基于Labview 的AM 幅度調(diào)制脈搏波采集分析系統(tǒng)

余 婷，何 強(qiáng)，胡建敢，梁琛穎，余成波

(重慶理工大學(xué) 遠(yuǎn)程測(cè)試與控制技術(shù)研究所，重慶 400054)

脈搏波是心臟的搏動(dòng)沿動(dòng)脈血管和血流向外周傳播而形成的，其中包含著豐富的生理信息，如心臟機(jī)能、呼吸機(jī)能以及動(dòng)脈硬化程度等。因此，對(duì)脈搏波信號(hào)的采集、分析并實(shí)時(shí)的波形顯示在醫(yī)療電子領(lǐng)域具有十分重要的實(shí)際意義。

目前業(yè)界存在多種脈搏波采集途徑，比如通過NI 數(shù)據(jù)采集卡來采集，但是這種方法成本過高且需要單獨(dú)配置;也可通過PC 聲卡直接采集，聲卡本身就是一款優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，價(jià)格低廉、兼容性好、穩(wěn)定性高且具有16 位的A/D 轉(zhuǎn)換精度。但是，聲卡也有其局限性，即聲卡只適合采集音頻范圍的信號(hào)(20～20 kHz)，對(duì)直流或緩變信號(hào)的采集效果并不理想。所以，為了使脈搏波信號(hào)適應(yīng)聲卡采集，本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)幅度調(diào)制(AM)的Labview 脈搏波采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。由于聲卡數(shù)據(jù)采集以及幅度調(diào)制理論都已發(fā)展成熟，因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是可行的［1］。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)以NI 公司的Labview 虛擬儀器為平臺(tái)，由硬件電路和Labview 圖形化程序兩部分組成。硬件部分包括放大濾波電路和幅度調(diào)制電路;軟件部分包括聲卡數(shù)據(jù)采集模塊、解調(diào)模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

人體脈搏信號(hào)通過壓電式振動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于信號(hào)比較微弱，需先經(jīng)由放大濾波電路。然后經(jīng)AM 調(diào)制電路將低頻的脈搏波信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，從而使脈搏信號(hào)適合聲卡的采集，由聲卡采集進(jìn)入PC 機(jī)后，就可通過Labview 軟件解調(diào)模塊將采集的調(diào)制信號(hào)解調(diào)還原成脈搏信號(hào)［1］。最后，可對(duì)其進(jìn)行分析處理以得到有用的生理信息。

1.2 AM 調(diào)制原理

本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于聲卡采集與AM 幅度調(diào)制的結(jié)合，從而彌補(bǔ)了聲卡只適合采集音頻信號(hào)(20 ～20kHz)的局限，使其更具實(shí)用性。調(diào)制原理如圖2 所示。

圖2 對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行AM 調(diào)制的過程

圖2 中脈搏波信號(hào)為f(t)，載波為C(t)=cos(ω0t+θ0)，其中則已調(diào)信號(hào)為

由圖2 可知，AM 調(diào)制是用脈搏波信號(hào)f(t)來控制載波C(t)，使已調(diào)波的包絡(luò)按照f(t)的規(guī)律線性變化。因此，已調(diào)信號(hào)中包含了脈搏信號(hào)，待采集后，即可用軟件解調(diào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括放大濾波電路和AM 調(diào)制電路，主要是完成脈搏信號(hào)的放大、濾波及調(diào)制。

2.1 放大濾波電路

要采集微弱的脈搏信號(hào)，并抑制其他雜波，放大濾波是必不可少的。本系統(tǒng)采用高性能精密運(yùn)放TLV2262，它可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求，而且功耗很低。至于濾波，由于脈搏波信號(hào)的頻率成分大部分集中在17 Hz 左右，故這里采用低通濾波，截止頻率只要處于17 Hz 與50 Hz(工頻干擾)之間即可［2］，為了使脈搏波信號(hào)明顯，因此，截止頻率取40 ～45 Hz 為宜。放大濾波電路如圖3 所示。

圖3 放大濾波電路

2.2 AM 調(diào)制電路

本文中AM 幅度調(diào)制電路，采用MC1496 乘法器，如圖4所示。

圖4 AM 調(diào)制電路

3 Labview 軟件設(shè)計(jì)

3.1 聲卡數(shù)據(jù)采集

聲卡采集部分已經(jīng)很成熟了，圖5 就是一個(gè)基本的聲卡數(shù)據(jù)采集程序，只需對(duì)聲音格式、每通道采樣數(shù)、設(shè)備ID 等稍加配置即可。

圖5 聲卡數(shù)據(jù)采集

3.2 軟件解調(diào)

解調(diào)方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)。所謂相干解調(diào)，就是利用乘法器進(jìn)行頻譜搬移來實(shí)現(xiàn)解調(diào)，它要求本地載波與發(fā)射端載波必須保持同頻同相，故也稱同步解調(diào);而非相干解調(diào)一般為包絡(luò)解調(diào)，顧名思義，就是利用包絡(luò)檢波器來實(shí)現(xiàn)解調(diào)［3］。

實(shí)際應(yīng)用中包絡(luò)解調(diào)要優(yōu)于相干解調(diào)，因?yàn)楸镜剌d波很難與發(fā)射端載波同步(同頻、同相)。由于通過硬件放大、調(diào)制后，必然會(huì)混入高頻噪聲，此外，濾波也會(huì)使頻譜發(fā)生變化。因而，在軟件解調(diào)時(shí)，本地載波的頻率、初相位的確定變得比較困難，而一旦本地載波與發(fā)射載波不同步(同頻、同相)，相干解調(diào)就必然出現(xiàn)失真。因此，本文采用包絡(luò)解調(diào)。

本文中包絡(luò)解調(diào)主要是通過檢測(cè)波峰、波谷而達(dá)到解調(diào)的目的。如圖6 所示，利用AM 已調(diào)波關(guān)于x 軸對(duì)稱的特性，將檢測(cè)到的波谷翻褶上來，然后與波峰一起構(gòu)成包絡(luò)曲線。這樣的曲線比一般的包絡(luò)解調(diào)更逼近原信號(hào)曲線。

圖6 Labview 包絡(luò)解調(diào)原理

具體的解調(diào)程序如圖7 所示。主要思路就是，將檢測(cè)出來的波谷值取絕對(duì)值再和波峰值交織成數(shù)組作為解調(diào)波的幅值，而橫坐標(biāo)的時(shí)間值與采樣間隔有關(guān)且比較均勻，這樣，就可檢測(cè)出包絡(luò)波形，實(shí)現(xiàn)解調(diào)［4］。

3.3 分析

脈搏跳動(dòng)與心律是一致的，所以得出脈搏波形，就可分析人的心律，進(jìn)而可以了解心臟機(jī)能，獲取更多的生理信息。本系統(tǒng)主要是檢測(cè)脈搏次數(shù)來判斷是否心律不齊。所謂心律不齊，是指由于心臟病變導(dǎo)致心臟博動(dòng)異常的病理現(xiàn)象。精神緊張、大量吸煙、飲酒、喝濃茶或咖啡、過度疲勞、嚴(yán)重失眠等常為心律不齊的誘發(fā)因素。正常人的脈搏頻率為每分鐘60 ～100 次，而心律不齊的人則表現(xiàn)為心律過快、心律過緩或時(shí)快時(shí)慢。由此，以1 分鐘為總采集時(shí)間，以60 ～100 為限定閾，就可判定是否心律不齊，并且可保存數(shù)據(jù)為xls 格式［5］。

圖7 Labview 包絡(luò)解調(diào)子程序框圖

圖8即為主程序框圖，主要包括聲卡采集、包絡(luò)解調(diào)子VI、計(jì)數(shù)子VI、計(jì)時(shí)子VI、存儲(chǔ)子VI 以及心律不齊判定等部分。

圖8 主程序框圖

4 調(diào)試與檢測(cè)

調(diào)試過程中采用多參數(shù)模擬儀產(chǎn)生脈搏，再將信號(hào)接入放大濾波電路、調(diào)制電路再接入聲卡的Line-in 線性輸入口，這里考慮到阻抗匹配問題，將放大信號(hào)控制在1 V 以內(nèi)。然后啟動(dòng)Labview 軟件，運(yùn)行主程序，就可看到實(shí)時(shí)正確的脈搏波形，如圖9 所示，(a)、(b)、(c)分別為第一導(dǎo)聯(lián)、第二導(dǎo)聯(lián)以及第三導(dǎo)聯(lián)方式得到的脈搏波形。當(dāng)采集時(shí)間結(jié)束后，分析結(jié)果就會(huì)通過對(duì)話框顯示出來。

5 結(jié)束語

經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)正確地顯示脈搏波形，并可檢測(cè)脈搏次數(shù)以判斷人體心律是否正常，界面友好，方便實(shí)用。本系統(tǒng)利用AM 幅度調(diào)制原理有效地解決了聲卡不適合采集脈搏波等緩變信號(hào)的問題。而且，由此可以擴(kuò)展，此方法也可用于其他緩變甚至直流信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量，比如溫度、壓力等，從而使得聲卡數(shù)據(jù)采集更具普遍性和實(shí)用性。

圖9 三種導(dǎo)聯(lián)方式得到的脈搏波形

［1］周紅霞，張恒杰，張春芳.基于LabVIEW 的虛擬儀器及串口通信的實(shí)現(xiàn)［J］.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，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］劉繼偉，高文飚，高鵬，等.基于LabVIEW 的多通道脈搏波記錄處理系統(tǒng)［J］.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2006，23(2):146-149.

［4］黃建龍，高艷雯. 基于LabVIEW 的多功能重心測(cè)試系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007(2S):87-88.

［5］王步青，王衛(wèi)東，李開元.基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2008(5):517-519.