人体脉搏研究的背景和意义

1目录第一章绪论.21.1人体脉搏研究的背景和意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.2国内外研究现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.3本课题的主要工作任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5第二章脉搏信号的采集系统.62.1脉搏信号采集分析系统总体设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.2硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72.3软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.3.1虚拟仪器LabVIEW开发环境简介.82.3.1.1虚拟仪器概述.82.3.1.2虚拟仪器硬件结构.92.3.1.3虚拟仪器软件结构.102.3.1.4虚拟仪器的特点.122.3.2脉搏采集系统设计.122.3.2.1基于LabVIEW的采集系统设计概述.122.3.2.2采集系统总体框图.132.3.2.3采集系统前面板设计.152.3.2.4各模块介绍.162.3.3生成可执行应用程序.2122.3.4样本的采集与误差分析.212.3.3.1样本的采集.212.3.3.2误差分析.22第三章基于LabVIEW脉搏时域分析系统.263.1时域分析系统概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．263.2时域分析系统原理.263.2.1脉搏信号简介263.2.2K值计算的原理.273.2.3脉象速率图的原理.283.3时域分析系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．293.3.1时域分析系统总体框图.293.3.2时域分析系统前面板设计.303.3.3各模块介绍.313.4数据分析与结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．373.4.1脉图面积法数据和分析.373.4.2脉象速率法数据和分析.413.4.3脉率测量和心率不齐检测的数据分析.39第四章基于LabVIEW脉搏频域分析系统.434.1频域分析系统概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．434.2频域分析的基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．444.2.1数字信号处理.4434.2.2.1傅里叶变换.444.2.2.2短时傅里叶变换.454.2.2.3小波变换.464.2.2向量法的基本原理.474.3频域分析系统的设计.494.3.1频域分析系统总体框图.494.3.2频域分析前面板设计.504.3.3各模块介绍.504.4数据分析与结果.52第五章改进方法和发展方向.54结论.56谢辞.57第一章绪论1.1人体脉搏研究的背景和意义脉搏是由心脏搏动而引起,经动脉和血流传至远端的桡动脉处,它携带有丰富的人体健康状况信息。早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。4但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医一直是靠手指获取脉搏信息,这难免存在许多主观臆断因素,况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基于这方面来进行的，利用功能强大的虚拟仪器LabVIEW设计出脉搏的采集与分析系统，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。1.2国内外研究现状脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面:一是理论分析与计算(即建模方面)；二是信号检测与分析。从发表的文献来看,国外在前一方面做了大量的研究,也早于国内学者;而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包括以下方面:（1）脉搏信号检测与提取用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从50年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种[1]。（2）脉搏信号处理与特征提取目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。时域分析法：目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系[2]。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。直观形态法。5频域分析法：频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同,脉搏信号的频域特征可分辨性好,因此80年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析[3，4，5，6，7],初步取得了有意义的结果。这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正确的。我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异,利用频域分析的延伸技术——倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递函数,分析了脉搏系统的频率特性[8]。时频联合分析法：是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平面能描述出各个时刻的谱成分。常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变换(WT)。短时傅立叶变换(STFT)方法：是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正弦成分的幅度成线性比例。其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率分辨率在整个时频平面上固定不变。另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特殊的窗才能得到最佳分辨率。小波变换(WT)：是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率,把FT中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信号的有力工具[9]。在目前已知的小波函数中,复值调制的Gaussian函数是使用最高的小波之一。1.3本课题的主要工作任务本课题的主要任务是应用LabVIEW做出人体脉搏信号的采集与分析系统，具体的工作有：（1）熟练使用LabVIEW图形化编程工具。（2）学习数字信号处理中时频变换的基本理论。（3）了解模式识别中语音识别系统的基本概念和分析方法。（4）学习数据压缩中的基本思想。（5）学习误差理论与数据处理的基本理论与方法。6（6）搭建出数据采集系统，使人体脉搏信号可以在计算机上显示。（7）自动调整脉搏时域信号波形基线位置和波形的放大倍数。（8）将时域信号坎头去尾，整周期存贮起来。（9）到医院和学校进行数据的采集。（10）能够将采集的数据调出来并进行各项分析，搭建基于脉图面积法的k值的计算模块和脉搏波下降沿一阶导数为负占整个下降沿的百分比的计算模块，对时域信号进行FFT变换，之后把频谱数据存储起来。（11）调用频谱数据，应用了两种方法将频谱中各次谐波提取出来，以db值，绝对值和向量的形式存储起来。（12）整理各种分析方法所得出的数据，存储到EXCEL中。（13）应用EXCEL里面的各种数学函数对数据进行统计分析并建立图表。（14）比较各种分析方法的优劣并得出结论。