基于虚拟仪器的心率检测

吴素花 张永寿

基于虚拟仪器的心率检测

吴素花①张永寿②

目的：设计基于虚拟仪器实验室虚拟仪器工程工作台(LabVIEW)的心率检测程序。方法：采集指端血氧信号，使之与脉搏波数据同步，通过Labview自带的子VI处理数据，滤除干扰较强的数据而得到需要的数据。结果：通过LabVIEW技术处理指端血氧信号得到实验对象的脉搏波周期T，计算单位时间内脉搏次数即可得到心率(脉搏=1 min内心脏的跳动次数，正常情况下，脉搏=心率)。结论：对该信号进行处理是一项重要且有意义的工作，不仅可以得出心率，还可以深入分析并依此对心血管系统疾病进行预报和诊断，为临床医生提供具有一定意义的诊断依据。

虚拟仪器；脉搏波；周期

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicin Institute of Science and Engineering, Jinan 250355, China.

脉搏波数据与指端血氧信号同步，处理指端血氧信号时可借鉴处理脉搏波的方法。目前，对于脉搏波的分析主要是比较正常和病理状态下脉搏波波形及传播速度的不同，对提取时域或频域特征参数加以分析研究。主要分析方法包括时域分析法、频域分析法、时频联合分析法、数学建模分析法以及脉搏波传导速度(pulse wave velocity，PWV)分析法等[1-5]。

时域分析法是在时域脉搏波图上分析波动信号的动态特征，通过对主波、重搏前波和重搏波的高度、比值、时值、夹角及面积值等进行参量分析，找出某些特征与人体生理病理变化的内在联系。时域分析法是目前最常用的脉搏波分析方法，包括直观形态法和波图面积法等。频域分析法是通过离散快速傅里叶变换，将时域的脉搏波信号变换到频域，从脉搏波频谱中提取与人体生理病理相应的信息，观察振幅、相位随频率的变化，找出信号在时域中不明显而在频域中较为明显的特征，其方法为功率谱分析和倒谱分析等。PWV是通过测量两个记录部位的距离和脉搏波传导时间求得，目前临床上通常采用记录的部位有颈动脉-股动脉、颈动脉-肱动脉等。近年来，国外对脉搏波的临床应用研究多集中在PWV上，用于预测和判断高血压、糖尿病及晚期肾衰竭等疾患者的心血管状况[6-10]。本研究通过虚拟仪器实验室虚拟仪器工程工作台(laboratory virtual instrumentation engineering workbench，LabVIEW)对指端血氧信号的处理，得到脉搏波的周期，以达到得到心率的目的[11-12]。

1 虚拟仪器LabVIEW程序设计

由于采集脉搏波的数据有一定难度，故程序处理的数据是指端的血氧信号采集的数据，该数据与脉搏波信号同步，可以用来测量心率。将数据中的“Pleth”数据提取出来，作为脉搏波的数据。在显示数据及处理数据过程中用到了虚拟仪器LabVIEW自带的VI程序，读取电子表格的子VI、索引数组的子VI、删除数组元素的子VI、波形图表的子VI、计算周期与频率的子VI及波峰波谷的子VI[13]。

检测波峰波谷VI输出的波峰值是拟合后曲线上极值，通常不是输入信号中采集的数值，所以输出的峰值Amplitudes可能大于输入信号中的最大值，且波峰位置Locations通常不为整数，这种有效插值的方法更接近与原始模拟信号中的峰值。检测波峰波谷是为了

更直观的显示数据的波形和范围。

程序运行的同时需滤除数组中偏离较大的数值，需要设计滤值模块。滤值模块的关键是设计选取阈值的程序，其目的是为了过滤掉偏离较大的数据，得到符合要求的数据，排除干扰条件。运用LabVIEW最大(最小)值函数，得到数据中的最大值后再与比例因子(依体质情况而变，通常0.5～0.8)相乘得到阈值。读取电子表格、计算周期与频率及检测波峰与波谷程序设计流程如图1、图2、图3所示。

图1 读取电子表格的数据(File.vi)

图2 计算周期与频率(RMS.vi)

图3 检测波峰与波谷(Detection.vi)

2 虚拟仪器LabVIEW实验结果

通过本实验研究可得到数据的波形及其周期平均值和周期均方根值等。通常，经过该程序处理后可以得到人体的脉搏，以此作为人体的心率，即可作为人体生理检测的医学参考指标。

心率计算方法：通过该程序直接得到周期T，用单位时间(60 s)除以周期可以直接得到脉搏，即心率。本研究共处理10组病例数据，每组数据中随机采集了3万多个数据点，数据量较大，且数据客观存在，因此该10组病例数据符合统计学规律，具有科学研究价值。

3 讨论

本研究只是较简单地实现对脉搏波的分析与处理，得出初步结论。受客观条件限制，本系统不尽完善，只针对已经采集到的数据，对于数据采集部分未过多的涉及，还可进一步设计及制作完成脉搏波采集功能的硬件部分，以配套目前编写的软件处理部分，实现实时脉搏波采集、分析及计算心率等功能。

本研究对脉搏波的检测结果，可依此初步判断患者的病情。其原因为：①脉搏波的传播过程不仅受到心脏本身的影响，还受到沿途动脉和周围组织器官状况的影响，使脉搏波蕴藏着丰富的人体生理和病理信息；②若仅以此为依据，确诊患者的疾病并不科学，因搜集的病患数据较少；③处理方法较为单一，程序算法有一定的局限性；④疾病的确诊需要依赖于医务人员自身的临床经验和其他医疗诊查手段的辅助，不能够只单纯依赖于某一项检测。

4 结语

本研究是基于虚拟仪器的心率检测，利用一般生理病理情况下脉搏与心率相等的原理，用虚拟仪器LabVIEW技术编写程序，处理分析脉搏波信号得出心率。通过脉搏波的处理数据可初步判定患者有无与心脏、血管及周围组织器官等相关的疾病，为临床医生的诊断提供参考依据[14-15]。

[1]ORourke MF，Pauca A，Jiang XJ.Pulse wave analysis[J].Br J Clin Pharmacol，2001，51(6)：507-522.

[2]苏子美，郭建英，刘瑾.脉搏波的频域特征提取与自动识别技术[J].纳米技术与精密工程，2010，8(1)：70-74.

[3]Lee CT，Wei LY.Spectrum analysis of human pulse[J].IEEE Trans Biomed Eng，1983，30(6)：348-352.

[4]乜国荃，方祖祥.人体脉搏的测量与分析[J].上海生物医学工程，2006，27(2)：74-76.

[5]周丹，蔡坤宝.基于短时傅立叶变换的脉象信号的模式识别方法[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2007，9(3)：49-52.

[6]Meaume S，Benetos A，Henry OF，et al.Aortic pulse wave velocity predicts cardiovascular mortality in subjects 70 years of age[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol，2001，21(12)：2046-2050.

[7]Sing BN.Increased heart rate as a risk factor for cardiovascular Disease[J].Eur Heart[J].2003，5(Supp 1)：G3-G9.

[8]张倩辉，金雅丽，郭艺芳.心率与心血管疾病预后的关系[J].疑难病杂志.2011，10(1)：73-75.

[9]Diaz A，Bourassa mg，Guentin MC，et al.Longterm prognostic value of rsting heart rate in patients with suspected or proven coronary artery disease[J].Eur Heart J，2005，26(10)：967-974.

[10]Cruickshank K，Riste L，Anderson SG，et al.Aortic pulse-wave velocity and its relationship to mortality in diabetes and glucose intolerance[J]. Circulation，2002，106(16)：2085-2090.

[11]路亚峰.虚拟仪器技术研究现状与展望[J].国外电子测量技术，2010，29(11)：35-37.

[12]蔡承贤，王伟.基于人工智能的心率监测算法[J].中国医疗器械杂志，2010，34(1)：1-3.

[13]马银平，宣亮亮，彭如.基于LabVIEW数据采集系统分析与设计[J].电子元器件应用，2009，11(10)：50-52.

[14]孟秀君，柳兢，王琦，等.急性脑卒中与心率变异关系的探讨[J].中国心血管病研究杂志，2004，2(5)：337-339.

[15]Hansen T，Jeppesen J，Rasmussen S，et al.Pulse wave velocity and cardiovascular disease in a general population[J].Am J Hypertens，2005，18(5)：A14.

Research on the virtual instrument-based heart rate detection/

verification shou// China Medical Equipment,2015,12(4):47-48.

Objective: To design a heart rate testing procedure which based on Labview. Methods: Collect the blood oxygen signals of the fingers, which keep in step with the pulse wave. Filter the signals and obtain the pregnant datum by the Labview procedures. Results: Achieve the pulse cycle “T” by Labview processing the blood oxygen signals of the fingers, and gain the heart rate by calculating the pulse in one minute(Pulse is equal to the number of heart beat in one minutes-1/T,the heart rate). Conclusion: It is an important and meaningful work to process the signals. Not only acquire the heart rate, but also prompt and diagnose the diseases of the cardiovascular system. It also can provide some meaningful diagnostic evidence.

Virtual instrument; Pulse wave; Cycle

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.015

1672-8270(2015)04-0047-02

R197.39

A

吴素花,女,(1989- ),本科在读。山东中医药大学理工学院，研究方向：医疗设备质量控制。

2014-10-15

①山东中医药大学理工学院 山东 济南 250355

②济南军区总医院医学工程科 山东 济南 250031