基于LabVIEW的脈搏信號檢測系統的設計

挑戰：根據人體阻抗特性，通過(guò)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(jìn)行提取及存儲。采集足夠的數據后，主要運用該語(yǔ)言的數學(xué)程序庫以及數值分析計算功能進(jìn)行回歸分析，建立相關(guān)數學(xué)模型，揭示脈搏信號與心血管類(lèi)疾病的聯(lián)系。

應用方案：使用NI公司的LabVIEW 8.5作為軟件開(kāi)發(fā)平臺，結合自行設計的脈搏信號采集裝置，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有信號分析、處理、顯示以及對數據進(jìn)行回歸分析等功能的脈搏信號測量系統。

使用的產(chǎn)品：LabVIEW8.5學(xué)生版

介紹

在世界范圍內，心血管類(lèi)疾病患者與日俱增，已成為人類(lèi)健康的頭號殺手。美國心臟協(xié)會(huì )報告稱(chēng)，每年大約有240萬(wàn)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(guò)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(lèi)疾病的產(chǎn)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(xué)界的重視，脈搏波所呈現出的形態(tài)、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(dòng)、血管壁運動(dòng)規律有著(zhù)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)系統中按照一定的方向周而復始的流動(dòng)，稱(chēng)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(chēng)為脈搏。脈搏可以沿著(zhù)動(dòng)脈管壁向外周血管傳播，這種空間上傳播的波動(dòng)稱(chēng)為脈搏波。

阻抗法測量原理

生物電阻抗測量，或簡(jiǎn)稱(chēng)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律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫學(xué)信息的檢測技術(shù)。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(guān)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(jiǎn)化模型

根據物理學(xué)上的定義，導體的電阻 R 取決于該導體的電阻率、長(cháng)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(cháng)度；V為導體體積。假設圓柱導體的長(cháng)度不變，導出電阻變化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) ,負號表示容積的增加將導致電阻的降低,也就是說(shuō)人體受檢部位就相當于一個(gè)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(guò)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(diǎn)，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(zhù)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(gè)體差異及電極系統情況都有較大關(guān)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(shí)，來(lái)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(shù)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(wèn)題，使生理信號的處理分析變得更加方便和簡(jiǎn)單。鑒于LabVIEW的強大數字信號處理及數學(xué)分析功能，為節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率，采用LabVIEW編寫(xiě)軟件應用程序，開(kāi)發(fā)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(guò)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(shí)，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(shí)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(guò)測量電極（E2,E3）輸入給脈搏信號調理電路，進(jìn)行模擬解調，濾除高頻載波，便可得到脈搏波。同時(shí)對調理電路中的模擬解調前的采樣點(diǎn)進(jìn)行高速采樣，經(jīng)串口與LabVIEW通信，利用軟件對信號進(jìn)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(lái)的信號失真，盡可能的再現真實(shí)的脈搏信號，進(jìn)而研究影響人體脈搏信號的各種因素，應用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件應用程序，應用程序通過(guò)串口與硬件進(jìn)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(jìn)行隔離，防止計算機地線(xiàn)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(gè)系統的抗干擾性能。

本系統設置了個(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。