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。