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天津市虚拟仿真实验教学建设项目立项申报表

学 校 名 称 天津医科大学

实 验 教 学 项 目 名 称 基于虚拟仿真的心电测量:

从电路设计到信号采集与分析

所 属 课 程 名 称 生物医学电子学

所 属 专 业 类 别 工学类

所 属 专 业 代 码 082601

所 属 专 业 名 称 生物医学工程

实验教学项目负责人姓名 乔清理

实验教学项目负责人电话 18622496598

所 在 实 验 中 心 网 址 http://www.tmu.edu.cn/bmesyjxzx/

是否为高校联合申报项目 否

是否为支持中西部地区高校项目 否

天津市教育委员会 制

二〇一八年十二月

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填写说明和要求

1.以 Word 文档格式，如实填写各项。

2.表格文本中的中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩

写，再次出现时可以使用缩写。

3.所属专业类别、专业代码和专业名称，依据《普通高等学校

本科专业目录（2012 年）》填写。

4.涉密内容不填写，有可能涉密和不宜大范围公开的内容，请

特别说明。

5.表格各栏目可根据内容进行调整。

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1.实验教学建设项目教学服务团队情况

1-1 实验教学建设项目负责人情况

姓名 乔清理 性别 男 出生年月 1965，11

学历 研究生 学位 博士 电话 83336939

专业技术职务 教授 行政职务 手机 18622496598

院系 生物医学工程与技术学院 电子邮箱 qlqiao@tmu.edu.cn

地址 天津市气象台路 22号 邮编 300070

教学研究情况：主持的教学研究课题（含课题名称、来源、年限，不超过 5项）；作为第一署名人在国内外

公开发行的刊物上发表的教学研究论文（含题目、刊物名称、时间，不超过 10项）；获得的教学表彰/奖励（不

超过5项）。 1教研项目： （1）“基于合作教育的生物医学工程产学研协同育人模式研究与实践” 天津医科大学，校级重点教学项目，2017-2018，项目负责人。 （2）“产学研医多方协同育人模式改革与实践”，教育部“新工科”研究与实践项目，2018-2020，项目负责人。 2教学成果： （1）“项目为载体，科教深度融合， 创新人才培养模式的构建与实践”，天津医科大学 2018年教学成果二等奖，第一完成人。 （2）2017年第十四届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技作品竞赛二等奖 1项，指导教师。 （3）2017年“启诚杯”第六届天津市大学生电脑鼠走迷宫竞赛二等奖，三等奖各 1项，指导教师 （4）2016年（第十一届），2017年（第十二届）“合泰杯”天津市大学生单片机应用设计竞赛，三等奖 2项，指导教师。 （5）2016-2017年校级大学生创新创业训练计划项目 2项， 2018年市级大学生创新创业训练计划项目 1项，指导教师 （6）2队 6人获得 2017年（第三届）、2018年（第四届）全国生物医学工程创新大赛，全国一等奖各 1项。指导教师。 3 教学论文与教材： （1）在“中华医学会医学教学分会”举行的“2018年“医学教育研究与改革专题会议”上发表“科教深度融合，创新认错培养模式的构建与实践”论文，并受邀在大会做 8分钟报告（获得二等奖）。 （2）参与了 2本卫计委和人民卫生出版社“十三五”规划的首套生物医学工程系列教材编写工作:《医疗设备临床应用》（编者，已出版）和“《临床工程学》（副主编，出版中）。

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学术研究情况：近五年来承担的学术研究课题（含课题名称、来源、年限、本人所起作用，不超过 5项）；

在国内外公开发行的刊物上发表的学术论文（含题目、刊物名称、署名次序与时间，不超过 5项）；获得的学

术研究表彰/奖励（含奖项名称、授予单位、署名次序、时间，不超过 5项）。 1.Wu J , Jin M , Qiao Q .Modeling electrical stimulation of retinal ganglion cell with optimizing additive noises for reduc threshold and energy consumption.Biomed Eng Online. 2017 Mar 27;16(1):38. doi: 10.1186/s12938-017-0333-z. 2 吴竞; 乔清理; 金梦华.基于随机共振的视网膜神经节细胞信号检测与传输的增强 ,航天医学与医学工程,2017,313-320 3. 李鹏,乔清理,吴竞. 基于MEMS加速度传感器的倾斜鼠标. 纳米技术与精密工程 ,2016,440-446 4. 李鹏,乔清理,吴竞.基于MEMS加速度传感器的无手鼠标. 传感器与微系统,2016,80-83 5.王薇,乔清理,高卫平,吴俊.微电极阵列电刺激视网膜的温度场有限元分析.生物医学工程学杂志,2014,1255-1259 以上文章，均为通讯作者 项目“重复经颅磁刺激修复老年性痴呆和癫痫的神经信息学研究”2007年度天津市科学技术进步奖二等奖 （第五完成人）。

1-2 实验教学建设项目教学服务团队情况

序号 姓名 所在单位 专业技

术职务

行政

职务 承担任务 备注

1 王索刚 生物医学工程 与技术学院

副教授 教研室主任 G语言编程

2 马增光 生物医学工程 与技术学院 讲师 教师 Protues电路仿真和ECG硬件设计 在线教学服务

3 孙金平 生物医学工程 与技术学院 工程师 ECG硬件制作 在线技术支持

4 王大珅 生物医学工程 与技术学院 助理研究员 ECG信号预处理和特征提取

“

注：1.教学服务团队成员所在单位需如实填写，可与负责人不在同一单位。 2.教学服务团队须有在线教学服务人员和技术支持人员，请在备注中说明。

2.实验教学建设项目描述

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2-1 名称 基于虚拟仿真的心电测量:从电路设计到信号采集与分析

2-2 实验目的： 生物医学电子学是利用电子学的理论和技术采集，处理和记录人体信号和应用电能作

用于人体的课程。虚拟医学测量是基于计算机软、硬件相结合的测量技术。它是随着计算机技术、现代医学测量技术发展而发展起来的,代表着当今医学测量发展的最新趋势。本实验目的设计一个虚拟心电信号测量系统,它能够对心电信号进行采集、分析、处理等功能。

2-3 实验原理（或对应的知识点） “生物医学电子学”是利用电子学的理论和技术对人体结构、机能的生理信息进行检测及对检测的信号进行处理的科学。生物医学电子学也是生物医学工程的根，近代生物医学电子学在动作电位的发现，离子通道研究,神经科学诞生与发展，心电和脑电测量等疾病临床诊断都起了重大作用。所以，“生物医学电子学”是生物医学工程一门重要的方向和课程。 本实验是基于这种思想“如果一个生物医学工程专业的本科生能够设计一个简单的装置或电路，在自己身上检测出生理信号，然后对信号进行预处理和分析，就达到专业培养目标”设计的一个学生有笔记本，安装上相关软件，花费 100 元左右自己或随课程可实现的一个实验。实验的以 “心电信号的检测”为背景，涉及内容主要是“生物电子学”的核心内容，知识点包括： 1 生物电放大器设计：信号放大是信号调理的基本方式,由于信号从传感器中输出时是非常微弱的,因此必须先对这些信号进行放大处理来提高分辨率、减少噪声,这样才能顺利的进行信号的预处理和其它相关处理。前置放大器是用来将信号进行放大、将原来的高输出阻抗转为低输出阻抗等处理。本实验中所要采集的心电信号是一种频率非常低的微弱电信号,因此，整个信号调理中对于放大器的要求非常高。为了达到最优的测量精度,经过放大后的信号最大动态电压范围需要正好满足ADC的动态电压范围。

根据ECG信号的特点和通过电极提取电信号的方式,生物电信号放大器的前置级需要满足几点要求如: 高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移。仪表放大器（英语：Instrumentation Amplifier 或称精密放大器简称 INA），差分放大器的一种改良，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，使放大器适用于测量ECG。

图 1 仪器放大器原理图

2 滤波器设计： 滤波处理可以达到将一些干扰信号从被测信号中消除的目的。提高信号的信噪比是各种滤波技术的目

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的,也是预处理的核心内容。一般我们所获得的信号都会存在电器干扰、部件振动干扰以及临近机器的各种干扰等，而工频干扰对我们所要提取心电信号中也存在很大影响。滤波可以从实质上将某频率段范围内的信号成分得以抑制或除去。根据ECG通频带的范围,我们可以将滤波处理分为高通滤波、带通滤波、低通滤波三种滤波。往往有用的特征信号都会集中在一个或某些频带中,因此我们只需将提取信号的宽频带范围内的其它不需要的频带信号进行滤除,就可以提高信噪比。

图 2是讲义上一般性的压控电压源滤波(VCVS)电路基本结构，称为压控电压源，点划线框内由运算放大器与电阻 R 和 R0构成的同相放大器压控电压源，也可以由任何增益有限的电压放大器实现，如使用理想运算放大器，压控增益Kf＝1+R0/R，该电路传递函数为

243154321

21

])1([)()(

YYYKfYYYYYYYYK

sH f

+−+++++= （1）

式中 Y1~Y5——所在位置元件的复导纳，对于电阻元件Yi=1/Ri，对于电容元件Yi=ωCi（i=1~5）。Y1~Y5

选用适当电阻R、电容C元件，该电路可构成ECG的低通、高通与带通，带阻二阶有源滤波电路。

图 2 压控电压源型二阶滤波器的基本结构 3 心电数据采集

心电信号在进行放大与滤波等预处理后,需要通过数据采集卡将数据采集到上位机。然而数据采集硬件的性能对所采集信号的质量具有相当重要的影响,所以选取合适的采集卡至关重要。

采集卡的技术指标一般会从模拟输入方式、通道数、AD 转换芯片的类型、数据总线接口类型、采样率、数据分辨率六方面进行首要考虑。对 ECG 是多通道输入，学生比较易错的是模拟输入模式。模拟输入方式包含差分与单端两种,而模拟通道数也可以分为差分输入通道数和单端输入通道数。通道数是根据模拟输入来决定的,这里将模拟输入方式与通道数一同说明。如果所有输入信号都是以共同的地线为基准,输入信号源距离采集端很近, 并且采用高电平输入(一般定义为高于 1V),这种情况就属于单端输入,此时的通道数就为单端输入通道数（ECG单导联，或各导联独立采集）。另一种是差分输入方式。这种方式中,不同的输入都会有自身的基准地线,而且共模噪声所产生的误差会减小,输入精度提高。此时的通道数就属于差分输入通道数;AD 转换芯片的类型分为直接比较型和间接比较型,对于同样的输入模拟信号这两种类型的区别就在于前者通过与标准参考电压比较得出数字信号,后者是经过中间量转换为数字信号；数据总线接口类型是根据仪器中硬件板卡接口来区分的,不同的类型其传输数据的速度亦不同；采样率是采样时的速率,它取决于每秒钟所进行的数模转换的次数；数据分辨率是模数转换器用来表示模拟信号的位数,信号范围被分割的越细,能探测的电位变化就越小,因此分辨率就越高。

4 生物信号信号预处理与分析 （1）ECG 可能是异常模式，这可能是病理状态引起的，有时也可能是人为因素造成的。 也可能是心电

Y1

Y4

Y2

Y5 R

Y3

RO

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图轨迹上存在不良的伪迹，这伪迹需要去除，主要有： 电力线的干扰：电力线干扰很容易识别，因为心电图中的干扰电压频率为 50 赫兹。这种干扰可能是由于交流电对病人产生的杂散效应，或者是由于病人电缆中回路引起的交流电场。其他干扰的原因是病人电缆上接触松散以及电极脏。当机器或病人接地不当时，电力线干扰甚至可完全模糊心电图波形。 基线漂移：即摆动的基线，通常是由于病人或电极移动所致。基线漂移可以通过确保病人放松地躺着和电极的正确连接来消除。 肌肉震颤：当病人不放松或寒冷时，心电图轨迹有不规则颤动。 （2）消除基线漂移 基线漂移通常来自于频率在 0.15Hz到 0.3Hz之间的呼吸，它可以被高通数字滤波器抑制。小波变换还可以通过消除心电图信号的趋势来消除基线漂移。基于小波变换的方法比基于数字滤波器的方法更好。LabVIEW ASPT（高级信号处理工具包）提供了WA Detrend虚拟仪器（VI），消除了信号的低频趋势。

2 2

趋势水平= log 2 / logt N （2）

其中 t 是采样持续时间，n 是采样点的数量。实验中数据采样持续时间为 10 秒，共 5000 个采样点，因此根据上述方程，趋势水平为0.35。趋势级别指定了小波分解级的数量，大约为:

2分解的级数 （1-趋势水平）log N= （3）

（3）QRS波的检测 QRS 波的基本检测函数是空间速度(SV)，它具有频域上的带通特性，是定义的每个信号信道一阶导数的二阶最小二乘近似。如果 xi,k是 kth 导联中的 ith 样本的幅度，其中 i 可以是 1 到N 之间的任意整数(这里N=5000)，k可以是介于 1到L之间的任意整数(这里L=12)，则得到空间速度(SV)：

0.5

2

2, 2, 1, 1,1

1[2( ) 6( )]

L

i i k i k i k i kk

SV x x x xL + − + −

=

= − + −

∑

（4）

QRS检测首先求出心电文件的最大空间速度，然后将阈值设置为最大值的40%。大于阈值的空间速度值表示存在一个R峰。然后相对于R不同距离，设定不同宽度的一些系列时间窗，检测出QRS的起始值和结束值，Q波，S波，T峰。根据某一疾病类别的要求，从原发性心电图特征中获得波间期、额面轴、ST段等次要特征。心率(HR)每分钟按平均RR间期(RRI，RR interval)计算，使用公式：

60

平均 (s)HR

RRI= (5)

2-4 实验仪器设备（装置或软件等） 1. 计算机：台式计算机或笔记本均可 操作系统 Windows 7 专业版；处理器 ：64位，主频 2.0GHz以上 ；内存容量：2GB以上；硬盘：256GB以上；显示屏：14英寸或以上，分辨率 1920×1080，显存容量 2GB；USB2.0以上接口。 2 编程及数据采集卡 虚拟仪器仿真软件：NI LabVIEW 2016版以上（64位，英文版）； 通用数据采集卡：NI USB-6002采集卡及其 配套的软件NI-DAQmx 模拟电路仿真软件：Proteus 8 专业版（英文版） 3 电子实验通用仪器：

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函数发生器：可产生 0.01Hz-1MHz范围的正弦波，方波即可。 直流电源：直流输出 0-±25V,电流 0-1A，两路输出。 示波器：20MHz带宽，2通道，数字模拟示波器均可。

2-5 实验材料 1 通用电子实验材料：BNC分流器，BNC电缆，BNC至鳄鱼夹，香蕉插头，鳄鱼夹；面包板。 2 仪表放大器： 3个LM741运算放大器，4个 100 kΩ电阻器，1个 5.6kΩ电阻器，1个 820Ω电阻，1个100Ω电阻，2个 2.7KΩ电阻器，2个 470kΩ电阻器 3 高通滤波器：1个LM741运算放大器；1个 470 kΩ电阻器，1个 56 kΩ电阻器，1个 1µF电容 4 陷波滤波器：1个LM741运算放大器；6个 220nF电容器；2个 680Ω电阻器；2个 100Ω电阻器；1个 12Ω电阻；1个 10Ω电阻器；1个 180 kΩ电阻器；1个 22 kΩ电阻器 5 低通滤波器：1个LM741运算放大器，1个 22nF电容器，1个 68nF电容器，1个 15 kΩ电阻器，1个 56 kΩ电阻器。

2-6 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果） 本实验是目的是提取生物电位，并对信号进行放大和滤波。首先设计出心电信号测量的调理电路，通

过表面电极获取原始心电信号。电极被放置在病人的皮肤上。电极的位置是由 Einthvens 三角形指定的。然后，采用NI USB 6003卡作为数据采集平台。特别是为数据采集而设计的NI LabVIEW应用程序，被用于数据记录和可视化。为了获得无噪声的心电信号，采用LabVIEW中提供的数字滤波工具，如图 3所示。

图 3 实验的系统框图

整个实验按照以下步骤进行： 1 调理电路的设计与仿真

（1） 创建仪器放大器 仪器放大器将用于放大在病人上记录的信号。生理信号如心脏的电信号非常小，需要放

大才能被有效地处理和观察。仪表放大器是一种差分放大器，它放大两个输入信号之间的差。该系统是有益的，因为差分放大器 可以消除来自ECG信号的共模噪声，因为减去这些信号会导致互相减除共同的噪声。然后，这种差被放大，因为从皮肤电极测量到的ECG信号幅度很低(从几微伏到大约 3毫伏)。 使用无源电缆时，信号应放大约 1000。放大器由两级组

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成，增益应在两级之间平均分配，以获得最佳结果。上图显示了仪表放大器的原理图。然后可以根据增益方程计算电阻值。

图 4 仪器放大器的设计与仿真

因此，用上述材料设置R1=5.6kΩ，820Ω和 100Ω，R2=100 kΩ，R3=2.7kΩ和 470Ω，R4=100 kΩ。由于两个阶段的增益的乘积应该等于 1000，这些电阻值将使每个阶段的增益约为 31.5(平方根为 1000，因为增益在两阶段之间相乘)。图 4右侧第二图为仪器放大器的增益与相位频谱图，可以看到仪器放大倍数约为 60dB(即 1000倍) （2）创建Notch过滤器 根据下述公式可以得到电路的参数。为了消除 50 Hz的电力线干扰，需要使用陷波滤波器。此功能使用陷波滤波器，因为它是可用于选择性地移除特定频率的滤波器。为了创建这个陷波滤波器，上图中的原理图应该用R6=680Ω、100Ω和 12Ω、R7=180 kΩ和 22 kΩ、R8=680Ω、100Ω和 10Ω创建。图 5的右侧可以看到频率 50Hz的信号的幅值有很大的衰减。

1 21 2 3

1 1 1 2

1 2, ,

4 4

R RQR R R

f QC f C R Rπ π= = =

+ （6）

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图5 用于ECG测量的陷波滤波器

（3）创建低通滤波器

低通滤波器是消除其他电子设备产生的高频噪声所必需的。具体地说，我们构造了一个VCVS低通滤波器，它是一个二阶电压控制的电压源放大器。与一阶滤波器不同，该滤波器具有 40分贝/十倍频程的衰减，而不是 20分贝/十倍频程的衰减，因此它是一种更具选择性的滤波器，可以终止频率接近截止频率。需要创建的电路如图 6所示。

采用了公式（1）书中的推导，确定图中的电阻和电容值为R9=15kΩ，R10=56kΩ，C3=68 nF，C4=22 nF。这些数值是根据 150 Hz的低通截止频率计算的。选择此值是因为正常的心电图信号范围为 0.05~150 Hz 。

图 6 用于ECG 的低通滤波器

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（4）创建高通过滤器

采用高通滤波器消除了出现在 0.3Hz以下的自然ECG波形中的基线漂移。它还过滤掉了由于呼吸而产生的噪音，这些噪音发生在 0.15到0.3赫兹之间。因此，截止频率设置为0.3赫兹。C2为1微法拉，采用了公式（1）书中的推导，确定图中的电阻R5为526kΩ，由470 kΩ电阻器和56kΩ电阻器组成。

图 7 ECG高通滤波器

（5）整合 创建模拟电路的最后一步是将所有部分连接在一起。将前面的三个滤波器整个在一起，可以得到图 8的电路图和图 9的频谱图。

图8 ECG滤波器器电路设计与仿真结果

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图 9 ECG滤波器的幅频特性图

2 创建LabVIEW 程序，用NI USB6002 卡作为数据采集。 通用的实现数据采集方法就是将数据采集板卡装入电脑的主机中,将驱动光盘插入,在安装界面中就会

出现我们所需要的硬件驱动程序,将驱动程序安装完之后采集卡就可以应用了, 基于系统性能的要求和被测信号的特点等诸多因素,我们在选取数据采集卡是需要多方考虑,同时要将实验中所考虑的要求以及采集卡性能、价格等因素都要经过合理的筛选。本系统所采用的数据采集部分是美国国家仪器公司(NI)的低功耗系列的多功能数据采集卡USB‑6002。 USB‑6002是一款低成本的多功能DAQ设备。 它提供了模拟 I/O、数字 I/O和一个32位计数器。 USB‑6002为简单的数据记录、便携式测量和院校实验室实验等应用提供基本的数据采集功能。 该设备具有轻便的机械外壳，采用总线供电，非常便于携带。 您可以通过螺栓端子接口轻松将传感器和信号连接到USB‑6002。

Laboratory Vırtual Environment Workbench(LabVIEW)是美国国家仪器公司提供的一种软件。它已经成为一种非常流行的用于测量和自动化的编程语言 。 结合LabVIEW软件中的数据采集子VI,就能够实现硬件采集与软件编程的结合。 采集卡USB‑6002可在Windows 7操作系统下, NI-DAQ助手可以将实时的电压信号采集到计算机上。在LabVIEW中，使用DAQ助手工具从数据采集卡中获取数据到程序中，图10所示。在工具的配置设置中，选择采集模式作为连续模式。另外，采样率为 1k(Hz)，信号采样率为3K。 NI-DAQ助手的应用非常简单、方便,同时实时采集的性能也减小了信号在传输过程中的衰减,避免失真。它简单的操作,给我们的底层编程减少了很多不必要的步骤,减少工作量,提高工作效率。

图10 DAQ助手工具 信号采集模块的主要作用是读取数据采集卡的信号，通过 Lab VIEW 中的数据采集助手 DAQ 节点控制 DAQ设备完成数据采集，或自己利用LabVIEW G语言编程实现数据采集，本实验编程的信号采集模块程序框图如图 11 所示。这样在前面板上用户可自行设定信号通道、采样时间、采样频率以及是否保存数据等。

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图11 信号采集模块程序框图

（1）选择任务的测量类型：本实验选择模拟输入一项中的电压选项, （2）选择或添任务的物理通道：这根据导联数，测量方式确定。 （3）配置通道具体设置：用户可以配置所需通道的具体设置,如刻度、输入范围和终端方式等,也可以配置任务的具体设置,譬如采样时钟和触发等。一般测量设备电压输入要求为-10V~10V,同时根据采集信号的要求配置采样方式和采样率。 3 ECG预处理与分析 LabVIEW ASPT（高级信号处理工具包）提供了WA Detrend虚拟仪器，消除了信号的低频趋势。算法如原理部分所述。我们在这里使用的数据库是8。WA去趋势虚拟仪器可以选择指定用于离散小波分析的小波类型。本文选择的是Daubecges(DB6)小波，因为该小波与真实的心电信号相似，而Daubecges小波是正交小波，适合于信号去噪，而双正交小波适用于信号特征提取。DaubecariesDB6小波如图12所示。

图12 DaubecariesDB6小波 利用小波变换, 快速虚拟仪器(Express Virtual instrument)将心电信号分解成多个子带，然后应用阈值或收缩函数对每个小波系数进行修正，最终重构去噪信号。从现有的阈值设置选项中选择软阈值，选择的阈值规则是“通用”的，虚拟仪器将阈值设置为(2*logN)0.5。虚拟仪器提供了一种选择离散小波变换或非抽样小波变换对信号去噪的选择。使用的变换类型是非抽样小波变换(UWT, undecimated wavelet Transform)对心电信号进行去噪。与离散小波变换相比，UWT具有更好的平滑性和精确性。VI图如图13所示，两个不同文件

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的预处理结果如图14和图15所示。

图13.以消除基线漂移和宽带噪声的VI图。

图14 (A)原始信号；(B) 移除基线漂的信号；(C)去噪的信号。

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图15 (A)原始信号；(B) 移除基线漂的信号；(C)去噪的信号。

3.QRS波检测 心电信号分析软件的目的是提取各导联的主要心电参数、次级心电参数，并对疾病进行分类。参数提取从QRS波的检测开始。QRS波的基本检测函数是空间速度(SV)。特征提取的模块LabVIEW G语言实现如图16所示。

图 16 特征参数提取模块程序框图

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2-7 实验方法与步骤要求（学生实际参与的交互性实验操作步骤须不少于 10 步） 基于NI USB-6002的ECG采集 1 .根据提供的材料，和仿真结果，创建ECG的调理电路 2放置导联：已知所需的电极，按照标准导联 I、II和 III放置，形成Einthvens三角形，如图17所示。

图17 标准导联放置示意图 3 部件之间连接。用鳄鱼夹将设计的心电调理电路与电极连接起来，将调理电路的输出与NI –USB6002； 4在笔记本上安装随NI-USB6002的光盘中的DAQmx驱动； 5 建立采集卡与笔记本的连接。安装完成后，将USB6002连接至计算机，打开NI MAX，在我的系统-设备与接口-NI USB-6002"Dev1"可以发现我们所连接的设备。可以对采集卡进行：重置（发生严重错误），自检（检测板卡是否完好），设备引脚（查看引脚图），以及对测试面板等操作； 6 ECG模拟量输入：选择正确的通道名，模式（对ECG选择差分方式）以及输入配置（接线方式），以及采用的最大输入限制和最小输入限制；以及采用率和采用数（与模式有关）（参数参照前面所述）；然后点击开始； 7数字量输出：选择正确的通道名，模式，输出值以及输出的最大输入限制和最小输入限制；然后点击刷新； 8 将ECG采集时长10分钟记录为一个文件 9 运行 ECG预处理模块VI，如图13 10运行ECG 特征提取模块VI，如图18 11点击特征提取模块的不同输出，得到ECG的不同参数，如得到心率。

2-8 实验结果与结论要求 图18示出6导联的心电图记录、空间速度函数和在图形的最底部检测到的R峰位置；所有12导联上也

是用方程(1)一样计算。从图中可以看出，空间速度函数在QRS区域是最大的。QRS检测首先求出心电文件的最大空间速度，然后将阈值设置为最大值的40%。大于阈值的空间速度值表示存在一个R峰。搜索窗口大小为40 ms的最大值提供了精确的R峰位置。一旦检测到R峰，则在300ms内不会出现另一个峰值，并且通过在每个检测到的R峰值之后跳过300 ms来实现此过程。通过在R峰前60 ms和R峰后60 ms的窗宽中 找出最小空间速度值，得到QRS的起始值和结束值。

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图18 六导联心电图记录及其空间速度和在最下曲线指示的R峰位置。

有RQS波可以检测出其它ECG特征波，如图19所示。对于Q波检测，在R峰前持续时间为40 ms的窗口中，幅检出度最小的样本为Q波。对于S波检测，和Q波检测步骤一样，但是在R峰后40 ms的窗口时间内。通过在从R峰之前的100 ms开始到R峰之前的30 ms，窗口宽度为70 ms内搜索最大值来检测到P峰。对于T峰检测，在从R峰后150 ms开始到R峰后300 ms结束的 150 ms窗口宽度中启动扫描，找到最大值/最小值。通过在(P峰两侧80 ms)160 ms的窗口宽度中搜索零交叉点或最小值，找到P波开始和结束点。通过在(T峰两侧为100 ms)窗口宽度为200 ms中搜索过零点或最小值来获得T波的开始和结束点。

图19.用星号(*)检测R峰，用加号(+)检测Q和S峰，用点(.)测出P和T峰。

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如果心率超过每分钟100次，则被视为心动过速。如果心率小于每分钟60次，则被视为心动过缓。

2-9 考核要求

1 利用 Proteus 画出模拟电路原理图

2 利用 Proteus给出的激励，分析工具尤其是频谱响应，会分析电路的频谱特性

3 掌握采集卡的技术指标

4 重点掌握ECG调理电路的设计与仿真，ECG的预处理与RQS波的检测

2-10 面向学生要求

（1）专业与年级要求：生物医学工程专业，仪器类专业，测量技术专业大三以上本科生

（2）基本知识和能力要求等：

学习过：电路，模拟电子学；使用过Proteus电路仿真软件

对计算机Windows操作环境熟悉

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3.实验教学建设项目相关网络要求描述

3-1 所在实验中心网址

http://www.tmu.edu.cn/bmesyjxzx/

3-2 网络条件要求 （1） 说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）：目前的公共网络都

可以，带宽要求在 1Mbps 即可。 （2） 说明能够提供的并发响应数量（需提供在线排队提示服务）：并发响应在 30 个

电脑（学校服务器做数据库）。

3-3 用户操作系统要求（如Windows、Unix、IOS、Android 等） （1） 计算机操作系统和版本要求

Windows 7专业版（64位） （2） 其他计算终端操作系统和版本要求

Window server 2012, 手机Android 4.0以上版本

3-4 用户非操作系统软件配置要求（如浏览器、特定软件等）

（1） 计算机非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）

虚拟仪器仿真软件：NI LabVIEW 2016版以上（64位，英文版）； 通用数据采集卡：NI USB-6002采集卡及其 配套的软件NI-DAQmx 模拟电路仿真软件：Proteus 8 专业版（英文版）

（2）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）

3-5 用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等） （1） 计算机硬件配置要求 操作系统 Windows 7 专业版；处理器 ：64位，主频 2.0GHz以上 ；内存容量：2GB以上；硬盘：256GB以上；显示屏：14英寸或以上，分辨率 1920×1080，显存容量 2GB；USB2.0以上接口。 （2）其他计算终端硬件配置要求

3-6 用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等） （1）计算机特殊外置硬件要求 （2）其他计算终端特殊外置硬件要求

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4.实验教学建设项目技术架构及主要研发技术 指标 内容

系统架构图及简要说明

实验教

学项目

开发技术（如：3D 仿真、VR 技

术、AR 技术、动画技术、WebGL技术、OpenGL技术等）

Windows 软件：MFC应用程序空间，

LabVIEW ECG预处理模块，LabVIEW 信

号处理工具包，ECG特征提取VI

开发工具（如：Unity3d、Virtools、Cult3D、Visual Studio、Adobe Flash、百度VR 内容展示SDK等）

LabVIEW集成开发环境

管理 平台

开发语言（如：JAVA、.Net、PHP等）

LabVIEW G语言

开发工具（如：Eclipse、Visual Studio、NetBeans、百度VR 课

堂SDK 等）

采用的数据库（如：Mysql、SQL Server、Oracle等）

5.实验教学建设项目拟建成特色 （1） 互动的电路仿真：用户甚至可以实时采用各种器件。 （2） 动态实时仿真设计结果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备

的电子设计开发环境。直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

（3） LabVIEW及系统的功能由使用者根据自己的需要灵活地定义,通过不同功能模块的组合可构成多种仪器,而不必受限于仪器供应商提供的特定功能。

（4） 基于虚拟仪器的灵活性,我们仅需更新仪器的硬件模块或者软件系统就可以更新仪器功能,而且可以将最新技术集成到虚拟仪器中,扩展其功能。

（5） 虚拟仪器基于软件的体系结构大大节省了开发时间和维降低维护费用.。

（6） 虚拟仪器技术继承计算机技术的优点,具有高性能的优势,此外虚拟仪器的另一突出优势是不断提高的网络带宽,虚拟仪器的性能随着计算机器件性能的提高而提高。

6.实验教学建设项目持续建设服务计划

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从 2016年起，我们就在”生物医学电子学”，生物医学课程设计和生物医学工程

本科毕业设计中开始建设这项目，并利用这成果参加了 2次“教育部生物医学工程教

学指导委员会”主办的生物医学工程创新大赛，并获得 2个一等奖。

在教学使用工程中，改变了实验只在实验室做的传统，授课教师可以随课进行演

示，引起了广大师生的极大兴趣，大大提高了学生的学习积极性。

今后我们在网络化和数据积累方面做好工作。我们已经购置了服务器，和相应的

版权软件。我们的研发团队有计算机专业的，和生物医学工程专业和电子专业的，无

论是在软件和硬件创建上都提供了有力的保障。

7.诚信承诺

本人已认真填写并检查以上材料，保证内容真实有效。

实验教学建设项目负责人（签字）：

2019 年 2 月 22 日

8.申报学校承诺意见

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本学校已按照申报要求对申报的虚拟仿真实验教学建设项目在校内进行公示，并

审核项目的内容符合申报要求和注意事项，符合相关法律法规和教学纪律要求等。经

评审评价，现择优申报。

本虚拟仿真实验教学建设项目如果被认定为“天津市虚拟仿真实验教学项目”，学

校承诺将监督和保障该实验教学项目面向高校和社会开放并提供教学服务不少于 5

年，支持和监督教学服务团队对实验教学项目进行持续改进完善和服务，并予以经费

投入和保障。

主管校领导（签字）：

（学校公章） 2019 年 2 月 26 日