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基于NI LabVIEW8.5的脈搏信號檢測與分析系統(tǒng)
摘要: 應用方案:使用NI公司的LabVIEW 8.5作為軟件開發(fā)平臺,結合自行設計的脈搏信號采集裝置,,開發(fā)了一個具有信號分析,、處理、顯示以及對數(shù)據(jù)進行回歸分析等功能的脈搏信號測量系統(tǒng),。
Abstract:
Key words :

        挑戰(zhàn):根據(jù)人體阻抗特性,,通過拾取阻抗變化測量人體脈搏信號。利用LabVIEW強大數(shù)字信號處理功能還原脈搏波形,,并對波形的特征信息進行提取及存儲。采集足夠的數(shù)據(jù)后,,主要運用該語言的數(shù)學程序庫以及數(shù)值分析計算功能進行回歸分析,,建立相關數(shù)學模型,,揭示脈搏信號與心血管類疾病的聯(lián)系,。

  應用方案:使用NI公司的LabVIEW 8.5作為軟件開發(fā)平臺,,結合自行設計的脈搏信號采集裝置,,開發(fā)了一個具有信號分析,、處理,、顯示以及對數(shù)據(jù)進行回歸分析等功能的脈搏信號測量系統(tǒng),。
  使用的產(chǎn)品:LabVIEW8.5學生版
  介紹
  在世界范圍內(nèi),心血管類疾病患者與日俱增,,已成為人類健康的頭號殺手,。美國心臟協(xié)會報告稱,每年大約有240萬美國人死于心血管疾病,,其中尤以高血壓患者所占比率最高,,現(xiàn)象最為普遍。中國衛(wèi)生部公布中國心血管疾病患者已超過1.5億,,心血管病是目前中國人群最主要的死因,。因此預防此類疾病的產(chǎn)生顯得尤為重要。
 
  人體脈搏系統(tǒng)是心血管系統(tǒng)的重要組成部分,,從脈搏波中提取人體的生理和病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù),,受到中外醫(yī)學界的重視,,脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài),、強度、速率,、節(jié)律等方面的綜合信息,,在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中的許多生理病理的血流特征。中醫(yī)的診脈理論認為脈搏波的傳播與心血管系統(tǒng)的血液運動,、血管壁運動規(guī)律有著密切的聯(lián)系,。
 
  脈搏信號形成機理
  血液在心血管組成的循環(huán)系統(tǒng)中按照一定的方向周而復始的流動,稱為血液循環(huán),,其動力來源與心臟,,心臟通過做有秩序的收縮和舒張活動,,使血液源源不斷地從心臟射入動脈,心臟每收縮一次,,動脈內(nèi)的壓力就發(fā)生一次周期性的波動,,這種周期性的壓力變化引起動脈血管發(fā)生波動,稱為脈搏,。脈搏可以沿著動脈管壁向外周血管傳播,,這種空間上傳播的波動稱為脈搏波,。
 
  阻抗法測量原理
  生物電阻抗測量,或簡稱阻抗技術,,是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理,、病理狀況相關的生物醫(yī)學信息的檢測技術。它通常是借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測對象送入一微小的交流測量電流或電壓,,檢測相應的電阻抗及其變化,,然后根據(jù)不同的應用目的,獲取相關的生理和病理信息,。將受檢部位(本設計為手臂)如圖 1 等效為一圓柱形均勻導體 , 血管位于其中央,。
圖 1 人體組織與血管簡化模型
 
  根據(jù)物理學上的定義,導體的電阻 R 取決于該導體的電阻率,、長度及其截面積的大小,。
R = ρL/S= ρL2 /V
  式中 ,ρ為電阻率;S為導體截面積,;L為導體長度,;V為導體體積,。假設圓柱導體的長度不變,,導出電阻變化ΔR 與容積變化ΔV 的關系式為:
ΔR = - ρL2ΔV/V2 = - RΔV/V
  上式表明容積的變化與電阻的變化密切相關 ,負號表示容積的增加將導致電阻的降低,也就是說人體受檢部位就相當于一個阻值發(fā)生周期性變化的電阻,只要測得阻值的變化波形即可測得脈搏信號,。給人體輸入激勵電流,,通過人體阻抗轉換為電壓信號,測量此電壓信號的周期性變化即可反映出阻抗的變化,最終測得脈搏信號,。
 
  脈搏信號采集設計思想
  脈搏信號具有同其它生物電信號相同的特點,,信號微弱、頻率較低并且極易受到干擾,。假設人體受檢部位的等效阻值為1000歐姆,,那么隨著脈搏波的傳遞,阻抗的變化量約為1歐姆,,并且此變化量的大小與檢測位置,、個體差異及電極系統(tǒng)情況都有較大關系,直接測量此信號具有較大難度,。對人體而言,,所產(chǎn)生的電信號不僅僅是脈搏信號,還要受到與之頻率及幅值特性相近的其他生物電信號的干擾,,同時,,來自外界的工頻干擾、日光燈干擾等對脈搏信號高質量提取造成了很大的影響,。
 
  應用虛擬儀器技術分析生物電信號,,能有效降低信號處理的復雜性和困難度,能很好的解決上述存在的問題,,使生理信號的處理分析變得更加方便和簡單,。鑒于LabVIEW的強大數(shù)字信號處理及數(shù)學分析功能,為節(jié)省開發(fā)時間,,提高開發(fā)效率,,采用LabVIEW編寫軟件應用程序,開發(fā)基于LabVIEW的脈搏信號檢測與分析系統(tǒng),。
 
  脈搏信號提取基于調(diào)制和解調(diào)的原理,,系統(tǒng)整體框圖如圖2,本設計中測量位置為手臂,,通過激勵電極(E1,E4)給人體輸入100KHz,、0.6mA的載波,在E1與E4間距離設置為15cm時,,在此高頻信號的激勵下,,人體等效阻抗約為200歐姆左右。此時人體脈搏信號被調(diào)制在激勵信號中,,輸出信號為調(diào)幅波,,相對于脈搏信號而言,載波信號的振蕩頻率為高頻信號,,將此調(diào)幅波通過測量電極(E2,E3)輸入給脈搏信號調(diào)理電路,,進行模擬解調(diào),,濾除高頻載波,便可得到脈搏波,。同時對調(diào)理電路中的模擬解調(diào)前的采樣點進行高速采樣,,經(jīng)串口與LabVIEW通信,利用軟件對信號進行解調(diào),、信號處理,、特征值提取、波形顯示,、回歸分析等操作,。
圖2 系統(tǒng)整體框圖
 
  LabVIEW程序設計
  為有效的排除外界干擾,減少模擬電路處理信號帶來的信號失真,,盡可能的再現(xiàn)真實的脈搏信號,,進而研究影響人體脈搏信號的各種因素,應用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件應用程序,,應用程序通過串口與硬件進行通信,,并且考慮到計算機的干擾較大,采用光耦6N137將計算機的地與單片機的地進行隔離,,防止計算機地線上的噪聲耦合信號調(diào)理電路,,降低模擬電路的噪聲,提高整個系統(tǒng)的抗干擾性能,。
 
  本系統(tǒng)設置了個人信息錄入模塊,,并將該信息(年齡、性別,、體重,、身高、是否為高血壓患者,、血壓值)存檔,,界面如圖3。
圖3 個人信息錄入模塊界面
 通過串口接收到的數(shù)據(jù),,對調(diào)幅波進行同步解調(diào),,為盡可能不失真的還原波形,采用最大平坦型巴特沃斯濾波器進行濾波處理,,利用峰值檢測,、微分處理等方法提取波形特征信息,通過波形實時顯示模塊進行顯示,,模塊界面如圖4,,此模塊中還可以顯示心率,并且當心率不在正常范圍時報警提示,,可以選擇將該波形數(shù)據(jù)存儲,,進行后續(xù)處理分析。在人體情緒上有波動或肢體上的微小動作會對信號產(chǎn)生較大影響,,需要待被測試者進入身心平靜狀態(tài)后測量才比較準確,。
圖4 波形實時顯示模塊界面
 
  LabVIEW的數(shù)學庫及信號處理庫中提供了各種數(shù)學處理、信號分析工具(如圖5),,能夠完成復雜的數(shù)值分析,、數(shù)學計算及信號處理等功能,用戶可以自定義各種復雜的算法,,而傳統(tǒng)儀器不具有這樣的特性,,針對性不強,并且開發(fā)傳統(tǒng)儀器的周期及成本較高,,虛擬儀器可自定義的特點很好的解決上述存在的問題,。
圖5數(shù)學及信號處理庫
 
  回歸分析是處理變量之間相關關系的數(shù)學工具,它可以幫助人們從一組實驗數(shù)據(jù)出發(fā),分析變量間存在什么樣的關系,進而建立這些變量間的回歸方程。系統(tǒng)應用的最終目的是進行人體試驗,,采集數(shù)據(jù)到一定數(shù)量時,,在結果分析模塊內(nèi)(如圖6),可選擇自變量,、因變量(主波強度,、重搏波強度、主波與重搏波強度比,、上升沿斜率)以及自變量的個數(shù),。本設計中首先讀入測試數(shù)據(jù),通過數(shù)學庫中“刪除超出區(qū)間數(shù)”工具剔除異常數(shù)據(jù),,根據(jù)需要配置 “曲線擬合”面板,,即可對擬合曲線進行顯示,并給出回歸系數(shù),,建立回歸方程,。通過積累一定量數(shù)據(jù)之后,總結各種因素對脈搏信號影響規(guī)律,,研究正常人與高血壓患者之間的波形差異,,以及不同程度病情的高血壓患者波形演變規(guī)律。
圖6結果分析模塊界面
 
  系統(tǒng)工作流程
  使用本系統(tǒng)進行脈搏信號測量需進行如下步驟:
 
  1.選擇好測量位置,,佩帶電極,。
 
  2.輸入個人信息,配置串口,。
 
  3.啟動電源,,被測試者應當盡量保持靜止,波形穩(wěn)定后可進行數(shù)據(jù)的操作,。
 
  結論
  以自行設計的脈搏信號采集裝置為基礎,,應用虛擬儀器作為開發(fā)平臺,,該平臺具有可自定義、編程簡單直觀,、易于理解等特點,。并且LabVIEW 是專門針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制,、信號分析和數(shù)據(jù)處理等任務,提供了豐富完善的功能圖標,用戶只需直接調(diào)用,進行接口處理即可,,無需編寫大量代碼,極大地節(jié)省開發(fā)時間,,降低開發(fā)及維護成本,。應用此平臺開發(fā)出了完善可靠的檢測分析軟件,成功實現(xiàn)了脈搏信號提取及顯示,,并具有回歸分析等功能,,為后續(xù)的科研及教學工作提供了良好的基礎。
 
  系統(tǒng)的應用完善是長期的過程,,總結潛在規(guī)律是建立在大量人體實驗基礎上,,精確的模型建立需獲取足夠多的數(shù)據(jù),這是一項長期而艱巨的工作,。通過實踐,,也定會有更多需要增添或者改進的功能,進一步的完善整個系統(tǒng)的性能,。
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