医药学论文：基于虚拟仪器的胎儿心电图仪的研制[1]

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摘要 介绍了一种基于虚拟仪器的电脑胎儿心电图系统。该系统由两部分组成：以PIC单片机为核心硬件的数据采集装置和PC平台的处理分析系统。硬件电路功耗低，直接采用端口供电。软件平台采用可视化语言LabView6.1编程实现，由于使用其大量成熟软件模块，大大提高了开发效率。介绍了LabView实现的匹配滤波器等算法，并改进了匹配滤波的模板更新方法。临床试用取得了满意效果。
关键词 虚拟仪器；胎儿心电图；胎儿监护； 匹配滤波
1 前言
虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合产生的一种新型仪器模块，它通常是由计算机、模块化的功能硬件与带有数据处理、过程控制的可视化应用软件构成。本系统使用NI公司出品的LabView6.1图形语言编程实现。LabView采用图标代替传统的文字代码实现编程，图标代表的程序模块都是NI公司开发的成熟程序模块，因此，采用LabView编程可以大大提高系统开发效率。
胎儿监护及围产期监护是产科中一项重要的监护措施。常用的胎儿监护方法有：超声多普勒监护、胎心音监护和胎心电监护。其中，胎儿心电监护因其从母体腹部提取胎儿心电信号，对母体和胎儿无创，特别是能同时观察胎儿心电图，其优点明显，是目前产科常用的诊断方法。
虽然腹部心电信号拾取方便，但是，母体腹部信号复杂，信噪比低，特别是一般母体心电信号比胎儿心电信号大10-20倍，而且胎儿心电约有10％-30％与母体心电重合，形成复杂的QRS波群，并且胎儿心电的频谱与母体心电的频谱重叠。这些因素给胎儿心电的检测带来了比较大的困难。学者们探索了一系列的信号处理方法解决这个问题，包括：匹配滤波法[1]、自适应滤波法[2]等。本系统采用比较常用的匹配滤波法。
2 系统的实现
2.1系统概要
本系统由硬件数据采集器和普通PC机两部分组成，通过RS-232口连接。PC机上的应用程序采用图形化编程语言LabView6.1实现。硬件数据采集器采样获得的数据以串行通信的方式发送给PC机，PC机上的软件通过RS-232接口模块读入波形数据，并送预处理模块，工频陷波和抑制基线漂移后，进行匹配滤波去除母亲心电的干扰，最终在显示器上显示胎儿心电信号的波形。另外，PC机也可以串行通信方式控制硬件数据采集器的工作状态，如调整增益、时间常数等。
2.2 硬件信号采集系统
系统硬件由前置放大、工频陷波、主放大器、单片机系统等几部分组成。前置放大器将导联传人的信号适当放大后，送工频陷波器陷波，以防止可能出现的过强工频干扰阻塞系统放大通道。随后，信号经过主放大器和末级放大器几万倍放大之后，单片机控制的A／D对其进行400×12 bits／s采样，数据经RS-232接口送PC机处理。硬件部分是PIC单片机控制的高精度心电信号采集系统。该系统内部采用12位高精度串行输出A／D转换器AD7895。采样得到的数据通过
单片机处理后将按照下面的帧格式通过串口发给PC机。系统采样率为400Hz，数据传输速率为19.2kbps。该系统以低功耗为主要设计思想，其工作电流小于3mA，可以采用串口供电[3]，无须外接电源。
其中，12个X表示12位A／D采样得到的数据；00、11为标志位，00代表高6位，11代表低6位。另外，硬件部分也接收PC机的控制字。
2.3软件部分
软件部分分为RS-232接口模块、信号预处理、匹配滤波算法3部分，其中匹配滤波又包括相关检测和波形对消2个部分。
2.3.1 RS-232接口模块
(1)串口供电。由于硬件数据采集器工作电流比较小，本系统使用RS-232中空闲的握手信号线制成电源，使其工作因此，在主程序打开串口读人数据前，必须对硬件数据采集器加电，使其处于工作状态。在LabView中采用Serial Line Ctrl.Vi模块，将RTS和DTR置相应电子；(2)串口读写。由于硬件数据采集器在整个工作期间，以19.2kbps的速率连续向外发送数据，为了数据处理方便，采用了Serial Read With Time-out FT.vi模块，以保证每次从串口缓存中读出等量偶数个数据。用Serial Port Write.vi模块发送控制字给硬件模块。控制字的发送采用了LabView6.1中新增的事件驱动[4]功能。

2.3.2信号预处理
主要功能是滤除工频干扰和抑制基线漂移。
由于硬件系统采用串口供电，采集的信号中常混入50Hz的工频干扰，必须加医药学论文