专利名称：一种心肌骨骼肌生理电信号数据采集和信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于基础医学检测自动化信息技术领域，特别是提供了一种心肌骨骼肌生理电信号数据采集和信号处理系统，用于基础医学实验和研究。
背景技术：
在基础医学研究过程中，研究人员使用基础医学实验仪器对实验动物的心肌、骨骼肌生理电信号进行实时波形检测和显示，但不能对这些信号进行采集、存储和处理，因此无法对实验波形进行实时记录，也无法对波形进行深入的研究和分析。
现在，市场上的显示记录仪器很多，如数码显示器、自动平衡式记录仪、描笔偏转式记录仪、示波器、磁带记录仪等。其中，示波器的频率响应范围最广，最适用于进行信号观察。然而，示波器不能将数据或图形保存下来供以后的研究使用。磁带记录仪同其它记录设备相比有很宽的频率响应范围和较低的信号失真度，记录的信号可通过示波器重放，但对信号无法进行准确保存、比较和快速分析。近年快速发展的计算机技术为电生理研究提供了很方便的工具。目前，我国已生产出SMUP-PC型生物信号处理系统及NSA-3型医学信号处理系统，但其价格很高，并且无法与医学研究单位现有的成套实验仪器设备配套使用。
当前，计算机应用技术高速发展，利用计算机对实验动物的心肌、骨骼肌生理电信号进行实时数据采集、显示和存储，并对数据进行分析和处理，是医学研究必然的发展趋势和基础医学研究人员的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于心肌骨骼肌生理电信号数据采集和信号处理的系统，实现对实验波形的实时记录。
本发明由电刺激器、信号隔离器、平均仪、示波器、数据采集A/D转换卡、微型计算机组成。其中示波器把输入电信号进行前置放大后，将输出模拟量送至转换A/D卡，供计算机采集与处理。通过计算机、数据采集A/D转换卡等硬件设备对实验波形和数据进行实时采集时，由自行研制开发的系统应用软件完成对波形和数据的采集、记录、存储、处理、显示，并给出分析和推断结果。
系统应用软件设计的目的是实现对A/D转换卡的启动和控制，采集来自生物体的电信号(先经过示波器进行前置放大)，将采集的电信号进行同步显示，对转换后的数字量进行存储、再现和计算处理。本系统操作方便，信号图形显示准确，能够计算心率(心电信号)和各波形的时间间隔或量值。
系统应用软件要计算每一心电信号的周期时间。心电信号的最大特点是每一个周期里有一陡峭的“尖”，两“尖”之间的时间间隔就是一个心电周期。对于从一系列信号中检测出来的这些“尖”，用多个“尖”出现的时间总数除以“尖”的数目，即可得到一个平均的心电周期。见图6由于各种动物的心电信号存在差异，所以在分析计算时应由技术人员根据实际情况进行判断，选取计算参数。选择所需要的数值后，程序根据用户所选择内容进行计算并显示。具体实现时，先把单个周期心电图形显示在特定窗口上，让用户对其缩放、移动至最佳显示状况。当用户选择开始计算时，计算机先提示输入标识，以便描述准备计算的数值的内容，然后判断用户用鼠标在图形上所选择并点击的两个位置的相对距离，对纵坐标，计算出电压高低；对横坐标，计算出时间大小。见图7本发明的优点在于通过对心肌生理电信号活动记录的分析，可以了解心脏的节律变化和传导情况，对诊断心房、心室增大及心肌梗塞、缺血、劳损具有肯定价值。心肌电信号波形的分析结果对诊断药物与电解质影响等具有较大的参考价值。骨骼肌电信号对骨骼肌损伤及处理、治疗有很大的参考价值。
本发明为一个数据采集和信号处理系统，自行研制开发的应用软件在数据采集与处理过程中，可以实现以下功能1.具有良好的人机交互界面，方便技术人员使用；2.可以实时显示生物电信号数值及曲线；3.能对信号和数据进行存储，能对图形曲线进行显示、存储和打印；4.通过自行研制开发的智能控制专家系统软件，可以实现信号分析、波形比较和结果推断。
图1为本发明的系统的硬件结构示意图。
图2为本发明的系统软件框架示意图。虚线部分为附加项。
图3为本发明的实时系统控制图。传感器是一种把非电物理量转换成电量(电压或电流)的器件，如测量温度常用的传感器热电偶就能够将温度值转换成相对应的电压信号。有的传感器不是直接输出电量，而是将非电物理量转换成相应的电阻、电容的变化，如热敏电阻，也可用来测量温度，作为温度传感器使用。
放大器A/D转换器的输入电压范围通常是一个常数，如8位的ADC0809芯片，它的输入电压为0-5V。而不同的传感器的输出信号的幅度是各不相同的，有的很微弱，因此需要经过信号处理环节进行信号放大等处理，使得加到A/D转换器上的输入电压与A/D转换器的输人范围相适应。
滤波器是一种可以让一部分频率信号顺利通过，而另一部分频率的信号受到较大衰减的电子装置。对于从现场得到的信号，通常都叠加有各种各样的干扰信号，为了防止干扰信号对A/D转换过程的影响，可使用滤波器将干扰信号滤掉。
采样保持电路在A/D转换过程中，由于输入模拟信号是连续变化的，而A/D完成一次转换则需一定的时间，这段时间就是A/D的转换时间。不同原理实现的A/D转换器所需的转换时间是不同的，对于快速变化的输人信号，A/D转换的时间就显得相对较长，如果不采取措施，则会引起较大的转换误差。为了保证转换的精度，必须采用采样保持电路，采样时，电路的输出跟随输人电压的变化而变化；保持时，电路的输出保持为采样结束时的值不变，直到再次进入采样状态。利用采样保持电路就能保证在A/D转换期间保持采样输人信号的大小不变，从而避免了因输入信号的变化而引起的转换误差。
低通滤波用来滤除干扰及不必要的信号。
多路开关用来分时接通各传感器的输出，以使用一个采样保持芯片，A/D转换器把多路模拟量分时地进行采样和转换。
A/D转换器将模拟量转换成计算机能接收的数字量。
微型计算机将A/D转换得到的数字量进行运算和处理。
D/A转换器将数字量变成模拟量。
功放用来提高D/A输出模拟量的驱动能力。
执行部件用来实现对现场的控制。
模数转换器与外部设备相关的接口信号是输入的模拟信号。在实际应用电路中，这部分电路可根据外设所提供的信号及A/D转换器对输入信号的要求，加入相应的处理电路。
图4为本发明的典型的模拟量输入结构框图。
图5为本发明的典型连接模数转换器示意图。图中的模数转换器的输入与外部设备相连，输出与CPU相连，并接有相应的控制线和状态线。
为了实现数据采集和输入，模数转换接口中必须有相应的模拟信号处理电路及输入通道锁存器和相应的控制电路。为了实现信号的输出，模数转换接口中还必须有相应的数据输出寄存器，便于计算机读取转换的结果。
图6为本发明的心电周期信号实测图。
图7为本发明的标准心电图及各部分命名。
图8为本发明的数据采集过程示意图。
图9为本发明的数据图形化显示窗口示意图。
图10为本发明的图像处理显示示意图。
图11为本发明的数值的计算示意图。
权利要求
1.一种心肌骨骼肌生理电信号数据采集和信号处理系统，其特征在于由电刺激器、信号隔离器、平均仪、示波器、数据采集A/D转换卡、微型计算机组成；其中示波器把输入电信号进行前置放大后，将输出模拟量送至A/D转换卡，供计算机采集与处理，通过计算机、数据采集A/D转换卡硬件设备对实验波形和数据进行实时采集时，由系统应用软件完成对波形和数据的采集、记录、存储、处理、显示，并给出分析和推断结果。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于系统应用软件实现对A/D转换卡的启动和控制，采集来自生物体的电信号，将采集的电信号进行同步显示，对转换后的数字量进行存储、再现和计算处理；系统应用软件要计算每一心电信号的周期时间，心电信号的最大特点是每一个周期里有一陡峭的“尖”，两“尖”之间的时间间隔就是一个心电周期，对于从一系列信号中检测出来的这些“尖”，用多个“尖”出现的时间总数除以“尖”的数目，即可得到一个平均的心电周期；在分析计算时应由技术人员根据实际情况进行判断，选取计算参数，选择所需要的数值后，程序根据用户所选择内容进行计算并显示。
3.按照权利要求1或2所述的系统，其特征在于具体实现时，先把单个周期心电图形显示在特定窗口上，让用户对其缩放、移动至最佳显示状况；当用户选择开始计算时，计算机先提示输入标识，以便描述准备计算的数值的内容，然后判断用户用鼠标在图形上所选择并点击的两个位置的相对距离，对纵坐标，计算出电压高低；对横坐标，计算出时间大小。
全文摘要
本发明提供了一种心肌骨骼肌生理电信号数据采集和信号处理系统，用于基础医学实验和研究。其特征在于由电刺激器、信号隔离器、平均仪、示波器、数据采集A/D转换卡、微型计算机组成；其中示波器把输入电信号进行前置放大后，将输出模拟量送至A/D转换卡，供计算机采集与处理，通过计算机、数据采集A/D转换卡硬件设备对实验波形和数据进行实时采集时，由系统应用软件完成对波形和数据的采集、记录、存储、处理、显示，并给出分析和推断结果。本发明的优点在于通过对心肌电信号波形的分析结果对诊断药物与电解质影响等具有较大的参考价值。骨骼肌电信号对骨骼肌损伤及处理、治疗有很大的参考价值。
文档编号A61B5/0488GK1557252SQ200410001159
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月2日 优先权日2004年2月2日
发明者孙铁, 陈桂华, 库宝善, 孙锋, 牟世堂, 乔致京, 孙 铁 申请人:北京科技大学