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。
正文:
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?qū)w , 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(zhuǎn)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(zhì)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