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        基于虛擬儀器的血壓計設(shè)計

        2014-04-29 18:06:41秦鑫王昌
        電子世界 2014年13期
        關(guān)鍵詞:虛擬儀器血壓實驗教學(xué)

        秦鑫 王昌

        【摘要】血壓信號測量是醫(yī)療儀器教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。為改善教學(xué)方式,把虛擬儀器技術(shù)引入教學(xué)。在虛擬儀器技術(shù)平臺上,本文運用LabVIEW軟件編程結(jié)合壓力傳感器及運算放大電路等硬件設(shè)計了一個人體血壓信號測量實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過實驗測試驗證,測量準(zhǔn)確,應(yīng)用于教學(xué)中可使學(xué)生對血壓等生理信號認(rèn)識的更為全面直觀,教學(xué)效果良好。

        【關(guān)鍵詞】血壓;實驗教學(xué);虛擬儀器;LabVIEW

        在高等教育中,實驗課程是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生而言,醫(yī)療儀器實驗是其一個必修實驗課程[2]。這門課程的一部分重要內(nèi)容就是對人體生理信號(血壓、心電、呼吸等)的檢測與處理,通過相關(guān)實驗使學(xué)生不僅從理論上還要從實踐中掌握這些信號的特點和采集處理方法[3]。但是真正在教學(xué)中一直有一些弊端存在,比如相關(guān)醫(yī)療儀器實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而實驗設(shè)備成本偏高等原因,導(dǎo)致實驗教學(xué)缺乏靈活性,提不起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,也不利于培養(yǎng)學(xué)生探索和創(chuàng)新能力[4-6]。

        為了摒除傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端,提高教學(xué)水平,我們對醫(yī)療儀器教學(xué)開展了一系列教學(xué)改革,把虛擬儀器引入測量系統(tǒng),其中血壓信號的測量就是一個重要環(huán)節(jié)[5]。虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用[5]。本設(shè)計在基于LabVIEW平臺開發(fā)的的血壓測量系統(tǒng),血壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡提取,送入軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析處理,可以顯示常見的血壓參數(shù)和血壓波形,另外若血壓值超出設(shè)定閾值,進(jìn)行報警;還可以根據(jù)要求對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、調(diào)用、波形回放等。

        1.系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

        圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

        本血壓測量系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)示波法(測振法)原理[7]。圖1是采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。工作過程,先在手臂肱動脈處纏繞水銀血壓計袖帶,在袖帶內(nèi)塞入血壓振蕩波傳感器其直接接觸皮膚,然后血壓氣波傳感器用一個不銹鋼三通和水銀血壓計的氣閥連接,最后監(jiān)聽柯氏音采用水銀計聽筒。測量系統(tǒng)將采集到的血壓波信號通過數(shù)據(jù)采集卡送入設(shè)計的虛擬儀器LabVIEW軟件平臺對其進(jìn)行分析處理。

        傳感器及前級放大電路如圖2所示。

        本系統(tǒng)硬件設(shè)計部分的任務(wù)是對人體血壓信號的采集和調(diào)理。圖2是系統(tǒng)設(shè)計的傳感器及放大電路。這部分主要工作過程:(1)有一個恒流源電路由運放IC2及其外接電阻電路組成,其運放輸出端輸出一個恒定電流,電流供給壓力傳感器SE1的第2端子;(2)溫度補(bǔ)償電路主要有運放IC4構(gòu)成,運放IC4的第6端輸出與運放IC5的第5端相連接;(3)壓力傳感器SE1接收血壓信號進(jìn)行壓電變化,轉(zhuǎn)換后電壓信號輸出接至運放IC5的第2和3引腳。電路放大倍數(shù)可以通過改變電位器RP1大小調(diào)節(jié),最后經(jīng)過差動運算放大實現(xiàn)驅(qū)動輸出,壓力的變化通過AI2的電壓變化反映出來。

        在硬件電路里面,傳感器的驅(qū)動電路主要選用由精密、低噪聲的通用型運放OP07和德州儀器公司的TL431穩(wěn)壓二極管;傳感器的輸出以差分方式輸入到前級放大器,前級放大器采用價格低、共模抑制比高、可靠性好的AD620。壓力傳感器選擇臺灣APM公司專為電子醫(yī)療器械開發(fā)的一款氣體壓力傳感器BP300T,其結(jié)構(gòu)簡單、性價比高。

        2.系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

        圖3 血壓測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖

        從人體采集的血壓信號預(yù)處理后通過數(shù)據(jù)采集卡送入計算機(jī)在LabVIEW環(huán)節(jié)對其進(jìn)行后置放大、低通濾波、頻譜分析,得到所需收縮壓、舒張壓、平均壓、脈率等具有臨床意義的生理信號數(shù)據(jù)和相關(guān)血壓波形等生理信息。具體的軟件設(shè)計流程如圖3所示。

        在整個測量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的選擇是很關(guān)鍵的,其性能直接影響采集信號的質(zhì)量,本文設(shè)計選用的是美國LabJack公司研發(fā)性價比高,在教學(xué)實驗儀器廣泛使用的LabJack U12。另外本測量系統(tǒng)采用幅度系數(shù)法原理識別血壓參數(shù),幅度系數(shù)算法實現(xiàn)簡單,可靠性高,因其本身來自大量的臨床數(shù)據(jù),即用所測收縮壓、舒張壓和脈搏波波動最大幅值的比系數(shù)關(guān)系確定血壓值。

        3.實驗結(jié)果與分析

        圖4 系統(tǒng)設(shè)計面板圖

        本文設(shè)計的血壓測量系統(tǒng)運用血壓信號采集調(diào)理電路和LabJACK數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW平臺上完成一個虛擬人體血壓儀,實現(xiàn)了血壓信號的采集、波形回放,收縮壓和舒張壓的計算顯示及報警等功能。系統(tǒng)前面板圖如圖4所示。

        為了驗證本文設(shè)計的測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,在課堂上抽取了幾名同學(xué)分別用本文設(shè)計的測量系統(tǒng)和電子血壓計進(jìn)行測試。經(jīng)過對兩組血壓測試數(shù)據(jù)比較分析:人體收縮壓(高壓)基本一致,而舒張壓(低壓)與實際尚有誤差,說明傳感器調(diào)理電路和軟件程序需再優(yōu)化。但是針對實驗教學(xué)取得了很好的教學(xué)效果,同學(xué)們一致反映對血壓測量的原理有了更透徹的認(rèn)識,對數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、頻譜分析等相關(guān)知識均可得到充分地了解[8-10]。

        4.結(jié)論

        本文用LabVIEW軟件和相關(guān)硬件設(shè)計的血壓測量儀,能夠連續(xù)準(zhǔn)確測量血壓信號,而且可以直觀顯示收縮壓、舒張壓、平均壓及脈率和相關(guān)血壓的波形。利于LabVIEW強(qiáng)大的通用和擴(kuò)展功能,設(shè)計測量系統(tǒng)可由血壓信號逐步擴(kuò)展比如呼吸、心電、脈搏等信號測量,對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)醫(yī)療儀器教學(xué)改革與發(fā)展具有很大幫助,并且給醫(yī)學(xué)研究血壓信號帶來極大方便,具有很大的現(xiàn)實意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]姜海波.虛擬儀器技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(15):53-54.

        [2]秦鑫,龍云玲.虛擬儀器技術(shù)在醫(yī)療儀器教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(17):20-22.

        [3]余學(xué)飛.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2007.

        [4]王祖麟,吳大舜.LabVIEW虛擬儀器技術(shù)在大學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技廣場,2007(11):185-186.

        [5]張愛平.LabVIEW在電子測量教學(xué)中的應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù),2004:36-39.

        [6]李趙春,程玉柱.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器測試教學(xué)實驗系統(tǒng)[J].大學(xué)物理實驗,2013,26(1):89-91.

        [7]段于千,胡平平.無創(chuàng)血壓測量示波法分析與研究[J].微計算機(jī)信息,2011,2(1):102-104.

        [8]陸宏偉,王春芳,花有園.基于虛擬儀器的人體生理信號發(fā)生器的研制[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2013,30(1):3906-3909.

        [9]唐求,高云鵬,曹琳琳.虛擬儀器課程教學(xué)與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)實施[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(4):278-279.

        [10]譚延軍,聶友偉.基于LabVIEW平臺的虛擬儀器編程[J].微處理機(jī),2013(6):76-78.

        基金項目:河南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2013-JKGHC-0187)。

        作者簡介:秦鑫(1978—),女,河南衛(wèi)輝人,碩士,講師,主要從事電子技術(shù)及信號處理方面研究。

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