秦鑫 王昌

【摘要】血壓信號(hào)測量是醫(yī)療儀器教學(xué)的一個(gè)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(tái)上，本文運(yùn)用LabVIEW軟件編程結(jié)合壓力傳感器及運(yùn)算放大電路等硬件設(shè)計(jì)了一個(gè)人體血壓信號(hào)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，測量準(zhǔn)確，應(yīng)用于教學(xué)中可使學(xué)生對(duì)血壓等生理信號(hào)認(rèn)識(shí)的更為全面直觀，教學(xué)效果良好。

【關(guān)鍵詞】血壓;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬儀器;LabVIEW

在高等教育中，實(shí)驗(yàn)課程是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生而言，醫(yī)療儀器實(shí)驗(yàn)是其一個(gè)必修實(shí)驗(yàn)課程[2]。這門課程的一部分重要內(nèi)容就是對(duì)人體生理信號(hào)（血壓、心電、呼吸等）的檢測與處理，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生不僅從理論上還要從實(shí)踐中掌握這些信號(hào)的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本偏高等原因，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，提高教學(xué)水平，我們對(duì)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(hào)的測量就是一個(gè)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(dòng)化的應(yīng)用[5]。本設(shè)計(jì)在基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的的血壓測量系統(tǒng)，血壓信號(hào)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(bào)警;還可以根據(jù)要求對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用、波形回放等。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)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(dòng)脈處纏繞水銀血壓計(jì)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(gè)不銹鋼三通和水銀血壓計(jì)的氣閥連接，最后監(jiān)聽柯氏音采用水銀計(jì)聽筒。測量系統(tǒng)將采集到的血壓波信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡送入設(shè)計(jì)的虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行分析處理。

傳感器及前級(jí)放大電路如圖2所示。

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分的任務(wù)是對(duì)人體血壓信號(hào)的采集和調(diào)理。圖2是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器及放大電路。這部分主要工作過程：（1）有一個(gè)恒流源電路由運(yùn)放IC2及其外接電阻電路組成，其運(yùn)放輸出端輸出一個(gè)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(yùn)放IC4構(gòu)成，運(yùn)放IC4的第6端輸出與運(yùn)放IC5的第5端相連接;（3）壓力傳感器SE1接收血壓信號(hào)進(jìn)行壓電變化，轉(zhuǎn)換后電壓信號(hào)輸出接至運(yùn)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(dòng)運(yùn)算放大實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路主要選用由精密、低噪聲的通用型運(yùn)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(jí)放大器，前級(jí)放大器采用價(jià)格低、共模抑制比高、可靠性好的AD620。壓力傳感器選擇臺(tái)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(jià)比高。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖3 血壓測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖

從人體采集的血壓信號(hào)預(yù)處理后通過數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)在LabVIEW環(huán)節(jié)對(duì)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(hào)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(jì)流程如圖3所示。

在整個(gè)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(hào)的質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)選用的是美國LabJack公司研發(fā)性價(jià)比高，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)別血壓參數(shù)，幅度系數(shù)算法實(shí)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(dòng)最大幅值的比系數(shù)關(guān)系確定血壓值。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)面板圖

本文設(shè)計(jì)的血壓測量系統(tǒng)運(yùn)用血壓信號(hào)采集調(diào)理電路和LabJACK數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW平臺(tái)上完成一個(gè)虛擬人體血壓儀，實(shí)現(xiàn)了血壓信號(hào)的采集、波形回放，收縮壓和舒張壓的計(jì)算顯示及報(bào)警等功能。系統(tǒng)前面板圖如圖4所示。

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)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(jì)的測量系統(tǒng)和電子血壓計(jì)進(jìn)行測試。經(jīng)過對(duì)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(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了很好的教學(xué)效果，同學(xué)們一致反映對(duì)血壓測量的原理有了更透徹的認(rèn)識(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、頻譜分析等相關(guān)知識(shí)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(jì)的血壓測量儀，能夠連續(xù)準(zhǔn)確測量血壓信號(hào)，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(jì)測量系統(tǒng)可由血壓信號(hào)逐步擴(kuò)展比如呼吸、心電、脈搏等信號(hào)測量，對(duì)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(hào)帶來極大方便，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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基金項(xiàng)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(hào)處理方面研究。