，始終沒有這部分的研究和設(shè)計，這也是本系統(tǒng)沒有達到理想效果的一失誤；（6）導致本系統(tǒng)出現(xiàn)的問題除了上述的客觀原理，也存在眾多個人因素，自己經(jīng)驗的不足，電路的不穩(wěn)定和調(diào)試方法不對，也是其中兩個重大的原因。希望在以后的設(shè)計中采取更加嚴謹更加合理的設(shè)計方案，例如選用相對AD620更適合用于醫(yī)療設(shè)備的INA128儀用放大器，它是AD620的改進版，各性能都有相當大的改進。另外，由于采集到的心電信號必然會受到相當多的各種干擾，所以在濾波部分必須采用更好的電路，同時可以增加光電隔離電路，提高去干擾的效果。參考文獻劉曙光.測控技術(shù)與儀器專業(yè)英語教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：117-130洪華峰.家庭便攜式遠程醫(yī)療監(jiān)護器的研究與設(shè)計[D].福建.華僑大學說是學士論.2007.12葉一初?基于ARM的心電信號采集與遠程傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]?西安?西安電子科技大學碩士學位論文.