江天 劉慧

摘 要：目前，市面上有生物醫(yī)學(xué)工程方面的教學(xué)平臺，但是大多屬于驗證型實驗平臺，學(xué)生很難自主進(jìn)行設(shè)計型或創(chuàng)新性實驗。本項目基于NI LABVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)，構(gòu)建具有二次開發(fā)性的多生理參數(shù)信號采集與處理教學(xué)及科研開放平臺。該平臺具有實時采集、顯示、存儲及回放生理信號的功能，可以同時進(jìn)行多通道采集，平臺提供了FFT譜分析功能。存儲數(shù)據(jù)以EXCEL文件格式存儲，方便二次開發(fā)。文章以基于AMDF算法計算心率為例給出了教學(xué)的綜合實驗案例。該教學(xué)平臺有較好的創(chuàng)新性和實用價值，值得深入研究和開發(fā)。

關(guān)鍵詞：生理信號； 虛擬儀器； LABVIEW；開放平臺；信號處理

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）01-0094-04

Abstract： At present， there are many teaching platforms on biomedical engineering. However， most of them belong to confirmatory experiment platforms and students have difficulties in carrying out independent design and innovative experiments. Based on NI LABVIEW virtual instrument development platform， this project built an open teaching and researching platform for acquisition and processing of multiple physiological parameter signals with second development. This platform can collect， display， store and re-play physiological signals in real time. At the same time， it boasts FFT spectrum analysis function and can carry out collection through multiple channels. The data can be stored as EXCEL file， which provide convenience for second development. Based on the calculation of heart rate by using AMDF algorithm， this paper provides a comprehensive experiment case for teaching. This teaching platform is of good innovativeness and practical value， which is worth to be further researched and developed.

Keywords： physiological signals； virtual instrument； LABVIEW； open platform； signal processing

一、概述

生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計或醫(yī)學(xué)診斷都要求我們對人體生理信號如心電、脈搏、呼吸等特性深入了解，這也是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的核心學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。目前，市面上有生物醫(yī)學(xué)工程方面的教學(xué)平臺，但是大多屬于驗證型實驗平臺，學(xué)生很難自主進(jìn)行設(shè)計型或創(chuàng)新性實驗。本項目基于NI LABVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)，構(gòu)建具有二次開發(fā)性的多生理參數(shù)信號采集與處理平臺，為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)及相近專業(yè)的學(xué)生及科研工作者提供便利[1-6]。

二、系統(tǒng)方案

從系統(tǒng)的便利性考慮，本項目采用USB總線數(shù)據(jù)采集卡——即北京中泰研創(chuàng)的USB7660采集卡，并且采用合肥華科電子的多種生理傳感設(shè)計該教學(xué)平臺，采用LABIEW軟件設(shè)計虛擬儀器平臺，組成框圖如圖1所示[7-9]。平臺具有以下幾大功能：

1. 提供脈搏、心電、呼吸等生理信號傳感器。

2. 多通道采集功能，最多可同時采樣16路信號；采樣率可設(shè)置。

3. 實時存儲功能，數(shù)據(jù)文件以EXCEL格式存儲。

4. 波形動態(tài)顯示及回放功能。

5. 信號處理及分析功能，LABVIEW軟件直接提供FFT譜分析功能，或者可以通過MATLAB進(jìn)行原始波形數(shù)據(jù)（excel文件）的信號處理，如心率、脈率計算。

系統(tǒng)代碼開放，具有二次開發(fā)性，提供部分教學(xué)案例及二次開發(fā)設(shè)計思想。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要采取外協(xié)采購，主要包括生理信號傳感器、自制生理信號接口電路、USB數(shù)據(jù)采集卡。

傳感器選型及接口電路：

選擇了四種華科生理信號傳感器及模塊，心電傳感器模塊、紅外脈搏傳感器、心率模塊、呼吸模塊等，其外形圖分別如圖2-圖5所示。圖5中鋁質(zhì)外殼的是心電模塊。其中，紅外脈搏、呼吸傳感器、心電模塊輸出都是連續(xù)模擬信號，而心率模塊輸出的是峰峰值2V矩形波。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)前面所述的基本功能指標(biāo)，軟件設(shè)計主要包括以下幾部分功能設(shè)計：界面規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集及顯示模塊、存儲及回放模塊、信號處理模塊。

（一）界面設(shè)計

考慮到使用的便捷性，系統(tǒng)設(shè)計界面的設(shè)計思想是緊湊、實用、人性化。界面主要分兩個界面：初始化界面、功能模塊界面。初始化界面如圖6，功能模塊界面如圖7所示，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、存儲、回放、數(shù)據(jù)處理模塊相關(guān)功能模塊。

（二）數(shù)據(jù)采集及顯示模塊

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)中最核心的模塊，本系統(tǒng)支持單通道數(shù)據(jù)采集及多通道數(shù)據(jù)采集方式，而且可改變采樣率及采樣點數(shù)，因此該部分主要包含以下功能設(shè)計：參數(shù)設(shè)置、啟動采集等。

其中參數(shù)設(shè)置模塊主要包括采樣通道、采樣率及每通道數(shù)據(jù)采樣點數(shù)等，如圖8所示。受板卡自身性能限制，即最低采樣率為1KHz，因此，針對生理信號的特點，我們首選1KHz采樣率。實際采集效果圖如圖9的脈搏波形圖。

（三）存儲及回放模塊

考慮到本教學(xué)平臺的特色部分：可以為學(xué)生或科研工作者進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理、提供二次開發(fā)可能性，必須設(shè)計一個能夠方便調(diào)用的通用數(shù)據(jù)格式，并且具有回放存儲數(shù)據(jù)的功能，基于此系統(tǒng)設(shè)計了可將原始數(shù)據(jù)存儲為EXCEL文件，并且可以回放數(shù)據(jù)。

為了方便用戶對數(shù)據(jù)查找，存儲時默認(rèn)的文件名是按照“年月日時分秒”格式命名的，也可以由用戶自行輸入修改，如圖10所示。圖11為存儲的EXCEL文件利用插入折線圖直接導(dǎo)出的多通道生理信號數(shù)據(jù)圖，同時測試了某兩位同學(xué)的心率、心電、脈搏及呼吸波形，可從圖中看出心電模塊的干擾略微偏大。

（四）信號處理模塊

信號處理是生理信號檢測必不可少的部分，本次設(shè)計考慮到本科學(xué)生的教學(xué)體系及LABVIEW軟件的基礎(chǔ)問題，本文選擇FFT譜分析作為最典型的信號處理模塊。圖11中A曲線為心率波形圖，圖12為對應(yīng)的FFT后的譜分布，由于心率波形類似于方波，所以譜分布十分豐富。圖13為脈搏波形（圖9）對應(yīng)的譜分布圖，該圖可以看出高幅度含量的譜線集中在非常低的頻率，符合脈搏信號的特點[10]。

五、綜合實驗案例設(shè)計

該平臺是個開放式教學(xué)平臺，應(yīng)用對象不僅僅是局限于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，包括電子信息類的學(xué)生，可以進(jìn)行多種綜合實驗。如：

（1）通過該平臺進(jìn)行生理信號放大器、濾波電路的特性測試，即可通過實時測試輸入及輸出信號，存儲數(shù)據(jù)、并通過譜分析，分析放大器或濾波電路的幅頻特性。

（2）基于平臺已有的硬件測試生理信號并存儲數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、譜分析、或者脈率、心率計算分析。

就以第2條為例，以該平臺采集的心電信號采集及處理為例，要求學(xué)生基于該平臺采集的心電信號原始數(shù)據(jù)，對該信號進(jìn)行心率計算。下面我們給出利用MATLAB工具以AMDF方法分析心電信號的實驗過程。

（一）AMDF算法介紹[11，12]

短時平均幅度差函數(shù)（AMDF）常用在語音信號處理中的濁音周期計算，短時幅度差函數(shù)能夠代替自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行語音分析，是基于這樣一個事實：即語音的濁音具有準(zhǔn)周期性，如果信號是完全的周期信號，則相距為周期的倍數(shù)的樣點上的幅值是相同的，差值為零，即

d（n）=x（n）-x（n-k）=0 k=0，±Np，±2Np，... （1）

對實際的語音信號，d（n）雖不為零，但值仍很小，這些極小值將出現(xiàn)在整數(shù)倍周期的位置上。為此可定義短時平均幅度差函數(shù)為：

式中R是信號x（n）的平均值。顯然，如果x（n）在窗口取值范圍內(nèi)具有周期性，則Fn（k）在K=0，±Np，±2Np…處將出現(xiàn)極小值。

（二）基于AMDF算法的心電信號分析

心電信號同濁音信號類似，是準(zhǔn)周期信號，所以可以將心電信號進(jìn)行AMDF函數(shù)處理，然后判斷出極值點，通過極值點以及采樣率換算計算出脈率或心率。

圖14-圖15為某同學(xué)靜態(tài)測試的3分鐘心電波形圖（整體和局部展開圖），圖16-圖17為另外一位同學(xué)同學(xué)運(yùn)動狀態(tài)（每秒不少于3次的跑步）測試的3分鐘心電波形圖（整體和局部展開圖）?？煽闯觯珹MDF算法具有較好的抗干擾性，可以較好的適應(yīng)靜態(tài)和動態(tài)兩種情況。

六、結(jié)束語

項目利用LABVIEW軟件平臺，采用合肥華科的生理信號傳感器和北京中泰研創(chuàng)的USB數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合自制接口電路自主設(shè)計了開放式多生理參數(shù)信號采集與處理虛擬儀器教學(xué)平臺，該平臺具有實時采集、顯示、存儲及回放生理信號的功能，而且還提供了FFT譜分析功能，以基于AMDF算法計算脈率為例給出了可為二次開發(fā)或教學(xué)的綜合實驗案例。該平臺預(yù)期可以廣泛用于生物醫(yī)學(xué)工程信號及電子信息類學(xué)生、生理信號傳感器制造商及相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者使用，市場前景十分寬闊，值得進(jìn)一步深入研究和開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]李羽翠.基于LABVIEW的MIT-BIH心電信號讀取方法[J]. 工業(yè)控制計算機(jī)，2014（11）.

[2]陸宏偉，王春芳，花有園，等.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（1）.

[3]韓君.基于虛擬儀器的生理信號檢測實驗系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2013（6）.

[4]于璐，索永寬，沙憲政.基于虛擬儀器的生理信號采集分析系統(tǒng)[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2011（3）.

[5]宋愛晶，林峰，鄧林紅.一種基于虛擬儀器的生理信號測量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012（1）.

[6]秦鑫.基于虛擬儀器的血壓測量儀設(shè)計[D].南京理工大學(xué)，2012.

[7]Jeffrey Travis &Jim Kring. LABVIEW大學(xué)實用教程（第三版）[M].喬瑞萍，等譯.電子工業(yè)出版社.

[8]http：//www.ni.com/zh-cn.html[EB/OL].

[9]http：//huake-chuanganqi.gongboshi.com/[EB/OL].

[10]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].清華大學(xué)出版社.

[11]張文耀，許剛，王裕國.循環(huán)AMDF及其語音基音周期估計算法[J].電子學(xué)報，2003（6）.

[12]成新民，曾毓敏，趙力.一種改進(jìn)的AMDF求取語音基音的方法[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2005（11）.