应用LabVIEW进行人体脉搏分析

应用LabVIEW进行人体脉搏分析

1.1 人体脉搏研究的背景和意义

脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰富的人体健康状况信息。早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。

随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。

因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基于这方面来进行的，利用功能强大的虚拟仪器LabVIEW设计出脉搏的采集与分析系统，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。

1.2国内外研究现状

脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建模方面)；二是信号检测与分析。从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究, 也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包括以下方面:

（1）脉搏信号检测与提取

用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从50年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种[1]。

（2）脉搏信号处理与特征提取

目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。

时域分析法：目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系[2]。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。直观形态法。

频域分析法：频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同, 脉搏信号的频域特征可分辨性好, 因此80年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析[3，4，5，6，7] , 初步取得了有意义的结果。这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正确的。我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异, 利用频域分析的延伸技术——倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递函数, 分析了脉搏系统的频率特性[8]。

时频联合分析法：是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平面能描述出各个时刻的谱成分。常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变换(WT) 。

短时傅立叶变换(STFT)方法：是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正弦成分的幅度成线性比例。其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率分辨率在整个时频平面上固定不变。另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特殊的窗才能得到最佳分辨率。

小波变换(WT)：是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率,把FT 中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信号的有力工具[9]。在目前已知的小波函数中,复值调制的Gaussian 函数是使用最高的小波之一。

1.3本课题的主要工作任务

本课题的主要任务是应用LabVIEW做出人体脉搏信号的采集与分析系统，具体的工作有：

（1）熟练使用LabVIEW图形化编程工具。

（2）学习数字信号处理中时频变换的基本理论。

（3）了解模式识别中语音识别系统的基本概念和分析方法。

（4）学习数据压缩中的基本思想。

（5）学习误差理论与数据处理的基本理论与方法。

（6）搭建出数据采集系统，使人体脉搏信号可以在计算机上显示。

（7）自动调整脉搏时域信号波形基线位置和波形的放大倍数。

（8）将时域信号坎头去尾，整周期存贮起来。

（9）到医院和学校进行数据的采集。

（10）能够将采集的数据调出来并进行各项分析，搭建基于脉图面积法的k值的计算模块和脉搏波下降沿一阶导数为负占整个下降沿的百分比的计算模块，对时域信号进行FFT变换，之后把频谱数据存储起来。

（11）调用频谱数据，应用了两种方法将频谱中各次谐波提取出来，以db值，绝对值和向量的形式存储起来。

（12）整理各种分析方法所得出的数据，存储到EXCEL中。

（13）应用EXCEL里面的各种数学函数对数据进行统计分析并建立图表。

（14）比较各种分析方法的优劣并得出结论。

第2章脉搏信号的采集系统

2.1 脉搏信号采集分析系统总体设计方案

开发脉搏采集虚拟仪器系统应着重考虑以下几个问题:

（1）问题提出:脉搏采集虚拟仪器需要完成的主要功能是读进传感器中的数据，并且显示和存储起来。要以什么方式来实现这些功能，硬件和软件之间的数据如何传送；当系统做好后，要考虑数据去哪里采集，采集多少样本，采集的过程中的误差怎么避免，传感器的位置对测量结果的影响有多大。在接下来的章节中要逐一解决以上问题。

对采集来的数据进行分析时，主要有时域和频域两种分析方法，前者的研究工作做过不少，因为时域上的波形给人的感觉比较直观。目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法、直观形态法。这其中也有一些方法值得尝试，但是这些方法的效果还是有待考究的，本文也会用这些方法进行分析，并提出一些新的分析方法做出对比，找出正常人与病人脉象之间的差异。

虽然时域描述比较简单，但它不能反映数据的频率结构。为此，人们经常对数据进行频谱分析，研究其频率成分及格频率成分的强度，将信号变换到频域中后，许多包含在其中的信息就变得更为明显。这就是数据的频域描述。频域变化可以看到时域波形中细微的频率变化。频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同, 脉搏信号的频域特征可分辨性较好。本文也介绍了几种频域中提取特征值的方法，并且与之前的学者所用的方法进行比较。数据采集系统、时域分析系统和频域分析系统的连接框图如图2-1所示。（2）硬件选择:需要在各式各样的传感器当中选择一种结构简单、功能强大的传感器。由于要去医院和学校采集脉搏数据，要求传感器携带方便，并且要与计算机有接口。（3）软件编程:编程之前需要把所需要实现的功能框架画出来，编程时根据需要选择一定的功能模块，构建框图程序结构，可编出高效的程序，实现脉搏采集虚拟仪器面板上的各种功能。LabVIEW是图形化编程语言，它提供的是图形化功能模块，精心合理的组织这些功能模块就能完成所需要的要求。