基于Ｌａｂｖｉｅｗ的中醫(yī)脈象采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

摘要：Labview是目前世界上最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)充分利用Labview開發(fā)平臺的強(qiáng)大功能，采用模塊化的硬件產(chǎn)品，可方便、快速地構(gòu)建具有多種功能的測試儀器。文章采用Labview軟件開發(fā)了中醫(yī)脈象采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于對脈象信號的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、處理等，使學(xué)生能結(jié)合實(shí)際學(xué)習(xí)相關(guān)課程，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)相關(guān)課程的興趣。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；Lab view；數(shù)據(jù)采集；脈象儀；實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域。Labview軟件以其形象直觀的圖形化編程語言、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫、“軟件就是儀器”的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，在自動化測控領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位。本文介紹的中醫(yī)脈象采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用簡潔的硬件設(shè)備，為采用虛擬儀器技術(shù)學(xué)習(xí)Labview編程提供了一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)也可用于中醫(yī)脈象采集與分析的教學(xué)和研究。儀器的硬件部分包括壓力傳感器、信號調(diào)理組件和USB數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集裝置，主要完成中醫(yī)脈象的數(shù)據(jù)采集。脈象的顯示、分析等功能則采用虛擬技術(shù)的方法，由普通計(jì)算機(jī)或筆記本電腦來完成，可進(jìn)行脈象信號的時(shí)域、頻域特征參數(shù)的提取，從不同角度滿足中醫(yī)脈象診斷分析的要求。數(shù)據(jù)采集裝置通過USB接口直接與計(jì)算機(jī)連接，提高了數(shù)據(jù)采集速度，而且可充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)的各種資源(尤其是其軟件資源)，同時(shí)又增強(qiáng)了中醫(yī)脈象采集分析儀器的功能。

1 中醫(yī)脈象測試實(shí)驗(yàn)的基本組成

該系統(tǒng)的基本構(gòu)成可分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括傳感器、USB數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)(見圖1)，主要功能是采集到質(zhì)量較高的脈搏波信號；軟件部分主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、Labview開發(fā)平臺，主要功能是對采集到的脈搏波進(jìn)行存儲、分析及顯示。

2 中醫(yī)脈象測試實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接

本系統(tǒng)由圖2所示三大部分組成。其中HK-2000B集成化脈搏傳感器包含壓力傳感和信號調(diào)理兩個(gè)模塊，它將脈搏跳動的波動壓力轉(zhuǎn)換成可供采集的±2V內(nèi)的模擬電壓信號，其工作電壓為5～6VDC，因此可簡單地直接利用USB數(shù)據(jù)采集卡的5V電源作為該傳感器的工作電源。信號輸出有三條線，分別為電源正(紅)、負(fù)(黑)和輸出信號(白)。由于是單端電源供電，它不是差分信號輸出，所以信號線直接連到A10(USB-6009的模擬輸入A／D通道0)。USB-6009共有八路A／D，可方便地?cái)U(kuò)充到三路脈象的同時(shí)采集。USB-6009的USB口連接到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)的Labview程序來控制和完成脈象的采集、顯示、分析、保存等。

由于傳感器和硬件等因素的差異，要使獲取的采樣信號正確反映脈搏跳動的壓強(qiáng)信號，需對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，包括靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能的編程

脈象采集程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：①脈象信號實(shí)時(shí)采集與顯示；②參數(shù)的設(shè)置；③對信號進(jìn)行濾波；④數(shù)據(jù)存儲；⑤脈搏的計(jì)數(shù)；⑥脈象信號的功率頻譜的顯示；⑦脈象信號幅度累計(jì)直方圖的顯示等；⑧脈象信號數(shù)據(jù)流的保存。脈象儀器的各功能實(shí)現(xiàn)主要是利用LabVIEW基礎(chǔ)軟件包中的各種工具套件和模塊，如數(shù)據(jù)采集助手、各類Express VI(信號分析、文件輸出、信號操作、執(zhí)行過程控制、算術(shù)與比較)。豐富的VI和函數(shù)提高了測試測量應(yīng)用程序的開發(fā)效率。編程主要分為以下三步：

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

通過創(chuàng)建NI-DAQmx任務(wù)的向?qū)В詣油瓿捎嘘P(guān)設(shè)置。選擇輸入選板上的DAQ Assistant Express VI，主要設(shè)置：單個(gè)或多個(gè)通道以及定時(shí)、觸發(fā)等屬性的集合、signal Iput RangeMax，Min(±5V)、Teminal Configuration：RSE(單端參考地模式)、Acquistion Mode(Continuous Samples)、Samples to Read(1000)等。從概念上來說，任務(wù)表示待執(zhí)行或生成任務(wù)。其它還可以增加輸入控件用于改變采樣頻率和采樣長度的設(shè)置，使得脈搏測量時(shí)能清楚、連續(xù)地顯示脈象波形圖的動態(tài)變化(見圖3上)。

2.2.2 數(shù)據(jù)的分析與處理

濾波器、頻譜測量、創(chuàng)建直方圖直接采用Express的信號分析函數(shù)。通過信號分析中的FFT PtByPt函數(shù)運(yùn)算和變換(complex To Polar)后由波形圖顯示動態(tài)的頻譜分析結(jié)果(見圖3下)。其它如脈搏次數(shù)則通過對信號電壓的比較，由順序程序結(jié)構(gòu)對時(shí)間計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，也可用波形測量函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。若要進(jìn)一步對信號進(jìn)行分析，如小波分析、時(shí)頻分析等，則需要安裝信號分析工具包。

2.2.3 數(shù)據(jù)和波形的顯示與保存

脈象波形采用波形圖表(chart)動態(tài)連續(xù)顯示，系統(tǒng)自動調(diào)整Y坐標(biāo)，只要觸脈壓力保持短時(shí)間的相對穩(wěn)定或者用綁帶綁住脈搏傳感器就能呈現(xiàn)清晰、完整的脈象波形。頻譜分析結(jié)果采用波形圖表(Graph)方式顯示，數(shù)據(jù)文件的保存采用TDMS格式。可方便地用瀏覽文件VI來觀看和處理波形(如歷史波形的截取與放大、縮小和脈象波形的測量等)。

圖3為中醫(yī)脈象測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的前面板，圖4為對應(yīng)的程序框圖。

3 結(jié)束語

本脈象測試儀器硬件結(jié)構(gòu)簡單，便于學(xué)生開展虛擬儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過脈象儀應(yīng)用實(shí)例了解和掌握LabVlEW的編程方法和主要功能。系統(tǒng)能展現(xiàn)出一個(gè)測試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集、保存、顯示和簡單分析的完整過程，充分體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)中軟件就是儀器的特點(diǎn)。Labview提供了非常豐富的信號分析函數(shù)和工具，可以方便地對脈象進(jìn)行十分詳細(xì)的分析、研究，如利用時(shí)頻聯(lián)合分析法和小波分析在檢測奇異點(diǎn)方面的優(yōu)勢，提取表征脈象的新的特征值；結(jié)合脈象特征的測量和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)進(jìn)行脈圖識別等。在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，可以拓展脈象儀的各種功能，如增加采樣通道，更好地研究和觀察三指的脈象數(shù)據(jù)采集，添加基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)四診的遠(yuǎn)程診斷功能等。與傳統(tǒng)的中醫(yī)脈象儀相比，基于虛擬儀器技術(shù)的脈象儀具有硬件電路簡單、可靠性高、軟件功能豐富、擴(kuò)展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用LabVlEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，在開發(fā)效率和界面設(shè)計(jì)等方面，要比其他開發(fā)工具如VB，VC等有更大的優(yōu)勢。LabVIEW涵蓋的東西和應(yīng)用范圍很廣，包括很多專業(yè)的算法，要真正掌握LabVIEW需要不斷地探索。本脈象測試儀器非常適合在學(xué)生中開展虛擬儀器的教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的科研和動手能力。