《工业控制计算￣２０１０年第２３卷第１１期 ６７ 基于ＬａｂＶ ｌ ＥＷ的脉搏波信号分析系统设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｐｕｌｓｅ Ｓｉｇｎａｌｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶｌＥＷ 胡海燕 于淑萍 汪维东 （南京铁道职业技术学院，江苏南京２１００１５） 摘 要 脉搏波的测试信号直接反应人体身体状态，及时正确地测量脉搏次数对于医学诊断具有重要的意义。针对脉搏波干扰 信号的复杂性，基于ＬａｂＶｌＥＷ－Ｙｒ－￣Ｌ－１－台，采用ＬａｂＶｌＥＷ与Ｍａｔｌａｂ相结合的方法，设计了脉搏信号处理系统，通过实际验 证，表明该系统具有良好的直观性，对于与脉搏相关的心电状况诊断具有一定的借鉴意义。 关键词：虚拟仪器，数字滤波器，ＬａｂＶＩＥＷ，Ｍａｔｌａｂ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ—ｗａｖｅ ｗｉｌｌ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｂｏｄｙ Ｓ ｓｔａｔｕｓ．ｉｔ ｉｓ Ｉｍｐｏ￣ａｎｔ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｐｕｌｓｅ—ｗａｖｅ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｔｉｍｅｌｙ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｗａｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＬａｂＶｌＥＷ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＬａｂＶｌＥＷ ａｎｄ Ｍａｔｌａｂ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｓｕａｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ．ＬａｂＶｌＥＷ．Ｍａｔｌａｂ 脉搏信号是一种微弱的非平稳信号，输出幅度通常在几十 脉搏波信号经过硬件调理电路，数据采集卡采集的信息中 主要包含了脉冲式的脉搏波信号、频率较低的基线漂移信号及 干扰噪声，然而，由于漂移信号的不确定性，采用通常的滤波、阈 微伏到几个毫伏，因此在信号采集过程中容易受到外界干扰、电 源波动干扰、人体肌电干扰等因素的影响，甚至会淹没脉搏信 号，从而将直接影响诊断结果。近几年来，已经有一些关于脉搏 信号的数字滤波技术的研究。准确诊断脉搏信号对于心脑血管 疾病诊断及重症病人的在线监测具有重要的意义。作者从可视 化角度出发，通过分析脉搏信号的特点，针对脉搏信号受人体呼 值处理技术不能达到良好的效果。小波分析方法因其具有良好 的表征信号时域和频域特征的局部特性，能够将微弱信号从噪 声中提取出来。因此，在Ｄｏｎｏｈｏ提出的软阈值基础上，结合脉 搏信号特点，提出了自适应阈值处理算法，该算法克服了基线漂 移问题，避免了脉搏信息的误去除。具体步骤如下： １）将采集到的含有噪声的脉搏波信息作为一个样本存放； ２）对样本数据进行小波分解，将分解的小波系数作为新的 样本信息并Ｎ等分； 吸等体征引起的基线漂移以及电源引入的５０Ｈｚ工频干扰信号 两个方面，将ＬａｂＶｌＥＷ软件平台与Ｍａｔｌａｂ软件结合起来，设计 了基于ＬａｂＶｌＥＷ软件平台的脉搏波信号处理系统。 １ 脉搏波信号获取与分析 光电容积法是当今脉搏测量的一种有效方法。其原理是根 据朗伯一比尔定律，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过 人体组织吸收、反射衰减后测量得到的光强反映照射部位组织 ３）每一小区间的信息作为一个独立的信号； ４）求每一区间的局部极大值、极小值点； ５）将局部极大值、极小值点分别用三次样条差值法拟合成 的结构特征，利用光电传感器发射红外光，照射到手指末端，由 于手指末端脂肪含量少，可以认为信号的强弱反应了动脉血的 充盈，从而间接测得脉搏信号。 包络线，取极大值、极小值包络线的平均值； ６）重复以上步骤，得到每一小区间的平均值包络线，作为样 本的阈值； 由于光电传感器与后序测量转换电路相隔离，脉搏信号较 微弱，在采集过程中不可避免的易受到各种干扰信号的影响。包 括肢体抖动、肌肉紧张、情绪波动以及电源工频干扰等，从而引 ７）对闽值处理的小波系数进行重构，得到基线平稳的脉搏 波采集信号。 起脉搏信号基线漂移以及工频干扰误触发等现象。近几年来，脉 搏信号的去噪问题已经有一些相关的研究。作者主要考虑从两 个方面着手，一方面采用硬件电路，设计两级带通滤波器削弱 ５０Ｈｚ工频信号的影响。对于脉搏信号中由呼吸干扰引入的基线 漂移情况，由于个体存在差异，用硬件电子线路难以设定统一的 电平调节，因此，采用数据采集卡将脉搏信号数据送入计算机， 利用Ｍａｔｌａｂ软件设计自适应滤波器软件消除基线漂移，取得了 良好的效果。 ２基于ＬａｂＶｌＥＷ与ＭａｔＬａｂ的脉搏波信号分析系统设计 ２．１脉搏波在ＭＡＴＬＡＢ软件中的自适应滤波技术 采用ＬａｂＶｌＥＷ与Ｍａｔｌａｂ混合编程的方法，首先将采集的 数据通过接口送入计算机用Ｍａｔｌａｂ软件进行数据处理，最后将 处理后的数据送入ＬａｂＶｌＥＷ以图形的形式直观的显示出来。 图１ 采集脉搏信号（基线漂移】 从图形可知，图１中脉搏信号具有噪声污染以及基线漂移 图２小波软域值滤波效果 １ｏ ｒ＿＿————————————～一 ？。１ 图３混合编程自适应滤波效果 的特征，而这种信号如果单纯用硬件模拟电路实现时，在送入数 字电路计数显示时，基线漂移引起数字脉冲误触发计数器，从而 引起测量误差。因此，作者提出采用数字滤波器的方式，并针对 不同的滤波器分别进行滤波效果比较。其中图２、图３分别为采 用小波软阂值以及自适应阈值滤波效果图，可见，小波自带软阈 值处理方法虽然能够有效滤除一部分噪声，但是不能消除基线 漂移的影响，而图３自适应滤波方法可以有效的消除噪声及基 线的影响，从而不会受到个体差异的影响，可以实现脉搏信号的 准确测量。 囤４基于ＬａｂＶＩＥＷ的脉搏波信号分析系统面板图 ２．２ ＬａｂＶｌＥＷ脉搏波信号分析系统设计 ＬａｂＶＩＥＷ软件集成了大量生成图形界面的模板，如各种表 头、指示灯、旋钮、开关等，程序设计分为前面板界面和框图程序 两部分。前面板界面主要包含脉搏信号波形 示，脉搏计数显 示，数据采集卡参数设置，滤波器方式选择等功能，框图程序是 前面板显示部分的后台程序，将各显示模块、Ｍａｔｌａｂ脚本程序 通过节点、接线端子结合起来混合调用，处理及运算结果在前面 板显示出来。 Ｍａｔｌａｂ ｓｃｒｉｐｔ节点方法是Ｍａｔｌａｂ与ＬａｂＶＩＥＷ软件混合 编程的一种常用方法。它是采用ＡｃｔｉｖｅＸ控件与Ｍａｔｌａｂ ｓｅｒｖｅｒ 进行通信，将编写好的Ｍａｔｌａｂ脚本文件导人ＬａｂＶｌＥＷ框图程 序中实现的。作者利用Ｍａｔｌａｂ软件强大的运算功能和Ｌａｂ— 基于ＬａｂＶｌＥＷ的脉搏波信号分析系统设计 ＶＩＥＷ软件良好的面板设计功能混合编程，在前面板设置采样 率、选择滤波器调用Ｍａｔｌａｂ脚本程序、点击确定按钮即可将脉 搏计数、信号直观地显示出来。框图程序如图５所示。这种方法 的优点是可以实现Ｍａｔｌａｂ提前编程，运算速度快，克服了单独 用Ｍａｔｌａｂ编程需要设计多个图形界面的缺点，直接在前面板进 行参数设置及滤波器方式选择，不需修改后台程序，即可在图形 显示部分对应显示处理及计算结果。 ａ— 番 ； 兰 ÷ ；—一一 ！ ；一… 量 ｌ Ｌ…ｃ ｔ．０“ 兰 ｉ ｌ 蓦Ｐ ！Ｌ— 岛 ＿＝ —崔 Ｅ１ 雠 ｃ—ｃ“ 赢 参 …一～ 团 圈５基于ＬａｂＶｌＥＷ的脉搏波信号分析系统程序图 ３结束语 作者采用ＬａｂＶＩＥＷ与Ｍａｔｌａｂ混合编程的方式，设计了脉 搏信号处理系统，很好地解决了脉搏信号基线漂移、工频干扰的 影响问题，该程序可以设置采集卡参数，选择滤波器，显示脉搏 计数及处理信号，通过实际验证，界面效果直观，信号处理效果 良好。基于ＬａｂＶＩＥＷ的脉搏信号分析系统对于心脑血管疾病的 诊断及重大疾病在线监测具有良好的临床应用意义。 参考文献 ［１］王镇，蔡萍．用于去除心电信号中工频干扰数字滤波技术［Ｊ］．电子测 量技术，２０００（２） ［２］郑涛，宋庆庆，谢忠．应用动态链接库的ＬａｂＶＩＥＷ数字滤波器开发 ［Ｊ］振动、测试与诊断，２００６，２６（１） ［３］王晓光，潘明基于ＬａｂＶＩＥＷ的氧传感器的测试系统［Ｊ］．仪表技术 与传感器，２００９（９） ［４］马银平，宣亮亮，彭如基于ＬＡＢＶｌＥＷ的数据采集系统分析与设计 ［Ｊ］电子元器件应用，２００９（１０） ［５］周红标基于小波变换的脉搏信号特征提取［Ｊ］电子测量技术，２００９ （９） ［收稿日期：２０１０．８．１８］