基于虚拟仪器的心功能检测系统的设计

　　心电图踏车运动试验由于其简便、无创、对冠心病诊断价值较高,从而被广泛应用于临床,成为评价心肌缺血及辅助诊断冠心病的最重要和最有价值的无创检查方法之一,其应用已从单纯判定心肌缺血逐渐发展到分析病情及评价疗效和预后等方面[1]。近年来,一种新的运动试验心电图诊断指标被提出,有助于提高该试验的诊断准确性[2]。

　　笔者将心功能检测系统和心电监护系统结合在一起,构成一台基于软件的具有心电监护功能的心功能检测系统,可用于检测心肌缺血程度和辅助诊断冠心病。相对于传统的心功能检测仪,该系统在很多方面都具有明显的优势。首先,踏车的控制完全由软件来实现,取代了复杂而昂贵的功量机;其次,系统操作简便,安全性高,易于维护升级;多种波形识别算法的选用提高了诊断准确率;系统可以手动或者自动识别心电波形特征点;能对心电波形进行存档、回放;具有强大的数据库管理功能等。

　　1　系统组成及工作原理

　　系统主要由计算机、数据采集卡和踏车3部分组成(图1)。其中数据采集卡包括心电信号放大电路、信号采集电路、USB接口电路、踏车控制电路等多个组成单位。

　　系统在工作时,首先由计算机向数据采集卡发送控制信息。当数据采集卡接收到踏车控制信息后选择相应的通道控制踏车阻力,从而控制踏车的转动速度。当数据采集卡接收到心电采集控制信息后就开始接收心电信号,并向计算机传输数据,当接收到停止采集控制信息,数据采集卡停止采集并关闭采样通道。计算机与数据采集卡之间采用USB接口进行信息传递。USB接口可以直接驱动采样硬件,能够在不外加电源的情况下与笔记本电脑相连接,满足移动式检测的需求,同时大大简化了系统设计,有效地降低硬件成本,具有很高的实用推广价值。

　　2　系统硬件设计

　　数据采集卡主要由踏车控制电路、模拟心电信号放大电路、单片机及其外围电路组成。在模拟电路中采用模拟心电信号放大器,对心电信号进行隔离、放大、滤波。由于单片机没有负电压输入转换能力,因此将心电信号全部转换为正电压后再输入单片机中进行A/D转换。设计的信号放大器具有1 000倍的放大能力,将信号频率限制在0. 5~100Hz之间,可抑制大部分的工频干扰和高频干扰,输出的电压值为0~2. 5 V。数据采集及控制部分采用一片PIC16F877A单片机来完成心电信号采集和踏车控制的工作,并通过USB接口接收上位机(计算机)的控制信息和向上位机传输数据。

　　PIC系列单片机是美国Microchip公司生产的产品,其硬件系统设计简洁,指令系统设计精炼。PIC16F877A单片机具有功耗低、驱动能力强、代码压缩率高、开发方便、内部集成的外围模块种类和数量多等特点[3]。其外围区域包括的功能模块有: 3个不同位宽的可编程定时器,其中2个可作计数器使用; 8个模拟量输入通道和10位分辨率的ADC; 256×8位电可擦/写的存储器; 2个CCP模块可实现输入捕捉、输出比较和脉宽调制输出功能; SPI和I2C 2种串行工作模式;通用同步/异步收发器USART;并行从动端口PSP。