基于虛擬儀器的血壓計設計

秦鑫 王昌

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

【關鍵詞】血壓;實驗教學;虛擬儀器;LabVIEW

在高等教育中，實驗課程是必不可少的教學環(huán)節(jié)[1]。對生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生而言，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，通過相關實驗使學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]。但是真正在教學中一直有一些弊端存在，比如相關醫(yī)療儀器實驗系統(tǒng)結構復雜，而實驗設備成本偏高等原因，導致實驗教學缺乏靈活性，提不起學生學習興趣，也不利于培養(yǎng)學生探索和創(chuàng)新能力[4-6]。

為了摒除傳統(tǒng)實驗教學的弊端，提高教學水平，我們對醫(yī)療儀器教學開展了一系列教學改革，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]。虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用[5]。本設計在基于LabVIEW平臺開發(fā)的的血壓測量系統(tǒng)，血壓信號經過數(shù)據(jù)采集卡提取，送入軟件系統(tǒng)進行分析處理，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定閾值，進行報警;還可以根據(jù)要求對采集數(shù)據(jù)進行存儲、調用、波形回放等。

1.系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

圖1 系統(tǒng)的結構框圖

本血壓測量系統(tǒng)設計依據(jù)示波法（測振法）原理[7]。圖1是采集系統(tǒng)的結構框圖。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)采集卡送入設計的虛擬儀器LabVIEW軟件平臺對其進行分析處理。

傳感器及前級放大電路如圖2所示。

本系統(tǒng)硬件設計部分的任務是對人體血壓信號的采集和調理。圖2是系統(tǒng)設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）溫度補償電路主要有運放IC4構成，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接收血壓信號進行壓電變化，轉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大小調節(jié)，最后經過差動運算放大實現(xiàn)驅動輸出，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，其結構簡單、性價比高。

2.系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

圖3 血壓測量系統(tǒng)的軟件設計框圖

從人體采集的血壓信號預處理后通過數(shù)據(jù)采集卡送入計算機在LabVIEW環(huán)節(jié)對其進行后置放大、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)和相關血壓波形等生理信息。具體的軟件設計流程如圖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鍵的，其性能直接影響采集信號的質量，本文設計選用的是美國LabJack公司研發(fā)性價比高，在教學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)關系確定血壓值。

3.實驗結果與分析

圖4 系統(tǒng)設計面板圖

本文設計的血壓測量系統(tǒng)運用血壓信號采集調理電路和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。

為了驗證本文設計的測量系統(tǒng)的準確性，在課堂上抽取了幾名同學分別用本文設計的測量系統(tǒng)和電子血壓計進行測試。經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，說明傳感器調理電路和軟件程序需再優(yōu)化。但是針對實驗教學取得了很好的教學效果，同學們一致反映對血壓測量的原理有了更透徹的認識，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、頻譜分析等相關知識均可得到充分地了解[8-10]。

4.結論

本文用LabVIEW軟件和相關硬件設計的血壓測量儀，能夠連續(xù)準確測量血壓信號，而且可以直觀顯示收縮壓、舒張壓、平均壓及脈率和相關血壓的波形。利于LabVIEW強大的通用和擴展功能，設計測量系統(tǒng)可由血壓信號逐步擴展比如呼吸、心電、脈搏等信號測量，對生物醫(yī)學工程專業(yè)醫(yī)療儀器教學改革與發(fā)展具有很大幫助，并且給醫(yī)學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

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

基金項目：河南省教育科學“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，主要從事電子技術及信號處理方面研究。