基于LabVIEW的脈搏波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李姝穎　魏安海　張和華　尹軍

[摘 要] 設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的脈搏波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)、高效、精確地實(shí)時(shí)采集和記錄人體脈搏參數(shù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用下位機(jī)和上位機(jī)方案，以單片機(jī)為核心測(cè)量人體脈搏。該系統(tǒng)采用脈搏傳感器將所采集的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、電壓抬升等處理，通過(guò)CH341T與PC端USB接口相連，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和上位機(jī)之間通訊并將處理后的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)進(jìn)行分析。上位機(jī)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了用戶管理登陸、脈搏波濾波、消除基線漂移、特征識(shí)別、打印報(bào)告等功能，其特征參數(shù)可有效地反映身體功能。

[關(guān)鍵詞] 脈搏波；用戶管理；消除基線漂移；特征參數(shù)

中圖分類號(hào)：R331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5200（2017）01-015-04

DOI：10.11876/mimt201701007

Pulse Wave Monitoring System Based on LabVIEW LI Shuying，Wei Anhai，Zhang Hehua，YIN Jun. （Medical Engineering Department， Daping Hospital and Institute of Surgery Research，Third Military Medical University， Chongqing， 400042）

[Abstract] A pulse wave monitoring system based on LabVIEW was designed which can automatically， efficiently and accurately real-time collect and record human pulse parameters .With a single chip processor as the core， the system used a lower computer and a upper computer to measure the pulse of human body. The system could magnify， filter analog signal and rise the voltage through the pulse sensor. It realized the communication between the MCU and the PC through a CH341T chip connecting with the PCs USB interface. The processed data could be transmitted to the upper computer for analysis. The upper machine based on LabVIEW could realizes user login management， pulse wave filtering， eliminating baseline drift， feature recognition and print of reports， etc.The characteristic parameters could effectively reflect and feedback the patients physical features and functions.

[Key words] pulse wave； user management； eliminating baseline drift； characteristic parameter

0 引言

脈搏波信號(hào)是身體生理狀況的重要信號(hào)之一，其特征參數(shù)可有效地反映身體的各項(xiàng)指標(biāo)和功能。脈搏波是心臟搏動(dòng)（振動(dòng)）產(chǎn)生的波沿動(dòng)脈血管和血流向外周傳播而形成，除了受到心臟本身影響外[1]，還受到流經(jīng)各級(jí)動(dòng)脈及分支中各種生理因素影響，如動(dòng)脈的彈性、血液黏性、血液密度性和血管阻力等[2-4]，使得脈搏波中包含有極豐富的心血管系統(tǒng)生理和病理特征[4-5]，通過(guò)對(duì)脈搏波信號(hào)波形、波幅、速率和節(jié)律等方面分析可以有效地估算出心輸出量、血管阻力、血管壁彈性和血液黏性等。但是脈搏波信號(hào)隨機(jī)性強(qiáng)、信噪比低且在采集過(guò)程中易受到工頻干擾，因呼吸及和皮膚接觸時(shí)壓力不同而產(chǎn)生基線漂移會(huì)對(duì)信號(hào)識(shí)別和分析造成重要的影響?；谝陨显颍狙芯炕贚abVIEW設(shè)計(jì)的脈搏波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶管理登陸、脈搏波濾波、消除基線漂移、特征識(shí)別等功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于LabVIEW的脈搏波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用下位機(jī)和上位機(jī)方案，以單片機(jī)測(cè)量脈搏并結(jié)合LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)采集與管理脈搏波數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)、高效、精確地實(shí)時(shí)采集記錄人體脈搏參數(shù)進(jìn)行分析處理。

硬件組成主要包括脈搏波測(cè)量模塊、電源模塊和通訊模塊三個(gè)部分。HK-2000B型脈搏傳感器將輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，并通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理。RX、TX通過(guò)CH341T與PC端USB接口相連，以達(dá)到單片機(jī)與上位機(jī)間通訊。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 脈搏波檢測(cè)電路

HK-2000B型醫(yī)用脈搏傳感器采用高度集成化工藝，將PVDF壓電薄膜、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、溫漂修正單元集成在傳感器內(nèi)部[6]，具有靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過(guò)載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

傳感器所采集到的脈搏信號(hào)較弱，電壓值相對(duì)較小，這就要求前置級(jí)具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點(diǎn)，以便降低信號(hào)源的影響，增強(qiáng)信號(hào)的拾取能力，該系統(tǒng)通過(guò)電壓跟隨器和同相比例放大器將信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)姆秶?。傳感器輸出的脈搏信號(hào)頻率較低，容易受50Hz工頻干擾和肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來(lái)的假象信號(hào)等干擾[7-9]，該系統(tǒng)采用硬件低通濾波電路實(shí)現(xiàn)降噪，脈搏波檢測(cè)電路如圖1所示。

2.2 串口通訊電路

脈搏波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用USB接口進(jìn)行通訊，并通過(guò)CH341T芯片完成USB接口轉(zhuǎn)換串口。CH341T成本低，使用靈活，內(nèi)置了獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū)，支持單工、半雙工或者全雙工異步串行通訊。采用CH341T支持的9600bps通訊波特率，使得串口發(fā)送信號(hào)的波特率誤差小于0.3%，而串口接收信號(hào)的允許波特率誤差不小于2%，提高了通訊速率。串口通訊電路如圖2所示。

3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

3.1 用戶登錄程序編寫(xiě)

用戶管理登陸程序采用LabVIEW Database模塊和Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。用戶管理登陸程序分為管理員登陸和用戶登陸，用戶登陸直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析與處理，管理員登陸可以進(jìn)行用戶管理。用戶登錄采用Database模塊實(shí)現(xiàn)與Access數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，用戶管理登陸程序框圖，如圖3所示。

管理員登陸可以實(shí)現(xiàn)用戶的增加和刪減。程序通過(guò)DB Tools Open Connection VI和DB Tools Select Data VI打開(kāi)由Access數(shù)據(jù)庫(kù)編寫(xiě)用戶信息.udl的路徑連接，并選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶名、密碼和權(quán)限對(duì)應(yīng)內(nèi)容，將其中內(nèi)容由變體轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)顯示于表格控件中。當(dāng)點(diǎn)擊新增用戶或刪除用戶時(shí)，其相應(yīng)的布爾值改變時(shí)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的事件結(jié)構(gòu)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框，提醒管理員輸入需要添加或者刪除的用戶，將輸入字符串格式化之后，通過(guò)DB Tools Execute Query VI寫(xiě)入Access數(shù)據(jù)庫(kù)，并刷新界面實(shí)現(xiàn)所需功能。新增、刪除用戶程序框圖，如圖4所示。

3.2 用戶信息存儲(chǔ)及打印

用戶點(diǎn)擊信息存儲(chǔ)，通過(guò)選項(xiàng)卡控件，系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至用戶信息存儲(chǔ)界面，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則采用事件結(jié)構(gòu)觸發(fā)，通過(guò)連接字符串將姓名、性別、體重、身高、年齡等通過(guò)Word Easy Text VI布局過(guò)后，利用保存報(bào)表至文件VI寫(xiě)入報(bào)表中并保存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖，如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)處理與討論

為了得到有效的脈搏波信號(hào)，需去除基線漂移[11]，本文利用脈搏波波谷的相對(duì)位置提取基線，采用波峰檢測(cè)VI進(jìn)行特征識(shí)別，識(shí)別脈搏波波谷，再利用斜坡信號(hào)VI按照線性方式生成斜坡信號(hào)，用于插值擬合。使序列t表示斜坡信號(hào)，對(duì)于斜坡信號(hào)（按采樣）采用線性生成依據(jù)公式（1）生成信號(hào)。

其中i=0，1，2，…，n–1，t0是本次處理數(shù)據(jù)的起始位置，△t為采樣時(shí)間間隔，ti本次處理數(shù)據(jù)的結(jié)束位置。

最后選用一維插值VI以脈搏波波谷和斜坡函數(shù)生成的斜坡信號(hào)為定點(diǎn)，進(jìn)行樣條插值擬合，利用脈搏波在各點(diǎn)時(shí)間上的采樣值與漂移基線做差值，則能獲得去除基線漂移過(guò)后的脈搏波信號(hào)，再次利用波峰檢測(cè)VI對(duì)脈搏波進(jìn)行特征識(shí)別即可得到較為準(zhǔn)確的波峰波谷。數(shù)據(jù)處理程序框圖，如圖6所示。

用戶登錄后直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分別為右手腕、左手臂、左手腕、右手臂，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)后，程序自動(dòng)初始化設(shè)置，當(dāng)識(shí)別探測(cè)器傳輸?shù)拿}搏波信號(hào)時(shí)，探測(cè)器對(duì)應(yīng)連接指示燈變?yōu)榫G色，反之紅色閃爍報(bào)警，程序根據(jù)探測(cè)器采集脈搏波數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)界面布局，圖7（a）、圖7（b）中所示為兩路脈搏波信號(hào)圖。

5 小結(jié)

基于LabVIEW的脈搏波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試者脈搏參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，并能根據(jù)要求生成相應(yīng)的報(bào)告。此外，將采集到的脈搏波信號(hào)進(jìn)行分析與處理后，其特征參數(shù)可有效地反映和了解身體的各項(xiàng)指標(biāo)和功能。

參 考 文 獻(xiàn)

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