基于Labview的壓力控制脈搏采集系統(tǒng)

曾博才

（四川大學(xué) 四川 成都 610064）

傳統(tǒng)中醫(yī)就像山川一樣引人入勝，而脈診更是其中的奇峰，令人想一觀“廬山真面目”。脈搏波反映了人的生理病理信息，它的參數(shù)提取也是現(xiàn)在研究者最為關(guān)注的事情，這也就意味著越能夠發(fā)現(xiàn)更多的參數(shù)也就有利于攻克這一醫(yī)學(xué)堡壘，參數(shù)重要能夠提取出精確的信息也很重要，能夠在不同的壓力下提取信息是首先應(yīng)該解決的問題[1]。以往控制電路習(xí)慣用單片機(jī)、ARM，現(xiàn)在脈搏提取信號(hào)及壓力控制都在Labview中實(shí)現(xiàn)，外面有些簡單的電路，主要是開關(guān)電路和壓強(qiáng)測(cè)量電路這樣即可以在Labview中對(duì)提取的脈搏信號(hào)進(jìn)行分析處理又可以進(jìn)行對(duì)壓力大小的控制[2]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。作為虛擬儀器中最具代表性的圖像化編程開發(fā)平臺(tái)Labview可以把繁瑣、復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的語言編程簡單化為用菜單和圖表提示的方式選擇功能[1]，然后利用線條把這些功能連接起來的圖像化編程。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了采集到不同壓力下的脈搏波，便于對(duì)以后提取更多有用的信號(hào)。通過:Labview的產(chǎn)生的數(shù)字電壓通過USB-6008的電壓輸出接到氣泵驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓，當(dāng)為高電平時(shí)此時(shí)氣泵工作，開始加壓，于此同時(shí)把壓力測(cè)量電路的信號(hào)通過USB-6008采集到Labview中[3]，當(dāng)壓力達(dá)到浮、中、沉的要求時(shí)Labview產(chǎn)生的數(shù)字電壓輸出低電平，此時(shí)氣泵關(guān)閉，這時(shí)Labview可以采集到不同壓力下的脈搏波信號(hào)，它的具體實(shí)現(xiàn)見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 System configuration

2 硬件電路

2.1 氣泵控制電路

氣泵驅(qū)動(dòng)電路也就是一個(gè)開關(guān)電路，由USB-6008的輸出電壓接入它的輸入端，通過控制電壓的高低電平達(dá)到控制氣泵工作狀態(tài)的要求。該電路要考慮氣泵的功率及工作時(shí)電流所應(yīng)達(dá)到的要求，所以器件的選取很重要。由于采用的氣泵的工作電壓為2～8 V，它的阻值為20 Ω，所以該氣泵的驅(qū)動(dòng)電流為100～400 mA。采用的三極管S8050的耗散功率0.625 W，集電極電流500 mA，放大倍數(shù)為30～60。USB-6008的輸出電壓為5 V。為了滿足氣泵工作的工作要求，三極管基極連入的電阻為800 Ω。氣泵驅(qū)動(dòng)電路見圖2，其中電壓跟隨器的目的是為了防止后面電路對(duì)USB-6008的輸出電壓產(chǎn)生干擾。

圖2 氣泵驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Pump drive circuit

2.2 壓力測(cè)量電路

傳感器芯片選用臺(tái)灣APM（亞太優(yōu)勢(shì)）公司生產(chǎn)的BP300T。BP300T是一款常用于電子血壓計(jì)的傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它的壓力范圍：300 mmHg 5.8PSIG/40 kpa，電壓變化范圍：100±30 mV，最大極限：不得超出額定壓力的3X，額定電流：1.5 mA，最大電流：3.0 mA。由于壓力傳感器出來的信號(hào)為差分信號(hào)，也就是它氣泵往探頭上面充氣與大氣壓的差額，這種差值是和往手臂上所加的壓力大小成正比的，由于它的電壓變化范圍為100±30 mV，這很容易收到干擾，所以本文用AD620對(duì)壓強(qiáng)差信號(hào)進(jìn)行放大，AD620內(nèi)部由3個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，為高度對(duì)稱的差動(dòng)結(jié)構(gòu)，輸入阻抗非常大，共模抑制比CMRR很高，有利于抑制共模干擾。它的電源范圍：VCC=VEE=±2.3～±18 V，AD620的增益計(jì)算公式：

其中RG就是圖3的R1，這個(gè)放大器可以很方便地計(jì)算出它的增益。

圖3 壓力測(cè)量電路Fig.3 Pressure measurement circuit

3 Labview軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 Labview電壓輸出和壓力控制

Labview虛擬化編程圖像化編程開發(fā)平臺(tái)是把一些功能化的模塊用線連接起來的圖像化編程，該軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖見圖4。程序的編寫關(guān)鍵是要運(yùn)用這些功能模塊，進(jìn)行設(shè)定、連接，實(shí)現(xiàn)圖形化編程[4]。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖Fig.4 Software system flow chart

文中采用的NI USB-6008可提供8個(gè)模擬輸入 （AI）通道、2 個(gè)模擬輸出（AO）通道、12 個(gè)數(shù)字輸入/輸出（DIO）通道以及一個(gè)帶全速USB接口的32位計(jì)數(shù)器。它的輸出范圍為0～5 V。labview電壓輸出和壓力控制程序需要用到的主要模塊有NI-DAQmx寫入函數(shù)、NI-DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)、NI-DAQmx清除任務(wù)函數(shù)、NI-DAQmx定時(shí)函數(shù)、NI-DAQmx啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)、NI-DAQmx讀取函數(shù)。

NI-DAQmx寫入函數(shù)（DAQmx Write）將數(shù)據(jù)寫入指定的生成任務(wù)中。這個(gè)函數(shù)允許選擇生成類型（模擬或數(shù)字），虛擬通道數(shù)、采集數(shù)和數(shù)據(jù)類型。

NI-DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) （DAQmx Create Virtual Channel）用于創(chuàng)建一個(gè)虛擬通道并且將它添加成一個(gè)任務(wù)[6]。它也可以用來創(chuàng)建多個(gè)虛擬通道并將它們都添加至一個(gè)任務(wù)。該函數(shù)可指定虛擬通道使用模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和計(jì)數(shù)器操作這4種物理通道。根據(jù)USB-6008的實(shí)際特點(diǎn)，將輸出最小值設(shè)置為0 V，最大值為5 V，將輸入最小值設(shè)置為-10 V，最大值為10 V，輸入終端方式為參考單端RSE。

NI-DAQmx清除任務(wù)函數(shù)（DAQmx Clear Task），用來清除特定的任務(wù)。如果任務(wù)現(xiàn)在正在運(yùn)行，那么這個(gè)函數(shù)首先中止任務(wù)然后釋放掉它所有的資源。一旦一個(gè)任務(wù)被清除，那么它就不能被使用，除非重新創(chuàng)建它。

NI-DAQmx定時(shí)函數(shù)（DAQmx Timing），用來配置定時(shí)以用于硬件定時(shí)的數(shù)據(jù)采集操作。這包括指定操作如采樣模式（連續(xù)或有限）、為有限的操作選擇用于采集或生成的采樣率，以及在需要時(shí)創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)。本文中只需對(duì)采樣模式和采樣率進(jìn)行設(shè)置。

NI-DAQmx啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)（DAQmx Start Task），顯式地將一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)任務(wù)完成特定的采集或生成。

NI-DAQmx讀取函數(shù)（DAQmx Read），用于讀取采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)。該函數(shù)的配置需根據(jù)采集的類型（模擬輸入、數(shù)字輸入或計(jì)數(shù)器輸入）、虛擬通道數(shù)、采樣數(shù)和數(shù)據(jù)類型?？膳渲脼閱吸c(diǎn)采集（主要用于逐點(diǎn)操作）或者多點(diǎn)采集[5]。本文使用多點(diǎn)采集，且將采樣數(shù)指定為-1，這將使其在執(zhí)行的時(shí)候讀取所有現(xiàn)在保存在緩沖中可得的采樣，再使用波形圖表（Waveform Chart）就可以將采集進(jìn)來的信號(hào)連續(xù)實(shí)時(shí)顯示出來，類似示波器。

由于從壓力測(cè)量電路采集后的數(shù)據(jù)和實(shí)際的壓差有一定的誤差，所以必須進(jìn)行校準(zhǔn)。連接傳感器的管子上接一個(gè)三通接口，一邊接傳感器，一邊接壓差測(cè)量表，一邊接氣泵。這樣當(dāng)氣泵往探頭上面的氣囊充氣加壓時(shí)，壓差測(cè)量表和采集到Labview中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找到它們之間的關(guān)系，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際壓差是采集到Labview的數(shù)據(jù)的4.17倍。從而把采集到的數(shù)據(jù)乘以4.17，使其和實(shí)際壓差相對(duì)應(yīng)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)壓強(qiáng)選取數(shù)據(jù)框，當(dāng)開關(guān)開啟是它的數(shù)值就會(huì)變成控制電壓輸出的閾值，當(dāng)小于該值時(shí)輸出高電位（5 V），氣泵工作，當(dāng)達(dá)到該值時(shí)輸出底電位（0 V），這樣你只需在數(shù)據(jù)框中輸入數(shù)據(jù)，就可以采集到該壓差下的脈搏波，實(shí)現(xiàn)壓力可控制測(cè)量。程序的具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 Labview輸出電壓和壓力控制Fig.5 Labview output voltage and pressure control

3.2 Labview壓力控制脈搏波采集實(shí)測(cè)

通過該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在不同壓力下的脈搏波[7]的測(cè)量。圖6～圖9是一個(gè)25歲的男子在不同壓強(qiáng)差下的脈搏波圖像，該換潰瘍病多年，經(jīng)常胃部隱痛，泛酸暖氣，飲食少進(jìn)，體形消瘦，這是病邪在體表的病理現(xiàn)象。當(dāng)壓強(qiáng)差22 kPa時(shí)，就是中醫(yī)中的浮取，壓強(qiáng)差為32 kPa和40 kPa時(shí)為中醫(yī)中的中取，壓強(qiáng)差為50 kPa時(shí)為沉取。這4幅圖反映壓力從大到小采集到的脈搏波信號(hào)，浮取時(shí)脈搏波的幅度較大，中取時(shí)幅度次之，當(dāng)沉取時(shí)幅度較小，這說明脈圖特征為脈位淺表，輕按即得，重按反小的特點(diǎn)。這符合中醫(yī)常見的28類脈搏的浮脈。浮脈是指脈的搏動(dòng)部位淺表的脈象，取脈時(shí)請(qǐng)按即得，重按時(shí)反而不顯的特征。這種采集到脈搏波所反映的狀況和本人的實(shí)際情況比較相近，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓力控制的脈搏波采集。

圖6 壓強(qiáng)差為22 kPa時(shí)采集的脈搏波Fig.6 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 22 kPa

圖7 壓強(qiáng)差為32 kPa時(shí)采集的脈搏波Fig.7 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 32 kPa

圖8 壓強(qiáng)差為40 kPa采集的脈搏波Fig.8 Pressuredifferencebetweenthethepulsewaveacquisitionfor40kPa

圖9 壓強(qiáng)差為50 kPa采集的脈搏波Fig.9 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 50 kPa

4 結(jié)束語

本文在自行開發(fā)的脈象儀硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器[8]技術(shù)，在Labview中配合硬件電路實(shí)現(xiàn)壓力控制脈搏采集系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了它的硬件電路和Labview軟件控制的具體實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)例檢驗(yàn)它的可靠性。通過實(shí)例采集不同壓力下的脈搏波形，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓力的控制，這樣可以讓脈診的指力定量化，這對(duì)脈診的進(jìn)一步研究做出了很大的成就，這樣為以后進(jìn)行脈搏波采集，采集更多的有用信息，便如對(duì)脈搏波進(jìn)行更一步的研究。

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