设计和开发的虚拟仪器使用虚拟仪器生物信号采集与处理

帕特森Casmir D 'Mello¹,桑德拉D’索萨²
仪表与控制工程系,M.I.T,印度麦利普^1、2

通讯作者:帕特森Casmir D 'Mello,电子邮件:(电子邮件保护),(电子邮件保护)

文摘

增加个人电脑的性能和降低成本使开发基于PC的信号处理系统。医院需要几个测量系统可以测量病人的生理参数。虽然诊断医疗仪器已广泛应用,结合虚拟仪器技术实现生理测量的目的有几个好处。这些系统是有效和具有成本效益的获取和分析生物医学信号。利用虚拟仪器实现生理测量将在很大程度上降低了成本和提高仪器的灵活性。这workaims设计虚拟仪器获取和处理的眼电图信号。Electrooculography(小城镇)技术测量视网膜的静态电位。

关键字

数据采集、信号处理、虚拟仪器、虚拟仪器、EOGmeasurement

介绍

医院需要几个测量系统可以测量病人的生理参数。测量系统应该能够准确衡量病人的重要器官如心脏病,体温,心脏的电活动,大脑的电活动等。这些信息应该有现成的医生诊断和适当的治疗。PCbased信号采集和分析是一个高效和成本有效的方法forbiomedical信号采集和监控。电子线路隔离的主题是非常重要的。而且,由于生物信号水平很低,放大的信号是很重要的。因此,基于PC的系统包括附加电路的隔离和放大信号。结合虚拟仪器技术对生理测量是即将到来的技术,目前正在以更快的速度上升。可以极大地降低了成本和灵活性可以增加了虚拟仪器的使用。国家仪器LabVIEWis可视化编程平台和开发环境。这种编程的目的是自动化加工和测量设备的使用在任何实验室设置。在前面板控制和指标允许操作员输入数据到或从一个运行的虚拟仪器中提取数据。 A key benefit of LabVIEW over other development environments is the extensive support for accessing instrumentation hardware. The paper is organized as follows: Section I, gives introduction to virtual instrumentation and need of the current work,Section II, explains the bio signal details, Section III discusses the challenges in the design, Section IV explains the performance and results,and the last Section V concludes the paper followed by references used.

生物信号-.ELECTOOCULOGRAM

电动电位产生的导电environmentof头骨内的眼球运动。电极放置在一边的眼睛或高于和低于他们拿起势产生的眼球运动。这种潜在的变化近似成比例的运动眼球。这个信号分别很小。这需要五电极下面placedabove和垂直运动的眼睛,和眼睛的两侧(眼角)水平运动。一个参考电极放在主题的前额上。考虑到成本和可靠性使得银(Ag)氯化银电极(AgCl)适合小城镇。一个基于氯化钠电解凝胶应用于自上层皮肤是电的不良导体。提出了几种方法在文学用眼电图(小城镇)发生眼球运动的结果[3],[5]。电动轮椅控制眼球运动使用小城镇开发作为运动支持设备。 An EOG based hospital alarm system has been successfully tested. An eye gazing system for detecting any point where the eye gazes on the screen has been developed for communication assistance purposes [4], [5].

降噪

此次信号有一系列的0.5赫兹到30 hz。因此,低通滤波器30 hz截止可以去除大部分的高频噪音。和0.5 Hz高通滤波器是必需的,这些传感器组合在一起形成一个带通50赫兹。其他噪音构件大多是瞬变引起的,例如,通过将电子开关的开/关附近的电极,面部或颈部肌肉的收缩,滑动的电极由于汗水和眼睛闪烁。然而,产生的信号眨眼,事实上,相当普通。他们作为突然出现峰值振幅的区别。因此可以很容易识别。

changedwhen眼睛移动和薄膜的运动转化为电气ofpotential变化。这种潜在的可以早用表面电极记录。提供anoninvasive方法记录全部ofeye运动。静态电位是一对电极需要measuringthe休息视网膜的潜力。赫兹)。Electrooculography技术(10到100 microv)和低频(dc = 30

建设和挑战

当前工作进行的主要目的是开发一个虚拟仪器可获得此次信号,执行噪声消除和放大。获得使用NI采集信号,设计合适的低成本放大器的放大和设计低通和高通滤波器。获得的信号是使用虚拟仪器前面板显示。前面板和框图设计。是图1所示的基本框图。

滤波器的带宽0.5赫兹到30 Hz。电力线路频率可以很容易地移除,使用陷波滤波器

保护电路,该电路包括保护装置的高电压可能出现在输入electrooculography在一定条件下不伤害它。

前置放大器:输入前置放大器进行初始放大的小城镇。这个阶段应该有很高的输入阻抗和高共模抑制比(CMRR。

隔离电路:电路这个块包含一个障碍的通过电流的功率线(50赫兹)。这一障碍会阻止危险的电流从病人通过放大器流向记录器的地面或微机。

驱动放大器:电路块放大了小城镇的水平可以适当地记录信号记录器。这个阶段也进行心电图仪的带通滤波信号的频率特性。

答:信号采集与处理

数据采集卡对多个通道模拟输入和输出是可用的。使用库,为数据采集程序是快速和容易。额外的噪声过滤使用巴特沃斯滤波器的选择、贝塞尔、切比雪夫我和切比雪夫二世LabVIEWsoftware中提供。采集卡的安装包括:

1。安装应用程序的软件

2。在组装之前,首先安装采集卡驱动程序到desktopcomputer采集卡。这个过程可以确保WINDOWS检测采集卡。

3所示。安装必要的设备、配件和电缆。

4所示。在电脑上。

5。确认设备是公认的。

6。运行测试面板。

在当前的工作中,M系列usb - 6221作为数据采集接口。

b .前面板的设计

不同的块面板中使用:

1。情况下结构:只有一子程序是可见的,和结构执行一次只有一个案例。输入值决定了哪些子程序执行。

2。时间延迟:等待(ms)函数等到毫秒计数器计数相当于您所指定的输入。这个函数保证循环执行速度至少是你指定的输入量。

3所示。过滤器:过滤器通过过滤器和windows表达VI处理信号。过滤器使用包括以下:高通滤波、低通,带通,Bandstop,平滑。Windows使用包括巴特沃斯、切比雪夫逆切比雪夫,椭圆,贝塞耳。

4所示。波形图:波形图显示一个或多个块均匀采样测量。

5。振幅和水平测量:他振幅和水平测量表达VI进行电压测量信号。包括直流、均方根、最大峰值、最低峰值、峰间,周期平均和周期有效值的测量。

6。语气测量:测量表达语气VI搜索一个音调最高的最高频率或振幅。它也发现了单个音调的频率和振幅。

7所示。写信给测量文件:写入测量文件表达VI写到一个文件在LVM或TDM文件格式。

8。构建表:一个信号或信号转换成一个表的数据列出了每个信号的振幅和时间数据为每个点的信号。

9。结果表:表使用控制面板上创建一个表。表中的每个单元格是一个字符串,每个单元驻留在一个列和行。因此,一个表是一个二维数组的显示的字符串。

10。字符串:一个字符串是一个可显示的序列或non-displayable ASCII字符。字符串提供platformindependent格式信息和数据。

11。While循环:重复子图里面,直到条件终端,输入终端,接收到一个特定的布尔值。

12。合并信号:合并两个或两个以上的信号到一个输出。添加输入调整的功能。这个函数出现在框图时自动连接信号输出线分支的另一个信号。

13。模拟信号:模拟信号表达VI产生模拟数据如正弦波。

14。数字控制和指标:数值数据类型可以表示数量的各种类型,例如整数或实数。两个常见的数字对象是数字控制和数字指标。(礼貌:国家仪器,虚拟仪器)

结果和讨论

从人体获得的生物医学信号往往很小,经常在毫伏/微伏范围,每个都有自己的处理需求。Electrooculography在微伏信号范围和有许多频率成分。

这些生物医学信号需要处理才能进行分析。虚拟仪器包含的工具,从快速傅里叶变换数字滤波器实现复杂的分析。为了做频率分析,必须首先被分解成一个复杂的信号频率成分。最常见的一种方法是FFT。

为了促进这种类型的分析,虚拟仪器提供了内置的fft算法,使组件分离快速和容易的过程。巴特沃斯数字滤波器提供的选择,贝塞尔,切比雪夫数字滤波器。有一些调整这些过滤器可以配置为几乎任何设计是必要的。

快速傅里叶变换(FFT)和功率谱分析的有力工具从插件数据采集和测量信号(数据收集)设备。

我们可以有效地获得时域信号,测量频率的内容和结果转换为现实世界的单位和显示如图所示在传统台式频谱和网络分析仪。由于感兴趣的信号是连续变化的非平稳信号,小波变换块已经包括在内。

小波变换是一种数学工具,一个信号分解为代表的显示信号的细节和趋势作为时间的函数。

小波方法比传统的傅里叶方法的主要优点是局部基函数的使用和更快的计算速度。

答:设计注意事项

的工作包括四个阶段进行讨论如下。第一阶段是电极的选择。电极被选出的关心保护眼睛免受有害元素。银/氯化银电极被选中是因为半电池电位接近零。电极与halfcell潜在的最小数量是有价值的,因为它们造成的

b设计注意事项

阶段2和3包括水平和垂直运动的检测,分别。第二阶段(水平歧视)检测每只眼睛周边的横向运动。的硬件在此阶段由小城镇生物电势放大器。同样,第三阶段(垂直歧视)由另一个小城镇生物电势放大器。电极的位置如图3所示。当眼睛直直地看着前方,创建一个稳定的偶极子在两个电极之间。目光转向左边时,积极的角膜变得接近左电极,它变得更加积极。以下性能最少的偏移量。根据定义,氢电极半电池电位为零,但由于气体性质,那么他们不能使用。虽然铅电极半电池电位低于Ag / Ag-Cl电极、铅危害健康,因此避免了。 Thus my choice of electrodes takes into account an optimal level of safety regulations and precision (least offset).

规范是基于小城镇的电压和频率范围的信号。

频率范围DC - 50赫兹

输入电压范围50 - 2500μVolts

电压增益~ 3828

因此通过将电极左右和上方和下方,水平和垂直运动。第二和第三阶段的输出是输入到最后阶段,虚拟仪器数据采集软件工具和个人电脑。虚拟仪器的选择另一种流行的数据采集工具,由于其更广泛的图形功能和可用性。虚拟仪器必须通过小城镇的信号转换成可判断的数据方向歧视。此外,将在虚拟仪器中实现模拟图形显示一个图标在电脑屏幕上的运动。

图5显示了眨眼,图6和图7显示了垂直运动和图8显示了水平运动的眼睛被设计的数据采集系统,由前面板显示。

c .垂直眼球运动:

d水平眼球运动:

提取实验,以供将来使用的信息获得可见的结果表的右侧面板下面是表1所示。

结论

个人电脑的性能不断提高,成本已经降低。这促进了开发基于PC信号采集与分析系统。这些系统可以取代昂贵的独立系统,目前正在使用。Thecomponents所必需的一个基于虚拟仪器的采集和分析系统areinexpensive,和容易得到的。在这里,基于PC的初始需求biosignal采集和处理系统研究和综述。使用虚拟仪器开发基于PC的系统是一种有效的替代独立的系统。此次放大器设计。数据获得放大、过滤和观察到的前面板。的水平和垂直运动的眼睛和眼睛眨眼是可视化。作者希望得出系统的精度和功能有一定的局限性。 There is lot of scope for future improvement of the developed system.

承认

作者要感谢部门主管、实验室工作人员、机构虚拟仪器学院,大学创新中心允许进行实验,也感谢所有参加试验的受试者有合作。

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