余 婷，何 强，胡建敢，梁琛颖，余成波

(重庆理工大学 远程测试与控制技术研究所，重庆 400054)

脉搏波是心脏的搏动沿动脉血管和血流向外周传播而形成的，其中包含着丰富的生理信息，如心脏机能、呼吸机能以及动脉硬化程度等。因此，对脉搏波信号的采集、分析并实时的波形显示在医疗电子领域具有十分重要的实际意义。

目前业界存在多种脉搏波采集途径，比如通过NI 数据采集卡来采集，但是这种方法成本过高且需要单独配置;也可通过PC 声卡直接采集，声卡本身就是一款优秀的数据采集系统，价格低廉、兼容性好、稳定性高且具有16 位的A/D 转换精度。但是，声卡也有其局限性，即声卡只适合采集音频范围的信号(20～20 kHz)，对直流或缓变信号的采集效果并不理想。所以，为了使脉搏波信号适应声卡采集，本文提出了一种基于标准幅度调制(AM)的Labview 脉搏波采集分析系统的设计方案。由于声卡数据采集以及幅度调制理论都已发展成熟，因此该系统的设计方案是可行的［1］。

1 系统原理

1.1 系统框图

本系统以NI 公司的Labview 虚拟仪器为平台，由硬件电路和Labview 图形化程序两部分组成。硬件部分包括放大滤波电路和幅度调制电路;软件部分包括声卡数据采集模块、解调模块以及数据分析模块。系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

人体脉搏信号通过压电式振动传感器转化为电信号。由于信号比较微弱，需先经由放大滤波电路。然后经AM 调制电路将低频的脉搏波信号调制到高频载波上，从而使脉搏信号适合声卡的采集，由声卡采集进入PC 机后，就可通过Labview 软件解调模块将采集的调制信号解调还原成脉搏信号［1］。最后，可对其进行分析处理以得到有用的生理信息。

1.2 AM 调制原理

本系统的关键在于声卡采集与AM 幅度调制的结合，从而弥补了声卡只适合采集音频信号(20 ～20kHz)的局限，使其更具实用性。调制原理如图2 所示。

图2 对脉搏波信号进行AM 调制的过程

图2 中脉搏波信号为f(t)，载波为C(t)=cos(ω0t+θ0)，其中则已调信号为

由图2 可知，AM 调制是用脉搏波信号f(t)来控制载波C(t)，使已调波的包络按照f(t)的规律线性变化。因此，已调信号中包含了脉搏信号，待采集后，即可用软件解调。

2 硬件设计

本系统的硬件部分主要包括放大滤波电路和AM 调制电路，主要是完成脉搏信号的放大、滤波及调制。

2.1 放大滤波电路

要采集微弱的脉搏信号，并抑制其他杂波，放大滤波是必不可少的。本系统采用高性能精密运放TLV2262，它可以很好地满足设计要求，而且功耗很低。至于滤波，由于脉搏波信号的频率成分大部分集中在17 Hz 左右，故这里采用低通滤波，截止频率只要处于17 Hz 与50 Hz(工频干扰)之间即可［2］，为了使脉搏波信号明显，因此，截止频率取40 ～45 Hz 为宜。放大滤波电路如图3 所示。

图3 放大滤波电路

2.2 AM 调制电路

本文中AM 幅度调制电路，采用MC1496 乘法器，如图4所示。

图4 AM 调制电路

3 Labview 软件设计

3.1 声卡数据采集

声卡采集部分已经很成熟了，图5 就是一个基本的声卡数据采集程序，只需对声音格式、每通道采样数、设备ID 等稍加配置即可。

图5 声卡数据采集

3.2 软件解调

解调方法有相干解调和非相干解调。所谓相干解调，就是利用乘法器进行频谱搬移来实现解调，它要求本地载波与发射端载波必须保持同频同相，故也称同步解调;而非相干解调一般为包络解调，顾名思义，就是利用包络检波器来实现解调［3］。

实际应用中包络解调要优于相干解调，因为本地载波很难与发射端载波同步(同频、同相)。由于通过硬件放大、调制后，必然会混入高频噪声，此外，滤波也会使频谱发生变化。因而，在软件解调时，本地载波的频率、初相位的确定变得比较困难，而一旦本地载波与发射载波不同步(同频、同相)，相干解调就必然出现失真。因此，本文采用包络解调。

本文中包络解调主要是通过检测波峰、波谷而达到解调的目的。如图6 所示，利用AM 已调波关于x 轴对称的特性，将检测到的波谷翻褶上来，然后与波峰一起构成包络曲线。这样的曲线比一般的包络解调更逼近原信号曲线。

图6 Labview 包络解调原理

具体的解调程序如图7 所示。主要思路就是，将检测出来的波谷值取绝对值再和波峰值交织成数组作为解调波的幅值，而横坐标的时间值与采样间隔有关且比较均匀，这样，就可检测出包络波形，实现解调［4］。

3.3 分析

脉搏跳动与心律是一致的，所以得出脉搏波形，就可分析人的心律，进而可以了解心脏机能，获取更多的生理信息。本系统主要是检测脉搏次数来判断是否心律不齐。所谓心律不齐，是指由于心脏病变导致心脏博动异常的病理现象。精神紧张、大量吸烟、饮酒、喝浓茶或咖啡、过度疲劳、严重失眠等常为心律不齐的诱发因素。正常人的脉搏频率为每分钟60 ～100 次，而心律不齐的人则表现为心律过快、心律过缓或时快时慢。由此，以1 分钟为总采集时间，以60 ～100 为限定阈，就可判定是否心律不齐，并且可保存数据为xls 格式［5］。

图7 Labview 包络解调子程序框图

图8即为主程序框图，主要包括声卡采集、包络解调子VI、计数子VI、计时子VI、存储子VI 以及心律不齐判定等部分。

图8 主程序框图

4 调试与检测

调试过程中采用多参数模拟仪产生脉搏，再将信号接入放大滤波电路、调制电路再接入声卡的Line-in 线性输入口，这里考虑到阻抗匹配问题，将放大信号控制在1 V 以内。然后启动Labview 软件，运行主程序，就可看到实时正确的脉搏波形，如图9 所示，(a)、(b)、(c)分别为第一导联、第二导联以及第三导联方式得到的脉搏波形。当采集时间结束后，分析结果就会通过对话框显示出来。

5 结束语

经调试验证，该系统能实时正确地显示脉搏波形，并可检测脉搏次数以判断人体心律是否正常，界面友好，方便实用。本系统利用AM 幅度调制原理有效地解决了声卡不适合采集脉搏波等缓变信号的问题。而且，由此可以扩展，此方法也可用于其他缓变甚至直流信号的实时测量，比如温度、压力等，从而使得声卡数据采集更具普遍性和实用性。

图9 三种导联方式得到的脉搏波形

［1］周红霞，张恒杰，张春芳.基于LabVIEW 的虚拟仪器及串口通信的实现［J］.石家庄职业技术学院学报，2007，19(4):17-19.

［2］Akimitsu H，Takashi O，Kiyomi N，Dehua Cand Motoaki SOnline noninvasive one-point measurements of pulse wave velocity［J］.Heart Vessels，2002(17):61-68.

［3］刘继伟，高文飚，高鹏，等.基于LabVIEW 的多通道脉搏波记录处理系统［J］.中国医学物理学杂志，2006，23(2):146-149.

［4］黄建龙，高艳雯. 基于LabVIEW 的多功能重心测试系统［J］.微计算机信息，2007(2S):87-88.

［5］王步青，王卫东，李开元.基于LabVIEW 实现的心电监护系统［J］.北京生物医学工程，2008(5):517-519.