基于虛擬儀器的心率檢測

吳素花 張永壽

基于虛擬儀器的心率檢測

吳素花①張永壽②

目的：設計基于虛擬儀器實驗室虛擬儀器工程工作臺(LabVIEW)的心率檢測程序。方法：采集指端血氧信號，使之與脈搏波數據同步，通過Labview自帶的子VI處理數據，濾除干擾較強的數據而得到需要的數據。結果：通過LabVIEW技術處理指端血氧信號得到實驗對象的脈搏波周期T，計算單位時間內脈搏次數即可得到心率(脈搏=1 min內心臟的跳動次數，正常情況下，脈搏=心率)。結論：對該信號進行處理是一項重要且有意義的工作，不僅可以得出心率，還可以深入分析并依此對心血管系統疾病進行預報和診斷，為臨床醫生提供具有一定意義的診斷依據。

虛擬儀器；脈搏波；周期

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicin Institute of Science and Engineering, Jinan 250355, China.

脈搏波數據與指端血氧信號同步，處理指端血氧信號時可借鑒處理脈搏波的方法。目前，對于脈搏波的分析主要是比較正常和病理狀態下脈搏波波形及傳播速度的不同，對提取時域或頻域特征參數加以分析研究。主要分析方法包括時域分析法、頻域分析法、時頻聯合分析法、數學建模分析法以及脈搏波傳導速度(pulse wave velocity，PWV)分析法等[1-5]。

時域分析法是在時域脈搏波圖上分析波動信號的動態特征，通過對主波、重搏前波和重搏波的高度、比值、時值、夾角及面積值等進行參量分析，找出某些特征與人體生理病理變化的內在聯系。時域分析法是目前最常用的脈搏波分析方法，包括直觀形態法和波圖面積法等。頻域分析法是通過離散快速傅里葉變換，將時域的脈搏波信號變換到頻域，從脈搏波頻譜中提取與人體生理病理相應的信息，觀察振幅、相位隨頻率的變化，找出信號在時域中不明顯而在頻域中較為明顯的特征，其方法為功率譜分析和倒譜分析等。PWV是通過測量兩個記錄部位的距離和脈搏波傳導時間求得，目前臨床上通常采用記錄的部位有頸動脈-股動脈、頸動脈-肱動脈等。近年來，國外對脈搏波的臨床應用研究多集中在PWV上，用于預測和判斷高血壓、糖尿病及晚期腎衰竭等疾患者的心血管狀況[6-10]。本研究通過虛擬儀器實驗室虛擬儀器工程工作臺(laboratory virtual instrumentation engineering workbench，LabVIEW)對指端血氧信號的處理，得到脈搏波的周期，以達到得到心率的目的[11-12]。

1 虛擬儀器LabVIEW程序設計

由于采集脈搏波的數據有一定難度，故程序處理的數據是指端的血氧信號采集的數據，該數據與脈搏波信號同步，可以用來測量心率。將數據中的“Pleth”數據提取出來，作為脈搏波的數據。在顯示數據及處理數據過程中用到了虛擬儀器LabVIEW自帶的VI程序，讀取電子表格的子VI、索引數組的子VI、刪除數組元素的子VI、波形圖表的子VI、計算周期與頻率的子VI及波峰波谷的子VI[13]。

檢測波峰波谷VI輸出的波峰值是擬合后曲線上極值，通常不是輸入信號中采集的數值，所以輸出的峰值Amplitudes可能大于輸入信號中的最大值，且波峰位置Locations通常不為整數，這種有效插值的方法更接近與原始模擬信號中的峰值。檢測波峰波谷是為了

更直觀的顯示數據的波形和范圍。

程序運行的同時需濾除數組中偏離較大的數值，需要設計濾值模塊。濾值模塊的關鍵是設計選取閾值的程序，其目的是為了過濾掉偏離較大的數據，得到符合要求的數據，排除干擾條件。運用LabVIEW最大(最小)值函數，得到數據中的最大值后再與比例因子(依體質情況而變，通常0.5～0.8)相乘得到閾值。讀取電子表格、計算周期與頻率及檢測波峰與波谷程序設計流程如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 讀取電子表格的數據(File.vi)

圖2 計算周期與頻率(RMS.vi)

圖3 檢測波峰與波谷(Detection.vi)

2 虛擬儀器LabVIEW實驗結果

通過本實驗研究可得到數據的波形及其周期平均值和周期均方根值等。通常，經過該程序處理后可以得到人體的脈搏，以此作為人體的心率，即可作為人體生理檢測的醫學參考指標。

心率計算方法：通過該程序直接得到周期T，用單位時間(60 s)除以周期可以直接得到脈搏，即心率。本研究共處理10組病例數據，每組數據中隨機采集了3萬多個數據點，數據量較大，且數據客觀存在，因此該10組病例數據符合統計學規律，具有科學研究價值。

3 討論

本研究只是較簡單地實現對脈搏波的分析與處理，得出初步結論。受客觀條件限制，本系統不盡完善，只針對已經采集到的數據，對于數據采集部分未過多的涉及，還可進一步設計及制作完成脈搏波采集功能的硬件部分，以配套目前編寫的軟件處理部分，實現實時脈搏波采集、分析及計算心率等功能。

本研究對脈搏波的檢測結果，可依此初步判斷患者的病情。其原因為：①脈搏波的傳播過程不僅受到心臟本身的影響，還受到沿途動脈和周圍組織器官狀況的影響，使脈搏波蘊藏著豐富的人體生理和病理信息；②若僅以此為依據，確診患者的疾病并不科學，因搜集的病患數據較少；③處理方法較為單一，程序算法有一定的局限性；④疾病的確診需要依賴于醫務人員自身的臨床經驗和其他醫療診查手段的輔助，不能夠只單純依賴于某一項檢測。

4 結語

本研究是基于虛擬儀器的心率檢測，利用一般生理病理情況下脈搏與心率相等的原理，用虛擬儀器LabVIEW技術編寫程序，處理分析脈搏波信號得出心率。通過脈搏波的處理數據可初步判定患者有無與心臟、血管及周圍組織器官等相關的疾病，為臨床醫生的診斷提供參考依據[14-15]。

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Research on the virtual instrument-based heart rate detection/

verification shou// China Medical Equipment,2015,12(4):47-48.

Objective: To design a heart rate testing procedure which based on Labview. Methods: Collect the blood oxygen signals of the fingers, which keep in step with the pulse wave. Filter the signals and obtain the pregnant datum by the Labview procedures. Results: Achieve the pulse cycle “T” by Labview processing the blood oxygen signals of the fingers, and gain the heart rate by calculating the pulse in one minute(Pulse is equal to the number of heart beat in one minutes-1/T,the heart rate). Conclusion: It is an important and meaningful work to process the signals. Not only acquire the heart rate, but also prompt and diagnose the diseases of the cardiovascular system. It also can provide some meaningful diagnostic evidence.

Virtual instrument; Pulse wave; Cycle

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.015

1672-8270(2015)04-0047-02

R197.39

A

吳素花,女,(1989- ),本科在讀。山東中醫藥大學理工學院，研究方向：醫療設備質量控制。

2014-10-15

①山東中醫藥大學理工學院 山東 濟南 250355

②濟南軍區總醫院醫學工程科 山東 濟南 250031