基于NI LabVIEW8.5的脈搏信號檢測與分析系統
摘要： 應用方案：使用NI公司的LabVIEW 8.5作為軟件開發平臺，結合自行設計的脈搏信號采集裝置，開發了一個具有信號分析、處理、顯示以及對數據進行回歸分析等功能的脈搏信號測量系統。
Abstract：
Key words :
挑戰：根據人體阻抗特性，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。采集足夠的數據后，主要運用該語言的數學程序庫以及數值分析計算功能進行回歸分析，建立相關數學模型，揭示脈搏信號與心血管類疾病的聯系。
使用的產品：LabVIEW8.5學生版
介紹
在世界范圍內，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，現象最為普遍。中國衛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生顯得尤為重要。
人體脈搏系統是心血管系統的重要組成部分，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，受到中外醫學界的重視，脈搏波所呈現出的形態、強度、速率、節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中的許多生理病理的血流特征。中醫的診脈理論認為脈搏波的傳播與心血管系統的血液運動、血管壁運動規律有著密切的聯系。
脈搏信號形成機理
血液在心血管組成的循環系統中按照一定的方向周而復始的流動，稱為血液循環，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，動脈內的壓力就發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律提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術。它通常是借助置于體表的電極系統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的強大數字信號處理及數學分析功能，為節省開發時間，提高開發效率，采用LabVIEW編寫軟件應用程序，開發基于LabVIEW的脈搏信號檢測與分析系統。
脈搏信號提取基于調制和解調的原理，系統整體框圖如圖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制在激勵信號中，輸出信號為調幅波，相對于脈搏信號而言，載波信號的振蕩頻率為高頻信號，將此調幅波通過測量電極（E2,E3）輸入給脈搏信號調理電路，進行模擬解調，濾除高頻載波，便可得到脈搏波。同時對調理電路中的模擬解調前的采樣點進行高速采樣，經串口與LabVIEW通信，利用軟件對信號進行解調、信號處理、特征值提取、波形顯示、回歸分析等操作。
圖2 系統整體框圖
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理電路，降低模擬電路的噪聲，提高整個系統的抗干擾性能。
本系統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據，對調幅波進行同步解調，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據存儲，進行后續處理分析。在人體情緒上有波動或肢體上的微小動作會對信號產生較大影響，需要待被測試者進入身心平靜狀態后測量才比較準確。
圖4 波形實時顯示模塊界面
LabVIEW的數學庫及信號處理庫中提供了各種數學處理、信號分析工具（如圖5），能夠完成復雜的數值分析、數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，而傳統儀器不具有這樣的特性，針對性不強，并且開發傳統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數學及信號處理庫
回歸分析是處理變量之間相關關系的數學工具,它可以幫助人們從一組實驗數據出發,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。系統應用的最終目的是進行人體試驗，采集數據到一定數量時，在結果分析模塊內（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。本設計中首先讀入測試數據，通過數學庫中“刪除超出區間數”工具剔除異常數據，根據需要配置 “曲線擬合”面板，即可對擬合曲線進行顯示，并給出回歸系數，建立回歸方程。通過積累一定量數據之后，總結各種因素對脈搏信號影響規律，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律。
圖6結果分析模塊界面
系統工作流程
使用本系統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，波形穩定后可進行數據的操作。
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 是專門針對數據采集、儀器控制、信號分析和數據處理等任務,提供了豐富完善的功能圖標,用戶只需直接調用,進行接口處理即可，無需編寫大量代碼，極大地節省開發時間，降低開發及維護成本。應用此平臺開發出了完善可靠的檢測分析軟件，成功實現了脈搏信號提取及顯示，并具有回歸分析等功能，為后續的科研及教學工作提供了良好的基礎。
系統的應用完善是長期的過程，總結潛在規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據，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的性能。
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