|
應用領(lǐng)域:自動(dòng)化測量 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。 正文： 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。 圖3 個(gè)人信息錄入模塊界面 通過(guò)串口接收到的數據，對調幅波進(jìn)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(jìn)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(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，并且當心率不在正常范圍時(shí)報警提示，可以選擇將該波形數據存儲，進(jìn)行后續處理分析。在人體情緒上有波動(dòng)或肢體上的微小動(dòng)作會(huì )對信號產(chǎn)生較大影響，需要待被測試者進(jìn)入身心平靜狀態(tài)后測量才比較準確。 圖4 波形實(shí)時(shí)顯示模塊界面 LabVIEW的數學(xué)庫及信號處理庫中提供了各種數學(xué)處理、信號分析工具（如圖5），能夠完成復雜的數值分析、數學(xué)計算及信號處理等功能，用戶(hù)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(kāi)發(fā)傳統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)系的數學(xué)工具,它可以幫助人們從一組實(shí)驗數據出發(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。系統應用的最終目的是進(jìn)行人體試驗，采集數據到一定數量時(shí)，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(gè)數。本設計中首先讀入測試數據，通過(guò)數學(xué)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(xiàn)擬合”面板，即可對擬合曲線(xiàn)進(jìn)行顯示，并給出回歸系數，建立回歸方程。通過(guò)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5數學(xué)及信號處理庫 圖6結果分析模塊界面 系統工作流程 使用本系統進(jìn)行脈搏信號測量需進(jìn)行如下步驟： 1.選擇好測量位置，佩帶電極。 2.輸入個(gè)人信息，配置串口。 3.啟動(dòng)電源，被測試者應當盡量保持靜止，波形穩定后可進(jìn)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(kāi)發(fā)平臺，該平臺具有可自定義、編程簡(jiǎn)單直觀(guān)、易于理解等特點(diǎn)。并且LabVIEW 是專(zhuān)門(mén)針對數據采集、儀器控制、信號分析和數據處理等任務(wù),提供了豐富完善的功能圖標,用戶(hù)只需直接調用,進(jìn)行接口處理即可，無(wú)需編寫(xiě)大量代碼，極大地節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)及維護成本。應用此平臺開(kāi)發(fā)出了完善可靠的檢測分析軟件，成功實(shí)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(xué)工作提供了良好的基礎。 系統的應用完善是長(cháng)期的過(guò)程，總結潛在規律是建立在大量人體實(shí)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(cháng)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)系統的性能。 |
