脈搏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解析

應(yīng)用領(lǐng)域:自動(dòng)化測(cè)量

挑戰(zhàn)：根據(jù)人體阻抗特性，通過(guò)拾取阻抗變化測(cè)量人體脈搏信號(hào)。利用LabVIEW強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理功能還原脈搏波形，并對(duì)波形的特征信息進(jìn)行提取及存儲(chǔ)。采集足夠的數(shù)據(jù)后，主要運(yùn)用該語(yǔ)言的數(shù)學(xué)程序庫(kù)以及數(shù)值分析計(jì)算功能進(jìn)行回歸分析，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，揭示脈搏信號(hào)與心血管類疾病的聯(lián)系。

應(yīng)用方案：使用NI公司的LabVIEW 8.5作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合自行設(shè)計(jì)的脈搏信號(hào)采集裝置，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有信號(hào)分析、處理、顯示以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析等功能的脈搏信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。

使用的產(chǎn)品：LabVIEW8.5學(xué)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(hào)殺手。美國(guó)心臟協(xié)會(huì)報(bào)告稱，每年大約有240萬(wàn)美國(guó)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(guó)衛(wèi)生部公布中國(guó)心血管疾病患者已超過(guò)1.5億，心血管病是目前中國(guó)人群最主要的死因。因此預(yù)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(xué)界的重視，脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)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(rèn)為脈搏波的傳播與心血管系統(tǒng)的血液運(yùn)動(dòng)、血管壁運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著密切的聯(lián)系。

脈搏信號(hào)形成機(jī)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(fù)始的流動(dòng)，稱為血液循環(huán)，其動(dòng)力來(lái)源與心臟，心臟通過(guò)做有秩序的收縮和舒張活動(dòng)，使血液源源不斷地從心臟射入動(dòng)脈，心臟每收縮一次，動(dòng)脈內(nèi)的壓力就發(fā)生一次周期性的波動(dòng)，這種周期性的壓力變化引起動(dòng)脈血管發(fā)生波動(dòng)，稱為脈搏。脈搏可以沿著動(dòng)脈管壁向外周血管傳播，這種空間上傳播的波動(dòng)稱為脈搏波。

阻抗法測(cè)量原理

生物電阻抗測(cè)量，或簡(jiǎn)稱阻抗技術(shù)，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(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)技術(shù)。它通常是借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測(cè)對(duì)象送入一微小的交流測(cè)量電流或電壓，檢測(cè)相應(yīng)的電阻抗及其變化，然后根據(jù)不同的應(yīng)用目的，獲取相關(guān)的生理和病理信息。

將受檢部位（本設(shè)計(jì)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(jiǎn)化模型

根據(jù)物理學(xué)上的定義，導(dǎo)體的電阻 R 取決于該導(dǎo)體的電阻率、長(zhǎng)度及其截面積的大小。

R = ρL/S= ρL2 /V

式中 ,ρ為電阻率；S為導(dǎo)體截面積；L為導(dǎo)體長(zhǎng)度；V為導(dǎo)體體積。假設(shè)圓柱導(dǎo)體的長(zhǎng)度不變，導(dǎo)出電阻變化ΔR 與容積變化ΔV 的關(guān)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(guān) ,負(fù)號(hào)表示容積的增加將導(dǎo)致電阻的降低,也就是說(shuō)人體受檢部位就相當(dāng)于一個(gè)阻值發(fā)生周期性變化的電阻，只要測(cè)得阻值的變化波形即可測(cè)得脈搏信號(hào)。給人體輸入激勵(lì)電流，通過(guò)人體阻抗轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，測(cè)量此電壓信號(hào)的周期性變化即可反映出阻抗的變化，最終測(cè)得脈搏信號(hào)。

脈搏信號(hào)采集設(shè)計(jì)思想

脈搏信號(hào)具有同其它生物電信號(hào)相同的特點(diǎn)，信號(hào)微弱、頻率較低并且極易受到干擾。假設(shè)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(cè)位置、個(gè)體差異及電極系統(tǒng)情況都有較大關(guān)系，直接測(cè)量此信號(hào)具有較大難度。對(duì)人體而言，所產(chǎn)生的電信號(hào)不僅僅是脈搏信號(hào)，還要受到與之頻率及幅值特性相近的其他生物電信號(hào)的干擾，同時(shí)，來(lái)自外界的工頻干擾、日光燈干擾等對(duì)脈搏信號(hào)高質(zhì)量提取造成了很大的影響。

應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)分析生物電信號(hào)，能有效降低信號(hào)處理的復(fù)雜性和困難度，能很好的解決上述存在的問(wèn)題，使生理信號(hào)的處理分析變得更加方便和簡(jiǎn)單。鑒于LabVIEW的強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)學(xué)分析功能，為節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率，采用LabVIEW編寫軟件應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)基于LabVIEW的脈搏信號(hào)檢測(cè)與分析系統(tǒng)。

脈搏信號(hào)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(shè)計(jì)中測(cè)量位置為手臂，通過(guò)激勵(lì)電極（E1,E4）給人體輸入100KHz、0.6mA的載波，在E1與E4間距離設(shè)置為15cm時(shí)，在此高頻信號(hào)的激勵(lì)下，人體等效阻抗約為200歐姆左右。此時(shí)人體脈搏信號(hào)被調(diào)制在激勵(lì)信號(hào)中，輸出信號(hào)為調(diào)幅波，相對(duì)于脈搏信號(hào)而言，載波信號(hào)的振蕩頻率為高頻信號(hào)，將此調(diào)幅波通過(guò)測(cè)量電極（E2,E3）輸入給脈搏信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行模擬解調(diào)，濾除高頻載波，便可得到脈搏波。同時(shí)對(duì)調(diào)理電路中的模擬解調(diào)前的采樣點(diǎn)進(jìn)行高速采樣，經(jīng)串口與LabVIEW通信，利用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、信號(hào)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(shè)計(jì)

為有效的排除外界干擾，減少模擬電路處理信號(hào)帶來(lái)的信號(hào)失真，盡可能的再現(xiàn)真實(shí)的脈搏信號(hào)，進(jìn)而研究影響人體脈搏信號(hào)的各種因素，應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件應(yīng)用程序，應(yīng)用程序通過(guò)串口與硬件進(jìn)行通信，并且考慮到計(jì)算機(jī)的干擾較大，采用光耦6N137將計(jì)算機(jī)的地與單片機(jī)的地進(jìn)行隔離，防止計(jì)算機(jī)地線上的噪聲耦合信號(hào)調(diào)理電路，降低模擬電路的噪聲，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。

本系統(tǒng)設(shè)置了個(gè)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(gè)人信息錄入模塊界面

通過(guò)串口接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)調(diào)幅波進(jìn)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(jìn)行濾波處理，利用峰值檢測(cè)、微分處理等方法提取波形特征信息，通過(guò)波形實(shí)時(shí)顯示模塊進(jìn)行顯示，模塊界面如圖4，此模塊中還可以顯示心率，并且當(dāng)心率不在正常范圍時(shí)報(bào)警提示，可以選擇將該波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行后續(xù)處理分析。在人體情緒上有波動(dòng)或肢體上的微小動(dòng)作會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大影響，需要待被測(cè)試者進(jìn)入身心平靜狀態(tài)后測(cè)量才比較準(zhǔn)確。

圖4 波形實(shí)時(shí)顯示模塊界面

LabVIEW的數(shù)學(xué)庫(kù)及信號(hào)處理庫(kù)中提供了各種數(shù)學(xué)處理、信號(hào)分析工具（如圖5），能夠完成復(fù)雜的數(shù)值分析、數(shù)學(xué)計(jì)算及信號(hào)處理等功能，用戶可以自定義各種復(fù)雜的算法，而傳統(tǒng)儀器不具有這樣的特性，針對(duì)性不強(qiáng)，并且開(kāi)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(diǎn)很好的解決上述存在的問(wèn)題。

回歸分析是處理變量之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)工具,它可以幫助人們從一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā),分析變量間存在什么樣的關(guān)系,進(jìn)而建立這些變量間的回歸方程。系統(tǒng)應(yīng)用的最終目的是進(jìn)行人體試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)到一定數(shù)量時(shí)，在結(jié)果分析模塊內(nèi)（如圖6），可選擇自變量、因變量（主波強(qiáng)度、重搏波強(qiáng)度、主波與重搏波強(qiáng)度比、上升沿斜率）以及自變量的個(gè)數(shù)。本設(shè)計(jì)中首先讀入測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)庫(kù)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(duì)擬合曲線進(jìn)行顯示，并給出回歸系數(shù)，建立回歸方程。通過(guò)積累一定量數(shù)據(jù)之后，總結(jié)各種因素對(duì)脈搏信號(hào)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5數(shù)學(xué)及信號(hào)處理庫(kù)

圖6結(jié)果分析模塊界面

系統(tǒng)工作流程

使用本系統(tǒng)進(jìn)行脈搏信號(hào)測(cè)量需進(jìn)行如下步驟：

1.選擇好測(cè)量位置，佩帶電極。

2.輸入個(gè)人信息，配置串口。

3.啟動(dòng)電源，被測(cè)試者應(yīng)當(dāng)盡量保持靜止，波形穩(wěn)定后可進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。

結(jié)論

以自行設(shè)計(jì)的脈搏信號(hào)采集裝置為基礎(chǔ)，應(yīng)用虛擬儀器作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)具有可自定義、編程簡(jiǎn)單直觀、易于理解等特點(diǎn)。并且LabVIEW 是專門針對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù),提供了豐富完善的功能圖標(biāo),用戶只需直接調(diào)用,進(jìn)行接口處理即可，無(wú)需編寫大量代碼，極大地節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)及維護(hù)成本。應(yīng)用此平臺(tái)開(kāi)發(fā)出了完善可靠的檢測(cè)分析軟件，成功實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)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(xué)工作提供了良好的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)的應(yīng)用完善是長(zhǎng)期的過(guò)程，總結(jié)潛在規(guī)律是建立在大量人體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，精確的模型建立需獲取足夠多的數(shù)據(jù)，這是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作。通過(guò)實(shí)踐，也定會(huì)有更多需要增添或者改進(jìn)的功能，進(jìn)一步的完善整個(gè)系統(tǒng)的性能。