崔秀华, 彭立方, 石翰成, 田钰菁

(南京信息职业技术学院 中认新能源技术学院， 江苏 南京 210023)

基于LabVIEW的虚拟脉搏测试仪设计

崔秀华, 彭立方, 石翰成, 田钰菁

(南京信息职业技术学院 中认新能源技术学院， 江苏 南京 210023)

利用虚拟仪器技术减少硬件设计,利用光电式脉搏传感器、数据采集卡和LabVIEW软件为开发平台，开发了一套脉搏信号检测分析系统。该系统能够采集、存储和处理人体脉搏信号，并对信号进行动态跟踪和动态分析。系统使用方便，功能易扩展，具有广阔的应用前景。

脉搏测试; 信号采集; 虚拟仪器

脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征[1]。传统中医的脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大, 测量精度不高，难以形成对特殊病例的分析存储[2]。随着电子技术的发展，生物医学传感器可以实现无创测量(又称非浸入式测量)。文献[3—5]中使用单片机技术实现对传感器脉搏信号的采集，再通过串口通信，利用LabVIEW编程实现脉搏波的显示存储和分析等功能。本文以光电式脉搏传感器作为人体脉搏信号的检测器件，通过采集卡实现A/D转换，以图形化编程语言LabVIEW为软件开发平台，研制基于LabVIEW的脉搏监测仪，其可以实现对人体脉搏波的检测、分析和存储。相比于文献[3—5]系统的可扩展性更好，只要修改LabVIEW程序就可以实现功能扩展[6-7]。

1 系统构成

虚拟脉搏测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件主要有光电式脉搏传感器、数据采集卡及计算机硬件等；软件主要有脉搏信号采集和分析两部分功能。基于LabVIEW的脉搏测试系统结构见图1。

图1 基于LabVIEW的脉搏测试系统组成结构

1.1 光电式脉搏传感器

传感器采用光电反射式模拟传感器pulsesensor,其基本原理是光电容积法，即利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量。该传感器由光源和光电变换器两部分组成，光源采用峰值波长为 515 nm 的绿光 LED，型号为 AM2520。光接收器采用了 APDS-9008，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为 565 nm，两者的峰值波长相近，灵敏度较高。在感受器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001 构成的放大器，将信号放大了 331 倍，同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的 1/2，使放大后的信号可以很好地数据采集卡的 AD 采集到。经过调理电路后输出的电压信号为0～3.3 V(3.3 V电源)或0～5 V(5 V电源)[8]。

1.2 数据采集卡

数据采集卡采用NI公司的USB6009，其单通道的采样率可达48 kS/s。一般人的脉搏为每分钟60～100次；婴儿每分钟120～140次。根据采样定理该采集卡的采样率可以满足脉搏信号采集要求。该采集卡单端方式模拟输入的分辨率为3位，差分方式模拟输入分辨率可达14位[9]，其可以测量出毫伏级脉搏信号。此外，USB6009提供5 V和2.5 V两种电源，5 V电源可以为pulsesensor提供工作电压。如果需要3.3 V电压，可以通过USB6009的模拟输出端输出3.3 V直流电压。

USB6009可提供8个模拟输入、2个模拟输出、12个数字输入/输出通道以及1个带全速USB接口的32位计数器，其可以同时实现4～8路模拟信号的采集，故该脉搏测试系统便于功能扩展。

2 系统软件设计

系统采用LabVIEW2010 为软件开发平台，采用LabVIEW编程实现整个系统的控制和管理。系统软件主要完成信号采集和信号分析功能。信号采集通过LabVIEW数据采集程序驱动数据采集卡采集脉搏传感器输出的电信号；信号分析程序利用LabVIEW编程实现对脉搏波信号的去噪，采用阈值法提取脉搏波周期，即测量1 min指检脉搏波的波峰个数[10]。

系统软件采用主从结构，主结构中驱动数据采集卡实时采集脉搏信号，从结构中对实时采集的数据进行分析处理，主从结构之间的数据传递通过“通知器”实现。系统软件设计流程见图2。

图2 系统软件设计流程

2.1 数据采集模块

数据采集模块通过调用NI-DAQ驱动程序的函数实现，通过DAQmx创建通道函数设值采集卡的I/O通道、输入接线端的配置方法以及采样频率，该设计中采用差分方式的接线端配置方法，采样频率采用0.04的数字频率，即每秒钟采集25个数据。根据一般工程应用需求采样频率为采样信号最高频率的5～10，即可测试到的最大脉搏数为300次/min,即使高血压病人一般也不会达到300次/min，故该设置参数完全能满足脉搏信号的测试要求。通过DAQmx读取函数实时采集脉搏波信号，并将其以图形的方式在前面板显示。其程序框图见图3。

图3 数据采集模块程序框图

2.2 数据分析模块

虚拟脉搏测试仪实时采集和实时分析，系统软件在驱动数据采集卡实时采集数据的同时，进行数据实时分析。在设计过程中出现2个问题：(1)逐点检测峰值会数出一个周期信号内的多个峰值；(2)开始测试初期的脉搏信号不稳定，造成脉搏周期的误判。

在脉搏波峰值检测中采用过阈值的波峰检测法[11]，对于不确定的脉搏信号，不能预先设定其有效的阈值。在设计中采用动态确定阈值的方法，即将当前测试值之前的所有测试数据取平均值作为阈值。通过实验验证该方法有效地解决了误判峰值数的问题。对于测试初期脉搏信号不稳定的问题，采用延时方法解决，即当测试人员看到脉搏测试仪软面板上的脉搏波稳定后，通过点击面板上的按钮后分析稳定脉搏波信号。每分钟脉搏波个数测试程序框图见4。

图4 测试每分钟脉搏波个数的程序框图

3 测试结果

虚拟脉搏测试仪的软面板及测试结果见图5。该脉搏监测器具有很好的人机交互界面，用户可以根据测试需要设置监测脉搏的时间，该仪可以实时地显示脉搏检测波形和检测到脉搏数，当发现异常波形出现时，用户可以选择将异常脉搏波信号进行存储，便于事后分析或远程专家会诊等[12-13]，为智能医疗的实现提供了一种有效的方案。

图5 虚拟脉搏检测仪面板

4 结束语

本文提出了基于虚拟仪器的脉搏检测仪的设计方案，并利用光电式传感器、数据采集卡和自主设计的脉

搏虚拟仪器测试系统软件，成功设计了一款基于虚拟仪器的脉搏检测仪。该脉搏检测仪可以有效地测试人体脉搏波信号，并实时地显示脉搏波形和脉搏数，以及对脉搏信号的存储。其功能可扩展，可通过对数据库的操作实现病例库的存储和调用等用户管理功能，可通过信号时域及频域的进一步分析获得特殊病人的心率变异情况，为心血管病人提供必要的帮助。

基于虚拟仪器的脉搏检测仪开发周期短，系统功能便于扩展，通过扩展其可以实现同时对多个人进行脉搏测试，可分析心血管病人的心率变异情况等。

References)

[1] 罗志昌，张松，杨益明.脉搏波工程分析与临床应用[M].北京:科学出版社，2006.

[2] 刘磊，吴秋峰，张宏志,等.脉诊客观化研究综述[J].智能计算机与应用,2013,3(3):20-24.

[3] 韩君.基于LabVIEW的脉搏信号检测系统[J]. 微计算机信息，2011,27(5):58-59.

[4] 郑争兵. 脉搏信号检测仪的设计与实现[J].自动化仪表,2012,22(11):77-79.

[5] 卢超.基于HK2000-A脉搏传感器的睡眠定时器[J]. 传感器与微系统,2007,26(11):81-83.

[6] 陈若珠，周红标，韦哲.基于LabVIEW的脉搏信号检测与分析系统的设计[J].中国医疗设备,2009,24(4):20-22.

[7] 李学亮，夏金虹，陈真诚.基于LabVIEW的脉搏信号基线漂移去除[J].研究论著,2012,33(9):5-8.

[8] Pulse Sensor中文说明书[Z]. 无锡：无锡市思知瑞科技有限公司.

[9] NI USB-6009用户指南和产品规范[EB/OL].[2015-02-03].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/201987.

[10] 张爱华，丑永新.动态脉搏信号的采集与处理[J].中国医疗器械,2012,36(2):79-84.

[11] 于璐.基于虚拟仪器的脉搏信号处理方法研究及应用[D]. 中国医科大学,2009.

[12] 侯海良，成运，陈洁,等.便携式远程脉搏采集系统的设计.[J].计算机测量与控制,2012,20(2):544-547.

[13] 刘元东，易子川，陆海鹏,等.健康监护系统设计与实现[J].信息技术,2013(9):72-74.

Design of virtual pulse signal detecting system based on LabVIEW

Cui Xiuhua, Peng Lifang, Shi Hancheng, Tian Yuqing

(Faculty of COC new Energy Technology, Nanjing College of Information Technology, Nanjing 210023, China)

The design of a pulse signal detecting system is discussed. The use of virtual instruments can reduce the hardware design. Using photoelectric pulse sensor and data acquisition card, the system collects the pulse signal, and implements the functions such as the pulse waveform displaying, storing and processing. Dynamic tracking supervision and dynamic tracking management are also achieved. The system has several advantages such as short developing period, easy to design, and good expansibility.

pulse detecting; signal acquisition; virtual instrument

2015- 02- 06 修改日期：2015- 04- 03

江苏省大学生实践创新项目(201413112006Y)

崔秀华(1975—)，女，江苏姜堰，硕士，副教授，研究方向为现代测控技术.

E-mail：cuixh@njcit.cn

TH776

A

1002-4956(2015)10- 0080- 03