應(yīng)用LabVIEW進行人體脈搏分析說明書

PAGE18 PAGE1 目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第一章緒論 21.1人體脈搏研究的背景和意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.3本課題的主要工作任務(wù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5第二章脈搏信號的采集系統(tǒng) 62.1脈搏信號采集分析系統(tǒng)總體設(shè)計方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.2硬件設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72.3軟件設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.3.1虛擬儀器LabVIEW開發(fā)環(huán)境簡介 8虛擬儀器概述 8虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu) 9虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 10虛擬儀器的特點 122.3.2脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計 12基于LabVIEW的采集系統(tǒng)設(shè)計概述 12采集系統(tǒng)總體框圖 13采集系統(tǒng)前面板設(shè)計 15各模塊介紹 162.3.3生成可執(zhí)行應(yīng)用程序 212.3.4樣本的采集與誤差分析 21樣本的采集 21誤差分析 22第三章基于LabVIEW脈搏時域分析系統(tǒng) 263.1時域分析系統(tǒng)概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．263.2時域分析系統(tǒng)原理 263.2.1脈搏信號簡介263.2.2K值計算的原理 273.2.3脈象速率圖的原理 283.3時域分析系統(tǒng)的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．293.3.1時域分析系統(tǒng)總體框圖 293.3.2時域分析系統(tǒng)前面板設(shè)計 303.3.3各模塊介紹 313.4數(shù)據(jù)分析與結(jié)果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．373.4.1脈圖面積法數(shù)據(jù)和分析 373.4.2脈象速率法數(shù)據(jù)和分析 413.4.3脈率測量和心率不齊檢測的數(shù)據(jù)分析 39第四章基于LabVIEW脈搏頻域分析系統(tǒng) 434.1頻域分析系統(tǒng)概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．434.2頻域分析的基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．444.2.1數(shù)字信號處理 44傅里葉變換 44短時傅里葉變換 45小波變換 464.2.2向量法的基本原理 474.3頻域分析系統(tǒng)的設(shè)計 494.3.1頻域分析系統(tǒng)總體框圖 494.3.2頻域分析前面板設(shè)計 504.3.3各模塊介紹 504.4數(shù)據(jù)分析與結(jié)果 52第五章改進方法和發(fā)展方向 54結(jié)論 56謝辭 57應(yīng)用LabVIEW進行人體脈搏分析 -1- PAGE19第一章緒論福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)用LabVIEW進行人體脈搏分析1.1人體脈搏研究的背景和意義脈搏是由心臟搏動而引起,經(jīng)動脈和血流傳至遠端的橈動脈處,它攜帶有豐富的人體健康狀況信息。早在公元前7世紀脈診就成為中醫(yī)的一項獨特診病方法。但自古以來中醫(yī)獨特的診斷方法及治病的療效總是籠罩著一層神秘的面紗。中醫(yī)一直是靠手指獲取脈搏信息,這難免存在許多主觀臆斷因素,況且這種用手指切脈的技巧很難掌握,因此人們迫切期望盡早實現(xiàn)脈診的科學(xué)化和現(xiàn)代化。隨著傳感器技術(shù)及計算機處理技術(shù)的發(fā)展，人們希望能夠?qū)F(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)脈象診斷，以便更科學(xué)、更客觀地揭示脈象的實質(zhì)與特征。另一方面從西醫(yī)的角度看,近年來人們也試圖根據(jù)脈搏波的變異性來評價和診斷人體心血管系統(tǒng)的病變,以便能找到一個有效的心血管疾病早期無創(chuàng)診斷的方法。因此,對脈搏信號進行無失真的檢測、采集和處理是一項重要而很有意義的基礎(chǔ)工作,它是對脈搏信號進一步分析并依此對心臟及動脈血管系統(tǒng)疾病進行預(yù)報和診斷的前提。本論文的研究主要是基于這方面來進行的，利用功能強大的虛擬儀器LabVIEW設(shè)計出脈搏的采集與分析系統(tǒng)，從客觀、物理的角度來詮釋人體脈搏系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 脈搏系統(tǒng)和脈搏信息的研究包括兩大方面:一是理論分析與計算(即建模方面)；二是信號檢測與分析。從發(fā)表的文獻來看,國外在前一方面做了大量的研究,也早于國內(nèi)學(xué)者;而國內(nèi)在后一方面的研究多于國外。對脈搏信號的分析主要包括以下方面:脈搏信號檢測與提取用脈搏記錄儀器描繪脈搏波圖像已有百余年的歷史。1860年法國人研制了杠桿脈搏描記器，成為現(xiàn)代脈象描記的基礎(chǔ)。脈象儀的總體構(gòu)成包括脈象信號檢測，信號預(yù)處理和信號分析三個環(huán)節(jié)。我國醫(yī)務(wù)界約從50年代初就開始了用西方傳來的脈搏描記技術(shù)，使脈象圖形化。近十多年來，已經(jīng)研制出了許多性能各異的脈象儀，各類脈搏描記器最關(guān)鍵和差異較大的部分就是脈象傳感器的研制。從測量原理上講，脈象傳感器可分為機械式、壓電式、光電容式等多種[1]。（2）脈搏信號處理與特征提取目標信號檢測的關(guān)鍵是提取信號的特征。在實際中,目標信號總是淹沒在大量的雜波或干擾中,而且目標信號的幅值或功率較雜波或干擾信號可能還低得多,這就需要進行有效的信號處理。時域分析法：目前國內(nèi)對脈象信號的特征提取方法,多數(shù)采用時域分析法,即在時間方向上分析波動信號的動態(tài)特征,通過對主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、時值、夾角、面積值的參量分析,找出某些特征與脈象變化的內(nèi)在聯(lián)系[2]。時域分析法包括直觀形態(tài)法、多因素識脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法。直觀形態(tài)法。頻域分析法：頻域分析主要是通過離散快速傅里葉變換,將時域的脈搏波曲線變換到頻域,得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線,通過頻譜曲線的特征分析,從中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息,實現(xiàn)脈象分類。與時域分析不同,脈搏信號的頻域特征可分辨性好,因此80年代以來國內(nèi)外一些學(xué)者開始在頻域內(nèi)對脈搏信號進行分析[3，4，5，6，7],初步取得了有意義的結(jié)果。這種從頻域和能量的角度來分析脈搏信號的思想是十分正確的。我們從能量角度研究了幾種不同疾病脈搏信號的特征頻域特征和差異,利用頻域分析的延伸技術(shù)——倒譜與同態(tài)解卷,首次估計出了人體脈搏系統(tǒng)的傳遞函數(shù),分析了脈搏系統(tǒng)的頻率特性[8]。時頻聯(lián)合分析法：是把一維信號或系統(tǒng)表示成一個時間和頻率的二維函數(shù),時頻平面能描述出各個時刻的譜成分。常用的時頻表示方法有短時傅立葉變換和小波變換(WT)。短時傅立葉變換(STFT)方法：是一種廣義情形,是一種線性時頻表示方法,它依賴于被分析信號的線性特性,即信號的頻譜與在數(shù)據(jù)中提供正弦成分的幅度成線性比例。其最主要的優(yōu)點是容易實現(xiàn)、計算簡潔有效,而它主要的缺陷是時間和頻率分辨率在整個時頻平面上固定不變。另外的限制是對一個特殊的信號,需要一個特殊的窗才能得到最佳分辨率。小波變換(WT)：是另外一種重要的線性時頻表示,它在時頻平面上具有可變的時間和頻率分辨率,把FT中的正弦基函數(shù)修改成在整個時頻平面上具有可變時頻分辨率的基函數(shù),使得它在高頻區(qū)域能夠提供高的時間分辨率,而在低頻區(qū)域能夠提供高的頻率分辨率。小波變換這種獨特的能力使其成為分析脈搏這種非平穩(wěn)信號的有力工具[9]。在目前已知的小波函數(shù)中,復(fù)值調(diào)制的Gaussian函數(shù)是使用最高的小波之一。1.3本課題的主要工作任務(wù)本課題的主要任務(wù)是應(yīng)用LabVIEW做出人體脈搏信號的采集與分析系統(tǒng)，具體的工作有：熟練使用LabVIEW圖形化編程工具。學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理中時頻變換的基本理論。了解模式識別中語音識別系統(tǒng)的基本概念和分析方法。學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)壓縮中的基本思想。學(xué)習(xí)誤差理論與數(shù)據(jù)處理的基本理論與方法。搭建出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使人體脈搏信號可以在計算機上顯示。自動調(diào)整脈搏時域信號波形基線位置和波形的放大倍數(shù)。將時域信號坎頭去尾，整周期存貯起來。到醫(yī)院和學(xué)校進行數(shù)據(jù)的采集。能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)調(diào)出來并進行各項分析，搭建基于脈圖面積法的k值的計算模塊和脈搏波下降沿一階導(dǎo)數(shù)為負占整個下降沿的百分比的計算模塊，對時域信號進行FFT變換，之后把頻譜數(shù)據(jù)存儲起來。調(diào)用頻譜數(shù)據(jù)，應(yīng)用了兩種方法將頻譜中各次諧波提取出來，以db值，絕對值和向量的形式存儲起來。整理各種分析方法所得出的數(shù)據(jù)，存儲到EXCEL中。應(yīng)用EXCEL里面的各種數(shù)學(xué)函數(shù)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并建立圖表。比較各種分析方法的優(yōu)劣并得出結(jié)論。第2章脈搏信號的采集系統(tǒng)2.1脈搏信號采集分析系統(tǒng)總體設(shè)計方案開發(fā)脈搏采集虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)著重考慮以下幾個問題:（1）問題提出:脈搏采集虛擬儀器需要完成的主要功能是讀進傳感器中的數(shù)據(jù)，并且顯示和存儲起來。要以什么方式來實現(xiàn)這些功能，硬件和軟件之間的數(shù)據(jù)如何傳送；當系統(tǒng)做好后，要考慮數(shù)據(jù)去哪里采集，采集多少樣本，采集的過程中的誤差怎么避免，傳感器的位置對測量結(jié)果的影響有多大。在接下來的章節(jié)中要逐一解決以上問題。對采集來的數(shù)據(jù)進行分析時，主要有時域和頻域兩種分析方法，前者的研究工作做過不少，因為時域上的波形給人的感覺比較直觀。目前國內(nèi)對脈象信號的特征提取方法,多數(shù)采用時域分析法,即在時間方向上分析波動信號的動態(tài)特征,通過對主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、時值、夾角、面積值的參量分析,找出某些特征與脈象變化的內(nèi)在聯(lián)系。時域分析法包括直觀形態(tài)法、多因素識脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法、直觀形態(tài)法。這其中也有一些方法值得嘗試，但是這些方法的效果還是有待考究的，本文也會用這些方法進行分析，并提出一些新的分析方法做出對比，找出正常人與病人脈象之間的差異。雖然時域描述比較簡單，但它不能反映數(shù)據(jù)的頻率結(jié)構(gòu)。為此，人們經(jīng)常對數(shù)據(jù)進行頻譜分析，研究其頻率成分及格頻率成分的強度，將信號變換到頻域中后，許多包含在其中的信息就變得更為明顯。這就是數(shù)據(jù)的頻域描述。頻域變化可以看到時域波形中細微的頻率變化。頻域分析主要是通過離散快速傅里葉變換,將時域的脈搏波曲線變換到頻域,得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線,通過頻譜曲線的特征分析,從中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息,實現(xiàn)脈象分類。與時域分析不同,脈搏信號的頻域特征可分辨性較好。本文也介紹了幾種頻域中提取特征值的方法，并且與之前的學(xué)者所用的方法進行比較。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、時域分析系統(tǒng)和頻域分析系統(tǒng)的連接框圖如圖2-1所示。（2）硬件選擇:需要在各式各樣的傳感器當中選擇一種結(jié)構(gòu)簡單、功能強大的傳感器。由于要去醫(yī)院和學(xué)校采集脈搏數(shù)據(jù)，要求傳感器攜帶方便，并且要與計算機有接口。（3）軟件編程:編程之前需要把所需要實現(xiàn)的功能框架畫出來，編程時根據(jù)需要選擇一定的功能模塊，構(gòu)建框圖程序結(jié)構(gòu)，可編出高效的程序，實現(xiàn)脈搏采集虛擬儀器面板上的各種功能。LabVIEW是圖形化編程語言，它提供的是圖形化功能模塊，精心合理的組織這些功能模塊就能完成所需要的要求。脈搏信號的采集與時域信號存儲系統(tǒng)（第二章介紹）脈搏信號的采集與時域信號存儲系統(tǒng)（第二章介紹）時域信號的讀取與分析模塊（第三章介紹）頻域信號的讀取、分析模塊（第四章介紹）圖2-1系統(tǒng)總體框圖2.2硬件設(shè)計英國人最早設(shè)計了以彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器,并記錄了橈動脈脈搏波。之后,應(yīng)變計式、光電式、壓電晶體式、電阻壓力式等直接“接觸式”的脈搏傳感器陸續(xù)問世,使脈搏檢測技術(shù)在臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。這些傳感器的原理不盡相同,測出的脈搏信號成分亦不完全相同。用測壓式傳感器檢測的脈搏信號通常稱為壓力脈搏波，用容積式傳感器檢測的脈搏信號稱為容積脈搏波。而對橈動脈處的脈搏信號,目前主要是用國內(nèi)生產(chǎn)的各種“接觸式”壓力傳感器檢測,它們測取的是寸口組織的力變化量[10]。除此之外，還有光電式脈搏傳感器，是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號，光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點。但是由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，測量出來的信號容易受到其它光線的影響。通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般也比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾。本次課程設(shè)計選用了合肥華科電子技術(shù)研究所研制的HK-2000C集成化數(shù)字脈搏傳感器。它將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路、程控放大電路、基線調(diào)整電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串行通信電路集成在傳感器內(nèi)。主要應(yīng)用于無創(chuàng)心血管測試，中醫(yī)脈象診斷。靈敏度高；抗干擾性能強；過載能力大；一致性好；性能穩(wěn)定可靠；使用壽命長。在使用過程中，將本模塊插入USB口后計算機提示發(fā)現(xiàn)新硬件，之后按照向?qū)О惭b光盤DRIVE目錄下的驅(qū)動程。驅(qū)動程序安裝后，在計算機上生成一虛擬COM口，編寫應(yīng)用程序時將通訊口設(shè)置為虛擬COM口。由于虛擬COM口號一般為COM3或者COM4。傳感器外觀圖如下所示：圖2-2傳感器外觀圖硬件接口：USB接口。接口協(xié)議：通訊速率：9600bps；數(shù)據(jù)格式：8位數(shù)據(jù)+1位停止位技術(shù)指標：表2-1輸出高電平大于VCC-1.5V輸出低電平小于0.2V靈敏度2000uV/mmHg靈敏度溫度系數(shù)1×10-4/℃精度0.5%重復(fù)性0.5%遲滯0.5%過載100倍電源電壓3～12VDC壓力量程-50～+300mmHg2.3軟件設(shè)計2.3.1虛擬儀器LabVIEW開發(fā)環(huán)境簡介虛擬儀器概述20多年前，美國國家儀器公司NI(NationalInstruments)提出。“軟件即是儀器”的虛擬儀器(VirtualInstruments，又稱VI)概念，引發(fā)T傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。虛擬儀器開發(fā)是當前自動化儀表領(lǐng)域研究的熱點。虛擬儀器主要被用于構(gòu)建計算機測試分析系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。它以軟件取代傳統(tǒng)的電子儀器，充分發(fā)揮了新一代計算機大容量、高速度的潛能，是CAT(ComputerAidedTesting),CAE(ComputerAidedEngineering)中一個重要的信號采集及分析手段。虛擬儀器是以特定的軟件支持取代相應(yīng)功能的電子線路，充分利用計算機的軟硬件資源，用計算機完成傳統(tǒng)儀器硬件的部分乃至全部功能，以具備控制、處理、分析能力的軟件為核心的軟儀器。它是傳統(tǒng)儀器功能與外形的模塊化和軟件化。在虛擬儀器中，傳統(tǒng)電子儀器的絕大多數(shù)功能，甚至全部功能都由軟件來實現(xiàn)。同時，由于虛擬儀器是以軟件為核心的儀器，它不能脫離計算機硬件平臺而獨立實現(xiàn)其功能。就VI所支持的操作系統(tǒng)而言，包括DOS,Win3X及Win9X系列、Macintosh和UNIX。據(jù)此，虛擬儀器可分為基于PC機和工作站兩類。其中絕大部分VI運行在個人計算機上，操作系統(tǒng)為Windows。借助于軟件實現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器相應(yīng)功能的虛擬儀器，是計算機化的儀器。也可以認為，VI是“硬”儀器的虛擬化、軟件化和圖形化計算機表達[11]。虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(簡稱硬件平臺)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。其中通用儀器硬件平臺又由計算機和I/O接口設(shè)備兩部分組成。

計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如PC計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機、工控機等。計算機用于管理虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)和核心。

開發(fā)虛擬儀器的目的是為了更方便快捷地進行測試、分析和控制。虛擬儀器是計算機輔助測試、分析系統(tǒng)的主體組成部分。一個典型的虛擬儀器系統(tǒng)，一般由以下幾個部分組成:計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中硬件接口模塊可包括插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、串/并行口、IEEE488接口卡(GPIB),VXI控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器是由數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。這里，硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。所以當基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件(如用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件)實現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替。在虛擬儀器軟件支持下，信號由傳感器拾取，由數(shù)據(jù)采集卡在軟件的控制下被采樣，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機加以保存或處理。虛擬儀器構(gòu)成如圖1所示。它包括計算機、虛擬儀器應(yīng)用軟件和硬件接口。硬件接口種類包括數(shù)據(jù)采集卡、IEEE488接口卡、串行口、并行口、插卡式儀器以及其它接口卡。在虛擬儀器系統(tǒng)中，PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)最基本的方式，也是最廉價的方式[12]。

圖2-3虛擬儀器構(gòu)成框圖虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個虛擬儀器系統(tǒng)，在基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)VPP系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括儀器I/O接口軟件、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件三部分。

（1）I/O接口軟件I/O接口軟件存在于儀器(即I/O接口設(shè)備)與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器寄存器進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。（2）儀器驅(qū)動程序每個儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。應(yīng)用程序?qū)x器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的，儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過I/O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(VISA)的調(diào)用來實現(xiàn)的。虛擬儀器驅(qū)動程序是連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口軟件的紐帶和橋梁。

（3）應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇因人而異，一般取決于開發(fā)人員的喜好，但最終都必須提供給用戶一個界面友好、滿足用戶功能要求的應(yīng)用程序。目前，可供開發(fā)人員選擇的虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：

①基于傳統(tǒng)的文本語言式的平臺。主要是NI公司的LabWindows/CVI、Microsoft公司的VisualC++、Borland公司的Delphi等。

②基于圖形化編程環(huán)境的平臺。如LabVIEW和HP公司的HPVEE等。其中LabVIEW是由美國國家儀器公司(NO在1986年推出的一種基于圖形編程語言(稱之為G語言)的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運算、數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入輸出控制、信號生成、圖像獲取、處理和傳輸?shù)鹊?。LabVIEW與Pascal、Basic、C、C++等傳統(tǒng)編程語言有著許多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點等。但二者最大的區(qū)別在于:傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程;而LabVIEW使用圖形語言(即各種圖標、圖形符號、連線等)編程，界面非常直觀形象，而且使用的圖形是人們熟悉的開關(guān)、旋鈕、波形圖等，因此是一種直覺式圖形程序語言。LabVIEW的執(zhí)行順序是依方塊圖數(shù)據(jù)的傳遞來決定的，并不像傳統(tǒng)文本式程序語言必須逐行執(zhí)行，因此用戶能設(shè)計出可同時執(zhí)行多個程序的流程圖。LabVIEW程序稱為“虛擬儀器程序”，簡稱VI。VI包括三個部分:程序前面板、程序框圖和圖標/連接器端口。在計算機顯示屏幕上利用LabVIEW提供的功能庫開發(fā)工具產(chǎn)生一個程序前面板，即儀器的虛擬面板。在程序前面板上，輸入量稱為控制器，輸出量稱為指示器。控制器和指示器是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如開關(guān)、旋鈕等。在后臺則利用圖形化編程語言編寫框圖程序，構(gòu)成一個VI，與程序前面板對應(yīng)?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制器和指示器傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序命令，而連線則代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流。LabVIEW是一種結(jié)構(gòu)化開發(fā)平臺。結(jié)構(gòu)化是指LabVIEW的程序完全支持順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)三種標準結(jié)構(gòu)，同時VI也是層次化和模塊化的，可用作其它程序的子程序。VI被其它程序調(diào)用時，稱之為SubVI。用戶可以把一個題目分解為一系列的子任務(wù)，每個子任務(wù)還可以進一步分解成許多更低一級的子任務(wù)，直到把一個復(fù)雜的任務(wù)分解為許多子任務(wù)的組合.首先設(shè)計SubVI完成每個子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的程序。虛擬儀器的特點同傳統(tǒng)測試儀器相比，虛擬儀器除了在智能化程度、處理能力、易用性等方面有更多的優(yōu)點外，它還具有傳統(tǒng)獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢，但它并不否定傳統(tǒng)儀器的作用，它們相互交叉又相互補充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的優(yōu)勢，是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。虛擬儀器作為一種新型的儀器種類，具有以下特點：增強儀器系統(tǒng)功能和靈活性；實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計；開放式體系結(jié)構(gòu)、縮短系統(tǒng)開發(fā)周期；可靈活組成虛擬儀器實驗室；數(shù)據(jù)存儲方便；可集成為多功能的綜合測試系統(tǒng)。表1傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器儀器廠商定義用戶自定義硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵儀器的功能、規(guī)模均已固定系統(tǒng)功能和規(guī)?？赏ㄟ^軟件修改和增減封閉的系統(tǒng)、與其他設(shè)備連接受限基于計算機的開放系統(tǒng)，可方便的同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接多為實驗室擁有個人可以擁有一個實驗室技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開發(fā)和維護費用高節(jié)省開發(fā)和維護費用價格昂貴價格低，可重復(fù)利用2.3.2脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計基于LabVIEW的采集系統(tǒng)設(shè)計概述脈搏的采集主要考慮三個方面的問題，一是基于LabVIEW平臺的軟件系統(tǒng)應(yīng)該怎樣搭建，主要能實現(xiàn)哪些功能；二是系統(tǒng)搭建完成后，數(shù)據(jù)的采集工作，樣本的選擇；三是采集過程中出現(xiàn)的誤差分析問題。首先，采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)的讀入，顯示和整周期時域波形的存儲。數(shù)據(jù)讀取的實現(xiàn)方法是通過I/O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(VISA)的調(diào)用來實現(xiàn)的。VISA是連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口軟件的紐帶和橋梁。通過VISAserial對端口參數(shù)進行配置，通過VISAread對端口數(shù)據(jù)進行讀入。顯示和存儲功能可以應(yīng)用LabVIEW中的許多功能模塊實現(xiàn)。由于在采集系統(tǒng)面板上顯示的頻域圖可以通過加窗結(jié)構(gòu)來使頻譜圖變的整潔，這種方法雖然有效，但是會丟失前后兩端的數(shù)據(jù)，為了防止這種情況出現(xiàn)在我們的時域分析系統(tǒng)中，在存儲的過程中就要把時域信號坎頭去尾，使之變成整周期的數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)讀出來并進行分析時不會出現(xiàn)譜漏的現(xiàn)象。所以采集脈搏的數(shù)據(jù)為時間窗口內(nèi)坎頭去尾之后的信號，大約有十個心動周期的時間長度。這個長度足以得到完整的受測者心臟搏動的脈搏波數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具體的模塊有：串行端口的配置，數(shù)據(jù)的讀取，基線位置的設(shè)定，放大倍數(shù)的自動調(diào)整，數(shù)據(jù)的顯示，F(xiàn)FT時頻域變換后頻譜的顯示，峰值檢測并坎頭去尾，時域信號的存儲。其次，經(jīng)過反復(fù)修改和調(diào)試，采集系統(tǒng)已經(jīng)成形，下一步就是進行數(shù)據(jù)的采集。由于是初步探討性的進行研究，具體什么病癥對應(yīng)什么樣的脈象都是一個未知數(shù)，所以首先要選擇有代表性的疾病人群，要求這種病要與心臟和血管直接相關(guān)，分析起來會比較清楚，之后再進行其它病癥的分析。經(jīng)過比較，我們選擇采集冠心病、高血壓和糖尿病患者的脈搏信號，拿來和健康人群的脈搏相比較，健康人群的數(shù)據(jù)比較容易采集，我們就選擇在本學(xué)校進行。最后，要考慮到在測量過程中所出現(xiàn)的誤差，由于每次測量的位置會有細微的差異，測出來的數(shù)據(jù)也會有不同。所以本文針對這種情況，對同一個人進行了二十次的測量，對這些數(shù)值求出數(shù)學(xué)期望和方差，可以確定了隨機函數(shù)所有現(xiàn)實相對于均值的分散程度。采集系統(tǒng)總體框圖數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)框圖如圖2-4所示：圖2-4信號采集系統(tǒng)流程圖采集系統(tǒng)前面板設(shè)計根據(jù)脈搏采集虛擬儀器功能總體框圖，虛擬儀器面板需要用到如下一些控制鍵:儀器總開關(guān)、通訊參數(shù)設(shè)置(串行口選擇、波特率設(shè)置、停止位設(shè)置、數(shù)據(jù)位設(shè)置、奇偶校驗位設(shè)置、允許接收字符設(shè)置)、峰值檢測閥值的設(shè)定、基線位置大小的設(shè)定、放大倍數(shù)的調(diào)整、時間窗口設(shè)定、數(shù)據(jù)文件讀取、數(shù)據(jù)文件保存。同時，虛擬儀器面板還要有如下一些指示欄:實時顯示讀進來的數(shù)據(jù)串、實時顯示脈搏數(shù)據(jù)波形圖、實時顯示時域數(shù)組中的值、實時顯示FFT變換后的頻譜圖。面板的設(shè)計既要簡潔美觀又需操作方便，為此，將面板上相互關(guān)聯(lián)的功能鍵放置在一起并占特定的區(qū)域，如串行通訊參數(shù)設(shè)置、測量結(jié)果參數(shù)、數(shù)據(jù)文件存儲/控制等，這樣做既是為面板美觀也是為操作方便的需要。脈搏采集虛擬儀器面板如圖2-5所示。圖2-5采集系統(tǒng)前面板圖各模塊介紹（1）數(shù)據(jù)讀入配置模塊數(shù)據(jù)讀入模塊包括VISA串行端口的配置，數(shù)據(jù)的讀取，基線位置的設(shè)定，放大倍數(shù)的設(shè)定。其中串行口的設(shè)置一共有八項，為串行口選擇（根據(jù)不同計算機有所區(qū)別，一般設(shè)置為COM3和COM4）、波特率設(shè)置為9600、停止位設(shè)置為1位、數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位、奇偶校驗位設(shè)置、流量控制設(shè)置、讀數(shù)據(jù)前的延時設(shè)置。放大倍數(shù)的設(shè)置：是根據(jù)串行口通訊協(xié)議而設(shè)定，往串行端口寫入20h(開始符)34h（命令字）xxh(放大級別0h-9h)就是手動設(shè)置放大被數(shù)?；€位置的設(shè)置：往串行端口寫入20h(開始符)35h（命令字）xxh(基線位置0h-3h)就是手動設(shè)置基線位置。啟動采樣：往串行端口寫入20h(開始符)32h（命令字）系統(tǒng)就開始進行采樣。后面板程序框圖如圖2-6所示：圖2-6數(shù)據(jù)讀入模塊后面板（2）數(shù)據(jù)的顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊包括初始化時域數(shù)據(jù)存儲的數(shù)組，時域信號的讀取，時域波形信號的實時顯示，時域信號按照時間窗口的大小顯示，F(xiàn)FT時頻域變換，頻譜的顯示，基線和放大倍數(shù)的自動調(diào)整。下面對每個功能進行介紹。首先要初始化數(shù)組，這個數(shù)組用于存放時域波形的數(shù)據(jù)，數(shù)組的大小由時間窗口和采樣頻率兩個控件共同決定，如果時間窗口設(shè)置的比較大，那么讀進來并且存儲到數(shù)組中的數(shù)據(jù)就比較大，數(shù)組中的數(shù)據(jù)大小即采樣數(shù)據(jù)點的多少，等于時間窗口的大小乘以采樣頻率，當設(shè)置時間窗口和采樣頻率的同時就對存儲數(shù)據(jù)的數(shù)組進行了初始化。一般采集時，設(shè)置時間窗口為11秒，這樣在坎頭去尾之后原理上還可以保留10秒時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)。數(shù)組的初始如圖2-7所示。圖2-7數(shù)組初始化框圖數(shù)據(jù)的讀取與顯示：此模塊的后面板框圖如圖2-8所示。當read開關(guān)置為on，系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)的讀取。用了一個判斷框圖來探測端口中的數(shù)據(jù)，如果端口數(shù)據(jù)的個數(shù)大于零，VISA讀字符串的功能開始運行，讀進來一個比特的數(shù)據(jù)，讀進來數(shù)據(jù)的時候同時把數(shù)據(jù)實時顯示出來，即前面板中右上角的波形顯示，然后把該數(shù)據(jù)放入到已經(jīng)初始化好的數(shù)組中。當讀進第二個字節(jié)的時候，把數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)左移一位，把新讀進來的數(shù)據(jù)放在數(shù)組的最后一位，然后把整個數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)顯示出來，這樣就可以按照時間窗口的大小，把時域波形顯示出來，即前面板中左下角的時域顯示器中的圖形。時頻變換和頻譜圖的顯示：每次讀進來一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)就會把時域信號的波形圖輸入到FFT功率譜變換的VI中，并對時域信號加上漢寧窗，這樣可以使頻譜變得整潔起來。此過程中需要對功率譜變換進行一些參數(shù)設(shè)置，例如使頻譜圖按照DB的方式顯示，平均的方式，使頻譜圖與前面400個點的頻譜圖進行平均等。基線與放大倍數(shù)的自動調(diào)整：為了省去手動設(shè)置基線和放大倍數(shù)麻煩，設(shè)計了這個子程序。這個功能做成了子VI放在主程序當中，這個子VI又包含了基線調(diào)整子VI和放大倍數(shù)調(diào)整子VI（見圖2-9、2-10、2-11）?；€調(diào)整能夠在基線位置太底或太高的時候自動調(diào)整基線的位置，使圖像正好在圖表中部。放大倍數(shù)的自動調(diào)整是指對時域信號進行調(diào)整適當倍數(shù)的放大，使之達到標準高度。但是一般測量準確的話，也就是傳感器探頭位置大概準確的話（一般放置在脈搏跳動位置最強處，也就是手腕的外側(cè)），系統(tǒng)默認的脈搏波基線位置和放大倍數(shù)都是比較合適的。所以在測量時，可以把前面板上的調(diào)整按鈕置為OFF，等脈搏信號過?。}象很沉）或脈象信號很強的時候再打開。圖2-8數(shù)據(jù)顯示模塊程序框圖圖2-9自動調(diào)整后面板圖2-10基線自動調(diào)整后面板圖2-11放大倍數(shù)自動調(diào)整后面板（3）數(shù)據(jù)的存儲模塊數(shù)據(jù)的存儲模塊主要包含兩個部分，一個是谷值的檢測并把時域波形坎頭去尾，從第一個波的波谷記錄到最后一個波的波谷；另一個是數(shù)據(jù)的存儲。在進行傅里葉變換的過程中，系統(tǒng)將時間窗口內(nèi)采集的信號不斷重復(fù)，以生成無限周期性波形。對于非整數(shù)個波形周期采樣會導(dǎo)致時頻變換后的連續(xù)周期之間的突變。這些在生成周期性波形的過程中引起的突變將導(dǎo)致信號頻譜中出現(xiàn)非常高的頻率，而在原始信號中并不存在這些頻率。因此得到的頻譜不是原始信號的真實頻譜。在頻域中，看起來就好像是某個頻率的能量泄漏到了其它所有頻率中，導(dǎo)致了譜漏。前面板所顯示的頻譜圖可以加上漢寧窗等窗體函數(shù)，乘窗后的信號波形在端點處逐漸減小為零。當計算有限長度數(shù)據(jù)的傅里葉變換時，可將乘窗技術(shù)應(yīng)用于采樣波形以最小化所構(gòu)成的周期性波形突，所以頻譜數(shù)據(jù)也會比較整潔。但是時域窗口前后兩端的數(shù)據(jù)會有一定的衰減。我們所存儲的數(shù)據(jù)不希望這種衰減。所以采用了在存儲時域波形之前把時間窗口內(nèi)的波形整周期提取出來，這樣提取出來的數(shù)據(jù)再經(jīng)過FFT變換時就不用加任何窗體函數(shù)，也不會出現(xiàn)譜漏現(xiàn)象。具體的實現(xiàn)辦法是加上一個谷值探測的子程序，通過這個子VI，可以探測出時域窗口所有的谷底值，然后把時域窗口中第一個谷底到最后一個谷底之間的數(shù)據(jù)放到新的數(shù)組中，再把這數(shù)組中的數(shù)據(jù)存儲起來。當需要記錄該數(shù)組值得時候，要把前面板上的records按鈕置為ON。谷值探測子程序前后面板圖如圖2-12、圖2-13、圖2-14所示。存儲數(shù)據(jù)程序圖如圖2-15所示。圖2-12谷值探測子程序前面板圖2-13谷值探測子程序后面板圖2-14谷值探測子程序內(nèi)部框圖圖2-15數(shù)據(jù)存儲程序框圖至此，脈搏的采集系統(tǒng)已經(jīng)完成了，可以實現(xiàn)脈搏信號進行采集、顯示時域和頻域波形、整周期存儲等功能。2.3.3生成可執(zhí)行應(yīng)用程序由于LabVIEW的安裝程序很龐大，安裝程序就有1.6G。安裝到電腦上的應(yīng)用程序有1G左右。安裝的時間要一個小時左右。這為脈搏采集系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用帶來了很大的不便，也為工作人員采集數(shù)據(jù)帶來了不便。基于這個問題，我們應(yīng)用LabVIEW建立了項目（project）,把所需要的軟件驅(qū)動程序集成在一起，例如LabVIEWRun-timeEngine、VISA驅(qū)動和NI-serial驅(qū)動，做成一個安裝文件。并將設(shè)計好的采集與分析系統(tǒng)做成可執(zhí)行應(yīng)用程序。這樣，在沒有安裝LabVIEW的計算機上也可以通過安裝驅(qū)動程序，運行脈搏采集系統(tǒng)。這為工作人員節(jié)省了時間。做成的可執(zhí)行應(yīng)用程序保留系統(tǒng)的前面板，而后面板隱藏起來，用戶看不到。這樣還可以保護開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)。2.3.4樣本的采集與誤差分析樣本的采集（1）脈搏的檢測脈搏通常選用較表淺的動脈，最常采用的部位是靠拇指一側(cè)手腕部的橈動脈，左右手均可，但是一般情況下男生右手脈搏波跳動較為強烈，女生左手脈搏波跳動較為強烈，可以按照這個來進行測試。檢查脈搏前，要讓受測試者休息10至15分鐘，心情放松并保持安靜。受測試者取坐臥的姿勢都可以，但是由于場地的限制，本次均采用坐姿。將手平放于適宜的位置，腕部伸展，一般與心臟齊平的桌子上，并在手腕下方墊上一個棉墊。檢查著將食指，中指和無名指三指并齊放在患者近手腕段的橈動脈上，左右移動，找到脈搏跳動位置最強烈的地方，不能用拇指摸脈，因為拇指本身動脈搏動較強，易與患者脈搏混淆，然后將傳感器探頭置于此位置上，用彈性腕帶包裹住。一般情況下測量時間為脈搏波數(shù)據(jù)填滿整個時間窗口大小，即存儲的數(shù)組全部填滿，時間為12秒左右。測量位置的選擇如圖所示：圖2-16測量位置圖（2）樣本的收集脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計完成后，就可以進行人體脈搏數(shù)據(jù)的采集了。由于是初步探討性的進行研究，具體什么病癥對應(yīng)什么樣的脈象都是一個未知數(shù)，所以首先要選擇有代表性的疾病人群，要求這種病要與心臟和血管直接相關(guān)，分析起來會比較清楚，之后再進行其它病癥的分析。為了找到健康群體與患病者的脈搏差異，健康人和病人的數(shù)據(jù)都要采集。地點選擇在學(xué)校采集健康人群的數(shù)據(jù)，在南京軍區(qū)總醫(yī)院糖尿病科和心血管科采集病人的脈搏。由于數(shù)據(jù)要具有統(tǒng)計規(guī)律，所以數(shù)據(jù)采集應(yīng)該盡量多，但是由于時間的限制，采集檢測對象134例,其中健康人73例,男生38例，女生35例。冠心病?高血壓患者61例?誤差分析（1）誤差分析原理①研究隨機過程理論的實際意義[14]：重復(fù)測量一個不變的物理量，由于被測量、測量儀器或測量條件的隨機因素，造成所測得一系列測量結(jié)果包含隨機誤差（偶然誤差），其中每次測量結(jié)果都是取得一個隨機的、但是唯一的測量值，因而，測量結(jié)果是一個隨機變量。隨著自動化生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展，越來越多地需要測量連續(xù)變化的過程，這時，被測量可能是隨時間而連續(xù)變化，或者是隨空間而連續(xù)變化。因此測量過程和測量結(jié)果也是隨時間而連續(xù)變化的。同樣，由于被測對象、測量儀器和測量條件的隨機誤差，因而被測過程和測量結(jié)果都是一個隨機的但是連續(xù)變化的函數(shù)。它有別于上述隨機變量，我們稱之為隨機函數(shù)。隨機過程理論就是研究隨機性表現(xiàn)為一個過程的隨機現(xiàn)象的學(xué)科，通常它是研究動態(tài)測量過程及其測量結(jié)果的理論根據(jù)。②測量過程的基本概念：在動態(tài)測量中，對某一個不斷變化著的量進行測量，每一個測量結(jié)果是一個確定的隨時間或空間變化的函數(shù)，對于測量的時間間隔內(nèi)的每一瞬時，這函數(shù)都有一個確定的數(shù)值。但由于隨機誤差的存在，使得重復(fù)多次測量，會得到不完全相同的函數(shù)結(jié)果。這種函數(shù)，對于自變量（時間或空間）的每一個給定值，它是一個隨機變量，稱這種函數(shù)為隨機函數(shù)。自變量為時間t的隨機函數(shù)，通常叫隨機過程。自變量為空間坐標L的隨機函數(shù)，通常叫隨機場。隨機場和隨機過程的研究方法是一樣的。因此以下統(tǒng)稱隨機過程或隨機函數(shù)。所有對自變量為時間t的隨機函數(shù)計算公式，同樣適用于自變量為空間坐標l或其他參量的隨機函數(shù)。隨機函數(shù)用表示。每個測量結(jié)果叫做隨機函數(shù)的一個實現(xiàn)，或一個樣本，如。而表示這些隨機函數(shù)樣本的集合（總體）：（2-1）因此，隨機過程或隨機函數(shù)包含如下內(nèi)容：把看作是樣本集合時，意味著一組時間函數(shù)的集合；把看作是一個樣本（或一個現(xiàn)實）時，意味著一個具體的時間函數(shù)，例如=；若時，則意味著一組隨機變量的集合。這就是隨機函數(shù)或隨機過程的含義。實際上，這含義的本質(zhì)是一樣的，只是對隨機過程的描述方式不同。含義1是從總體集合意義上講的。含義2是從一個時間歷程（一個現(xiàn)實）上描述。一個現(xiàn)實是表示一次實驗給定的結(jié)果，這時，隨機函數(shù)表現(xiàn)為一個非隨機的確定性函數(shù)。③隨機過程的特征量：隨機變量通常用它的概率分布函數(shù)、算術(shù)平均值和標準差作為特征向量來表示。同樣，隨機過程也有它的特征量，這些特征量不像隨機變量的特征量那樣表現(xiàn)為一個確定的數(shù)，而是表現(xiàn)為一個函數(shù)。常用四種統(tǒng)計函數(shù)來表示，即：概率密度函數(shù)；均值、方差和方均值；自相關(guān)函數(shù)；譜密度函數(shù)。其中隨機函數(shù)的均值（數(shù)學(xué)期望）是一個時間函數(shù)。對于自變量t的每一個給定值，等于隨機函數(shù)在該t值時的所有數(shù)值的平均值（數(shù)學(xué)期望），即。由此可見，隨機過程的均值是一個非隨機的平均函數(shù)，它確定了隨機函數(shù)的中心趨勢，隨機過程的各個實現(xiàn)（樣本）都是圍繞它變動，而變動的分散程度則可用方差或標準差來評定。隨機函數(shù)的方差也是一個時間函數(shù)，對于自變量t的每一個給定值，等于隨機函數(shù)在該t值時的數(shù)值對均值偏差平方的平均值（數(shù)學(xué)期望），即：（2-2）而隨機函數(shù)的標準差準則為（2-4）由此可見，隨機函數(shù)的方差和標準差也是一個非隨機的時間函數(shù)，它確定了隨機函數(shù)所有現(xiàn)實相對于均值的分散程度。當時刻，隨機函數(shù)的方差和標準差計算類似于第二章隨機誤差的方差和標準差計算方法。均值和方差是表征隨機過程在各個孤立時刻的統(tǒng)計特征的重要特征量，而自相關(guān)函數(shù)可以反映出隨機過程不同時刻之間的關(guān)系。（2）誤差分析由于每次測量時的位置略有差別，所以會產(chǎn)生隨機誤差，為了分析這種誤差的影響，我們選取了同一個人測量的20次的樣本進行分析。取樣本的數(shù)學(xué)期望的過程如圖2-17所示，該圖中的五個波形就是同一個人不同時刻測量的數(shù)據(jù)，可以看得出，它們之間的相似度很高。取出其中的一個波形，把該波形同一個位置的數(shù)據(jù)取平均值，最后組成一個完整的平均的波形。取完數(shù)學(xué)期望后的波形如圖2-18所示。該平均波形就可以較為準確的代表這個人的脈搏信號。通過誤差分析可以得出，我們所采集的數(shù)據(jù)是有統(tǒng)計意義的。隨即誤差是肯定存在的，但是只要在一定范圍內(nèi)就是允許的。圖2-17總體平均過程圖2-18平均脈搏圖第三章基于LabVIEW脈搏時域分析系統(tǒng)3.1時域分析系統(tǒng)概述因為時域上的波形給人的感覺比較直觀。傳統(tǒng)的脈象圖形數(shù)學(xué)分析法也為時域分析法，所以目前國內(nèi)對脈象信號的特征提取方法,多數(shù)采用時域分析法,即在時間方向上分析波動信號的動態(tài)特征。在采集來的數(shù)據(jù)當中，用肉眼觀察時可以發(fā)現(xiàn)心血管疾病和正常人的時域脈搏信號區(qū)別很大。但是用什么樣的客觀化的方法給這種特征描述出來，還是需要摸索的。目前時域分析法包括直觀形態(tài)法、多因素識脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法、直觀形態(tài)法。人們通過對主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、時值、夾角、面積值的參量分析,找出某些特征與脈象變化的內(nèi)在聯(lián)系[13]。這其中也有一些方法值得嘗試，但是這些方法的效果還是有待考究的，本文也嘗試采用了脈圖面積法和脈象速率圖法來進行分析脈搏信號的時域波形，找出正常人與病人脈象之間的差異。基于LabVIEW平臺下的時域分析系統(tǒng)的主要功能是：時域信號數(shù)據(jù)的讀取，時頻變換，主頻和周期的計算，峰值谷值的檢測與k值的計算，時域波形的求導(dǎo)運算，單個波形下降沿的檢測及一階導(dǎo)數(shù)為負占整個下降沿的百分比的計算，即求重搏波所持續(xù)的時間占整個下降沿的百分比。3.2時域分析系統(tǒng)原理3.2.1脈搏信號簡介脈搏、脈象與脈象圖[15]：心臟收縮搏動，將血液射入動脈管道，使動脈管內(nèi)的壓力，容積與血流狀態(tài)均發(fā)生一系列的變化。而且心臟有著節(jié)律與頻率的變化，這些變化在淺表的動脈可被切之，稱為脈搏。醫(yī)生施以不同的指法壓力，用手的觸覺和壓覺得到患者脈搏的頻率、節(jié)律、形狀、深淺與強弱等的變化的綜合形象，稱為脈象。它是診斷疾病、病情的重要指征之一。脈診所得脈象的各種信息，可用儀器放在切脈部位的皮膚上，模擬切脈方法以不同的取法壓力錄畫出的脈象曲線，稱為脈象圖。脈象圖是一個客觀指標，以確定脈型、脈性和量的數(shù)據(jù)，掌握脈象變化的客觀規(guī)律。典型的正常脈象圖由一組波群及各波之間的間隔期組成并代表一個完整的脈搏搏動周期，如圖3-1所示。正常人的脈象圖一般包括A波、U點、P波、T波、V波和D波。其中A波產(chǎn)生的機理還不清楚。U點為始射點，P波為主波，T波為潮波，V波為降中波，D波為重搏波，是降支中突出的一個明顯波。一般認為D波是主動脈瓣在心室舒張早期突然關(guān)閉，血液倒流產(chǎn)生在主動脈瓣上，并彈回血流，使主動脈壓再次有所上升，血管又輕微擴張所形成的主動脈彈性回縮波，因此受血管彈性與主動脈關(guān)閉狀態(tài)的影響較大。圖3-1典型脈象圖3.2.2K值計算的原理特征量K值的提取方法是基于脈博波形圖面積法，從理論上講K值能夠反映人體心血管系統(tǒng)中血管外周阻力、血管壁彈性和血液粘度等生理因素，通過實驗證實由心血管生理和病理上的變化將會引起脈搏波波圖特征和面積的相應(yīng)變化，它可反映在特征量K值的變化上，有一定的規(guī)律，是心血管疾病臨床檢查的一個生理指標。以脈搏波波圖面積變化為基礎(chǔ)的脈搏波波形特征量K值，其定義為（3-1）Pm=Pd+K(Ps-Pd)（3-2）（3-3）為平均動脈壓，它等于一個心動周期中脈膊壓力P(t)的平均值，Ps,Pd分別為收縮壓和舒張壓，如圖3-2所示。圖3-2脈搏波形特征向量K值的提取由此可見，K值的大小僅僅決定于脈搏波的脈圖面積，它和收縮壓(Ps)與舒張壓(Pd)的絕對值無關(guān)，是一個無量綱值。它相當于脈搏波壓力脈動分量的平均值(Pm-Pd)在脈動分量最大值(Ps-Pd)中所占的百分比。不同生理病理狀態(tài)下脈圖波形和面積都會有很大變化，這個變化可用K值來表示。3.2.3脈象速率圖的原理脈搏波壓力及波形特征變化是評價人體心血管系統(tǒng)生理病理狀態(tài)的重要依據(jù)。無論是中醫(yī)切脈或是西醫(yī)心血管疾病檢查，都試圖從脈搏波的壓力與波形變化中提取各種生理病理信息。這是因為，當脈搏波由心臟開始向動脈系統(tǒng)傳播時，不僅要受到心臟本身的影響，同時也會受到流經(jīng)各級動脈及分支中各種生理因素如血管阻力、血管壁彈性和血液薪性等的影響，使動脈波中包含有極豐富的心血管系統(tǒng)生理病理信息。由于不同心血管疾病時其血管阻力、血管壁彈性和血液粘性的不同，因而從外周動脈反射回心臟的反射波強度將會有很大差異。這個反射波與原來的脈搏波相迭加后即表現(xiàn)出脈搏波不同的波形特征[16]。脈象速率圖也稱脈象微分圖。即動脈內(nèi)壓力的變化率,速率圖反映的是脈圖曲線中任意一點的變化率,斜率波與脈波相對應(yīng),正向波為升支斜率,反映脈波上升的變化速度;負向波為降支斜率,反映脈波下降的變化速度。分析斜率圖的改變可更靈敏的反映各種脈象的變化趨向。如脈波為壓力波時,則微分圖為dp/dt圖形,如脈波為動脈管的位移波時則為位移的微分。重搏波是正常人與患者之間差別的重要特征，通過對時域波形的求一階導(dǎo)數(shù)，可以靈敏的反應(yīng)出重搏波的大小和所占比例。具體方法可以通過得出斜率為正的部分和斜率為負的部分各占多少。脈搏波形中如果有重搏波，則在下降沿的過程中會出現(xiàn)頻率為正的部分，重搏波持續(xù)的時間越長，則斜率為正的部分越多。一般越健康的人，血管的彈性也就越好，重搏波所占的比例也就越大，病人大部分的時域脈搏波形比較平滑。求單個波形下降沿的檢測及一階導(dǎo)數(shù)為負占整個下降沿的百分比的計算就是基于這個原理。通過這種方法可以大體找出健康者與病人之間的差異。3.3時域分析系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1時域分析系統(tǒng)總體框圖圖3-3時域分析系統(tǒng)流程圖3.3.2時域分析系統(tǒng)前面板設(shè)計根據(jù)時域分析功能總體框圖，虛擬儀器面板需要用到如下一些控制鍵:儀器總開關(guān)、波峰閥值的設(shè)定、谷值閥值的設(shè)定、采樣頻率、時間窗口大小的設(shè)定、求周期VI的參數(shù)設(shè)定、頻譜數(shù)據(jù)的保存。同時，虛擬儀器面板還要有如下一些指示欄:顯示時域波形、顯示FFT變換后的頻譜圖、顯示時域信號經(jīng)過一階求導(dǎo)后的波形、顯示求單個波形下降沿導(dǎo)數(shù)的波形圖、顯示K值的大小、顯示主頻和脈率、顯示檢測到的峰值和谷值的數(shù)目、顯示平均峰值和平均谷值的大小等等。面板的設(shè)計既要簡潔美觀又需操作方便，為此，將面板上相互關(guān)聯(lián)的功能鍵放置在一起并占特定的區(qū)域，這樣做既是為了面板美觀也是為了操作方便的器要。時域分析虛擬儀器面板如圖3-4、圖3-5所示。圖3-4時域分析系統(tǒng)前面板上半部分圖3-5時域分析系統(tǒng)前面板下半部分3.3.3各模塊介紹（1）數(shù)據(jù)讀入及FFT時頻變換模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已經(jīng)可以把脈搏的時域數(shù)據(jù)存儲起來，并且可以用EXCEL或?qū)懽职宓男问酱蜷_。在時域數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，就要把時域數(shù)據(jù)調(diào)出來并進行分析。數(shù)據(jù)的讀入模塊就是實現(xiàn)這個功能，數(shù)據(jù)讀出來之后再進行FFT時頻變換就可以還原出當時采集脈搏時的時域和頻域信號。在進行時域波形顯示時，時間窗口的大小可以選擇，經(jīng)過坎頭去尾之后的時域波形會比原來設(shè)定的時間窗口中的數(shù)據(jù)少一些。所以可以設(shè)置前面板中的時間窗口大小，把數(shù)組后面多余的零去掉，這樣經(jīng)過FFT變換會更精確。時頻變換部分的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中時頻變換的結(jié)構(gòu)相同。數(shù)據(jù)讀入及時頻變換后面板圖如圖3-6所示。圖3-6數(shù)據(jù)讀入及時頻變換后面板（2）k值的計算模塊：根據(jù)K值的計算公式：（3-1）我們需要求出Pm,Ps,Pd三個數(shù)值。Ps和Pd的值都是比較容易求出的，就是脈搏波的波峰值和波谷值，但是一個脈搏波形會有較大的誤差，所以現(xiàn)在取整個時間窗口中的脈搏波（大約有10個左右），求出所有波的波峰值和波谷值，再進行算術(shù)平均，這樣求出的Pm和Pd會比較準確。根據(jù)計算公式：（3-3）可以知道Pm的含義是脈搏壓力脈動分量的平均值，也就是一個周期波形的面積除以時間，相當于RMS（均方根）的概念。均方根值也稱作有效值，它的計算方法是先平方、再平均、然后開方。在LabVIEW中有專門求取RMS的子程序，也稱為ExpressVI。通過這個子程序可以求出整個時間窗口內(nèi)的RMS。至此，三個數(shù)值都可以求出來了，根據(jù)計算公式可以得出K值。之后就可以對不同人的脈搏進行K值的統(tǒng)計。K值的計算后面板框圖如圖3-7所示。數(shù)據(jù)分析在后面章節(jié)中介紹。圖3-7K值的計算后面板框圖（3）波形速率法模塊：速率圖反映的是脈圖曲線中任意一點的變化率,它能更加靈敏地反映脈圖中各個生理特征點。通過對時域波形的求一階導(dǎo)數(shù)，可以得出斜率為正的部分和斜率為負的部分各占多少。時域波形速率法的后面板框圖如圖3-8所示。圖3-8時域波形速率法的后面板框圖這個模塊的功能首先要對整個時間窗口中的脈搏波進行求導(dǎo)，這樣可以有一個全面直觀的概念。之后要能找出一個脈搏波的下降沿，也就是說要從一個脈搏波的波峰記錄到該脈搏波的波谷。由于之前的模塊已經(jīng)可以求出脈搏波的峰值和谷值，在這個模塊中就可以引用原來做好的功能。在求出單個脈搏波的下降沿之后，就可以對這段波形進行求導(dǎo)運算，應(yīng)用局部變量設(shè)置一個計算器，把斜率為正的點全部計算在內(nèi)，然后除以下降沿內(nèi)的所有點的數(shù)值，就可以得出斜率為正的部分占整個下降沿的百分比，如果重播波持續(xù)的時間比較長，則百分比的數(shù)值就比較高。計數(shù)器的程序框圖如圖3-9所示：圖3-9計數(shù)器的程序框圖（4）脈率測量和心率不齊檢測模塊：①脈率的測量在測量脈搏中，大家關(guān)注的另一個因素就是脈率，也就是一分鐘脈搏跳動的次數(shù)，脈率也是脈搏的基本特征之一。正常人的心臟應(yīng)該能夠有節(jié)奏、有規(guī)律的跳動。每一次跳動與下一次跳動之間有一定的時間間隔，正常成年人每分鐘心跳為60－100次。在此之間的變化，都視為正常。每分鐘超過100次即為心跳頻率過快，又稱心動過速、或心率過快；每分鐘低于60次，即為心跳頻率過慢，又稱心動過緩，或心率過緩。不論是心率過快，還是心率過緩，都是由于心臟跳動的節(jié)律失常所致。所以用LabVIEW做出這個功能還是非常有意義的事情。在時域分析系統(tǒng)中，如果想求出脈率，只需測出主頻的大小，然后乘以60即可。為了使主面板框圖變得整潔，將主頻的測量模塊做成子程序VI放在時域分析系統(tǒng)的主程序當中，子程序的前面板如圖3-10所示，子程序的后面板框圖如圖3-11、圖3-12所示。本模塊具體的實現(xiàn)方法是，通過使用循環(huán)結(jié)構(gòu)，對每個脈搏波形進行周期、脈寬和占空比的測量，然后將時域窗口中所有波形的周期進行平均，這樣求出來的周期就比較準確了，再求個倒數(shù)，就是我們要的主頻了。圖3-10測量主頻子程序的前面板圖3-11測量主頻子程序的程序框圖圖3-12測量主頻子程序內(nèi)部框圖②心律不齊的檢測：心臟每一次跳動之間的間隔時間上下誤差不超過0.12秒，在醫(yī)學(xué)上均視為正常。由于某種原因，心跳的節(jié)奏或節(jié)律出現(xiàn)了不規(guī)則的變化，也就是節(jié)奏出現(xiàn)不一致時，就是醫(yī)生常常為我們診斷的心律不齊。求心律不齊可以通過計算每個脈搏波的周期，求出數(shù)學(xué)期望和標準方差，如果標準方差在0.1之內(nèi)則可視為正常，如果超出這個范圍就可以初步認定為心律不齊。具體的實現(xiàn)辦法是通過求出時域窗口內(nèi)每個脈搏波的周期，把這些數(shù)據(jù)存到一個數(shù)組中，之后用LabVIEW中的求標準差的VI，對這個數(shù)組中的數(shù)求出平均值和標準方差。標準方差可以確定隨機數(shù)組所有現(xiàn)實相對于均值的分散程度。其中標準方差的計算公式為：（3-4）圖3-13計算標準方差的程序框圖（5）頻域數(shù)據(jù)存儲模塊：如同采集系統(tǒng)存儲時域數(shù)據(jù)，時域分析系統(tǒng)也要設(shè)置這么一個功能，將頻譜數(shù)據(jù)存儲起來，用于之后的頻域分析使用。雖然可以將頻域分析系統(tǒng)和時域分析系統(tǒng)做成一個整體的分析系統(tǒng)，但是由于程序框圖太大，并且分析起來不方便，所以還是選擇將頻域數(shù)據(jù)單獨存儲起來。略有區(qū)別的是，頻譜圖由三個分量決定：f0、df、幅度，所以在存儲數(shù)據(jù)的時候要把這三個分量同時存儲起來，后面板框圖如圖3-14所示。在頻域分析系統(tǒng)中再把這三個分量組合起來，就可以形成完整的頻域波形圖。圖3-14頻域數(shù)據(jù)存儲模塊的后面板框圖3.4數(shù)據(jù)分析與結(jié)果3.4.1脈圖面積法數(shù)據(jù)和分析（1）K值的比較在研究K值的問題中，我們比較了不同健康狀況人群實測的典型脈搏波形與對應(yīng)的特征量K值。其中圖3-15所示對應(yīng)年青健康人，臨床表現(xiàn)為血管阻力低和動脈彈性好，K=0.35左右。而圖3-16、圖3-17、圖3-18所示對應(yīng)健康的青年人，臨床表現(xiàn)為血管阻力和動脈彈性適中,K=0.4~0.5左右。圖3-19所示對應(yīng)嚴重高血壓和血管硬化病患者.臨床表現(xiàn)為血管阻力極高和動脈彈性極差,K=0.5左右。圖3-15K=0.365圖3-16K=0.426圖3-17K=0.555圖3-18K=0.469圖3-19K=0.453圖3-20K=0.539（2）K值的分析由計算結(jié)果可知，隨血管外周阻力和血管壁硬化程度等生理因素的變化，人體脈搏波波形特征將出現(xiàn)一系列規(guī)律性的變化，從而K值也出現(xiàn)與其相對應(yīng)的變化。當外周阻力較低，血管壁彈性較好時，波形的特征是主波窄而高，重搏前波不明顯，重搏波峰和波谷很明顯。這時的K值約在0.35左右。隨著外周阻力和血管壁硬化程度增加，波形的動態(tài)變化首先反映在重搏前波由不明顯變?yōu)槊黠@，它相對主波的位置也逐漸升高，并自前向后與主波接近并呈不同程度的融合，甚至超過主波。同時，重搏波峰與波谷相對主波的位置亦逐漸抬高，且混為一體不易區(qū)分，使整個脈搏波波形呈饅頭型。這時的K值也將相應(yīng)地逐漸增加到0.5左右。（3）K值分析方法的不足在健康人群中，經(jīng)常會出現(xiàn)圖3-17、圖3-18兩種脈象，潮波和降中波相對明顯，位置偏上，所以相應(yīng)的RMS值偏高，K值求出來偏高。雖然可以證明該種脈象外周阻力和血管壁硬化程度要比3-15中的有所增加，但是血管的彈性明顯比3-20要好的多。反映出來的K值卻相差不多。在心血管疾病病人中，也經(jīng)常會出現(xiàn)圖3-21、圖3-22兩種脈象，雖然血管的外周阻力和血管壁硬化程度增加，波形的動態(tài)變化反映出重搏前波很不明顯，重搏波基本消失。但是RMS求出來的值卻很低，相對應(yīng)的K值也偏低。由于這些因素的存在，對于健康人群和心血管病人的K值的統(tǒng)計差別并不是很大，該方法還有待于改進。應(yīng)尋找出更加能體現(xiàn)出這種差異的辦法。圖3-21K=0.441圖3-22K=0.3093.4.3脈象速率法數(shù)據(jù)和分析由于重搏波是正常人與患者之間差別的重要特征，如果能提取出這個特征值，就可以初步區(qū)分健康者與患者。對時域波形的求一階導(dǎo)數(shù)，可以靈敏的反應(yīng)出重搏波變化規(guī)律和所占比例。脈搏波形中如果有重搏波，則在下降沿的過程中會出現(xiàn)頻率為正的部分，重搏波持續(xù)的時間越長，則斜率為正的部分越多。一般越健康的人，血管的彈性也就越好，重搏波所占的比例也就越大，病人大部分的時域脈搏波形比較平滑。通過統(tǒng)計健康人群和高血壓、糖尿病、冠心病脈圖導(dǎo)數(shù)下降沿斜率為正的部分占整個下降沿的百分比，可以得出健康人的百分比為10%至25%，而患者的百分比為5%以下。如果百分比越大，則說明重搏波所持續(xù)的時間也就越長，也就是血管壁彈性比較好，血管的阻力低?？梢杂?%作為一個分界點，通過這種方法可以清楚地表征重搏波的特征值。圖3-25、圖3-28、圖3-29三幅圖中重搏波的百分比分別為：21.84%、10.16%、2.14%。前兩張是健康人的脈搏圖，而第三張是糖尿病患者的脈搏圖。可以看出，圖3-29中病人脈搏圖中的重搏波基本上已經(jīng)消失，所以重搏波所占比例僅為2.14%，而正常人或多或少都會存在重搏波。90%以上的測量樣本都是符合這個規(guī)律。所以說這種方法具有統(tǒng)計意義。圖3-26是圖3-25的一階導(dǎo)數(shù)圖，圖3-27為圖3-25下降沿的一階導(dǎo)數(shù)圖。圖3-2521.84%圖3-26時域波形的一階導(dǎo)數(shù)圖圖3-27一個時域波形下降沿的一階導(dǎo)數(shù)圖圖3-2810.16%圖3-292.14%3.4.2脈率測量和心率不齊檢測的數(shù)據(jù)分析檢測心律不齊可以通過計算每個脈搏波的周期，求出數(shù)學(xué)期望和標準方差，如果標準方差在0.1之內(nèi)則可視為正常，如果超出這個范圍就可以初步認定為心律不齊。圖3-23所示為心率不齊的患者，并且伴有心律過緩，標準方差為0.11，脈律為37。而圖3-24所示為健康的青年人，標準方差為0.02，脈率為69。通過這個功能可以明顯地區(qū)分出心率正常和心率不齊患者的差別。為臨床診斷心率提供了有效的簡單易行的方法。圖3-23標準方差為0.11，脈率37圖3-24標準方差為0.02，脈率69第4章基于LabVIEW脈搏頻域分析系統(tǒng)4.1頻域分析系統(tǒng)概述為了研究脈搏波的波形特征與生理因素的關(guān)系，目前國內(nèi)外許多研究者大都是以臨床實測或模型計算脈搏波圖為根據(jù)，然后分別在時域或頻域中對脈搏波圖提取特征信息[17，18，19]。時域中提取信息的特點是通過提取脈搏圖曲線中一些有明確生理意義的點來作為評價脈搏波的特征點，這個方法的優(yōu)點是直觀、臨床醫(yī)生容易接受，但實際應(yīng)用上會遇到一些難以解決的困難。例如，由于此方法是建立在脈搏波曲線某些點的特征上，沒有把曲線所包含的全部信息利用起來。此外，要想進行自相關(guān)估計的計算，直接用時域波形進行分析運算量較大，而且數(shù)值欠穩(wěn)定，故常用傅里葉變換法計算。與時域分析不同,脈搏信號的頻域特征可分辨性好。頻域分析法主要是通過離散快速傅里葉變換，將時域的脈搏波曲線變換到頻域，得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線，通過頻譜曲線的特征分析，從中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息，實現(xiàn)脈象分類。頻域分折包括功率譜分析和倒譜分析。頻譜分析是電子工程上一個非常重要的手段，許多計算機輔助電路分析類軟件都具備這種分析能力，以便電子工程師能清楚的看到某波形的頻譜分布情況。它的優(yōu)點是特征信息以脈搏波所具有的全部頻率分量的集合形式表示，因而保留了脈搏波中的全部信息。而現(xiàn)代數(shù)字譜系統(tǒng)采用快速傅立葉變換（FFT），利用計算機對于1024點序列作譜分析，只需十幾毫秒甚至幾毫秒，實時處理能力很強，而且頻譜分辨能力也很強。在醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[20，21，22]?；谶@些優(yōu)點，我們設(shè)計了頻域分析系統(tǒng)，將脈搏信號進行頻域中的特征信息的提取。從能量角度研究了幾種不同疾病脈搏信號的頻域特征和差異。但是目前用什么樣的方法將頻域信號的特征清楚的呈現(xiàn)出來還不能確定，是一個探索和嘗試的過程。在本文中我們在頻域分析中借鑒了模式識別中語音識別的技術(shù),將諧波分量提取出來,所有諧波分量將確定一個多維的向量,病人和正常人向量之間的相關(guān)度和空間距離都存在著差異。頻域分析系統(tǒng)的主要功能是：頻域信號數(shù)據(jù)的讀取，諧波數(shù)據(jù)的提取，進行向量變換，db數(shù)值到絕對值的變換，向量數(shù)據(jù)的存儲。4.2頻域分析的基本原理4.2.1數(shù)字信號處理傅里葉變換信號一般有兩種基本形式：時域形式和頻域形式。為了分析上的方便，往往需要信號在頻域中的描述。傅立葉變換就是一種描述信號頻域特性的方法，它也是眾多科學(xué)領(lǐng)域里重要的應(yīng)用工具之一。下面就給出傅立葉變換的定義：（4-1）傅里葉變換是一種刻畫函數(shù)空間，求解微分方程，進行數(shù)值運算的有效工具。它可以把許多常見的微分、積分和卷積運算化簡成代數(shù)運算。在平穩(wěn)信號分析和處理中有著突出的貢獻，因為它可以把復(fù)雜的時間信號和空間信號轉(zhuǎn)換到頻率域中，用頻譜特性去分析和表示時域信號的特性。但是，對常見的不平穩(wěn)信號，如語音信號、音樂信號、探地信號、核探測的脈沖信號、以及核醫(yī)學(xué)的圖像信號等，它們的頻域特性是隨時間變化的，人們需要了解某些局部時段上所對應(yīng)的主要頻率特性，也需要了解某些頻率的信息出現(xiàn)在那些時段上，也就是需要了解時-頻部分化要求。對于這種時－頻局部化要求，傅立葉變換是無能為力的?？梢姡簭臅r間（模擬）信號中提取頻譜信息F(ω)，就是取無限的時間量，即使用（－∞，∞）的時間信息來計算單個頻率的頻譜；或者說，頻域過程F(ω)的任一頻率組成部分的值，是由時域過程f(t)在（－∞，∞）上決定的。過程f(t)在任一時刻的狀態(tài)也是由F(ω)在整個頻域（－∞，∞）的量決定。故f(t)和F(ω)間的彼此的整個刻畫，不能反映各自局部區(qū)域上的特征。也就是說，人們雖然從傅立葉變換能清楚地看到一個信息包含的每一個頻率的多少，但很難看出不同信號何時發(fā)射和發(fā)射了多長時間，缺少時間信息使得傅立葉分析變得脆弱而容易失誤。對于一個特別簡單的信號、或信號突然變化和不可預(yù)測的情況，傅立葉分析不可用。短時傅里葉變換短時傅里葉變換式最早和最常用的一種時頻分析方法，是傅立葉變換的自然推廣。為使變換具有時頻局域性，它先將時間信號加窗，然后將時間窗滑動做傅里葉變換，就得到信號的時變譜或短時譜。因此，短時傅里葉變換是用時間窗的一段信號來表示他在某個時刻的特性。顯然，窗越寬，時間分辨率越差，但為提高時間分辨率面縮短窗寬時，又會降低頻率分辨率。在傅立葉積分中，使用空間窗口函數(shù)g(t-τ)與信號f(t)相乘，實現(xiàn)在τ附近的開窗和平移，然后進行傅立葉變換。在線性空間有一個可測的、平方可積的函數(shù)f(t)∈L2(R)，對其進行窗式傅立葉變換：（4-2）為其中的積分核，為在點附近度量了頻率為u的正弦分量的幅度。時窗函數(shù)g(t)：通常選窗口函數(shù)為能量集中在低頻處的實偶函數(shù)；信號在乘以平滑移動的窗函數(shù)g(t-u)后，有效地抑止了的鄰域以外的信號，所以，再對f(t)g(t-u)進行傅立葉變換所得的結(jié)果，反映了t=u時刻附近的局域頻譜信息，也就是給出了按窗口f(t)寬度分解信號的頻譜F(ω)，從而達到了時域局域化的目的。時窗函數(shù)的傅立葉變換G(ω)=g?(ω)為頻窗函數(shù)。圖4-1窗的概念從以上定義知，和g(t)和G(ω)分別起著時窗和頻窗的作用，在時間－頻率坐標系中，時窗和頻窗共同作用的結(jié)果就構(gòu)成了時-頻窗，這樣就從幾何上直觀低描述了時頻局部化。由窗式傅立葉變換對函數(shù)進行的分析，相當于用一個形狀、大小和放大倍數(shù)相同的“放大鏡”在時－頻相平面上移動去觀察某固定長度時間內(nèi)的頻率特性，如上圖所示。這里的問題是：盡管窗式傅立葉變換能解決變換函數(shù)的局域化問題，但是，其窗口的大小和形狀是固定的，即窗口沒有自適應(yīng)性。圖4-2窗口的概念在實際問題中，對于高頻譜的信息，由于波形相對要窄，時間間隔要相對的小以給出比較好的精度，也就是更好地確定峰值和斷點，或者說需要用較窄的時域窗來反映信息的高頻成分；而對于低頻譜的信息，由于波形相對是寬的，時間間隔要相對的寬才能給出完整的信號信息，或者說必須用較寬的時域窗來反映信息的低頻成分。而用Gabor變換，如果你選擇一扇寬的時頻窗，低頻成分可以看得清楚，在高頻部分確定時間時就很糟糕；若你選一扇窄的時頻窗，在高頻可以很好確定時間，但在低頻的頻率就可能裝不進去。這樣，真正合適的做法是“放大鏡”的長寬是可以變化的，在時－頻相平面上分布可如下圖示。正是為了實現(xiàn)這樣的目的，人們引進了小波變換。小波變換小波變換是80年代后期新發(fā)展起來的一種數(shù)學(xué)分析方法,目前已經(jīng)受到數(shù)學(xué)界和工程界的極大重視?，F(xiàn)在，小波分析已經(jīng)被成功地應(yīng)用于信號處理、圖像處理、地震勘測、模式識別、計算機視覺、故障監(jiān)控等眾多學(xué)科和相關(guān)技術(shù)的研究中，而我們對于小波分析的研究也正在一步步地向更深的層次發(fā)展。在本文中，小波分析是主要的理論基礎(chǔ)。小波，即小區(qū)域的波，是一個特殊的長度有限、平均值為0的波形。它有兩個特點：一個“小”，即在時域都具有緊支集或近似緊支集；二是正負交替的“波動性”，也即直流分量為零。所有小波是通過對基本小波進行尺度伸縮和位移得到的?；拘〔ㄊ且痪哂刑厥庑再|(zhì)的實值函數(shù)，它是震蕩衰減的，而且通常衰減得很快，在數(shù)學(xué)上滿足積分為零的條件：。設(shè)函數(shù)且滿足條件：則稱ψ為一個小波基。設(shè)f(t)是平方可積函數(shù)（記作f(t)∈L2(R)），ψ(t)是基本小波。則（4-3）稱為f(t)的小波變換。式中是伸縮尺度因子。式中不但t是連續(xù)變量，而且s>0也是連續(xù)變量，因此稱為連續(xù)的小波變換。我們可以看出小波變換具有如下的特點：①具有多分辨率,也叫多尺度的特點，可以由粗及細地逐步觀察信號。②可以看成用基本頻率特性為Ψ(t)的帶通濾波器在不同尺度s下對信號做濾波。由傅立葉變換的尺度特性可知這組濾波器具有品質(zhì)因數(shù)恒定，即相對帶寬（帶寬與中心頻率之比）恒定的特點。注意，s越大相當于頻率越低。③適當?shù)剡x擇基本小波，使Ψ(t)在時域上為有限支撐，Ψ(t)在頻域上也比較集中，便可以使WT在時、頻兩域都具有表征信號局部特性的能力，因此有利于檢測信號的瞬態(tài)或者奇異點?；谏鲜鎏匦裕砸灿腥藢⑿〔ㄗ儞Q譽為分析信號的數(shù)學(xué)顯微鏡。4.2.2向量法的基本原理向量法的基本思想來自于語音的模式識別，語音是一種聲波，而脈搏信號則是一種次聲波，語音識別技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，所以有一些成熟的特征提取的方法可以借鑒。從語音信號中提取的說話人特征常常時一個多維矢量的時間序列。我們根據(jù)這個思想，想從頻譜數(shù)據(jù)中提取類似的特征向量。在測量過程中發(fā)現(xiàn)，雖然頻譜圖千變?nèi)f化，但是每個人頻譜中都有諧波，只是有的人明顯，有的人不明顯。如果從頻譜圖找出了各個諧波，然后再映射到向量空間中，就可以組成了一個多維矢量，這個過程如圖4-3所示?？梢愿鶕?jù)這個矢量進行接下來的分析。下面首先對模式識別做一個簡介。語音識別系統(tǒng)主要包括兩個部分:特征提取和模式匹配[23]。頻譜空間頻譜空間諧波空間向量空間諧波提取向量變換圖4-3空間變換（1）特征提取說話人的模型不是由語音信號得到的,而是通過從語音信號中提取特征而得到的,是說話人語音特征的模型。測試音只有在經(jīng)過特征提取后才與說話人的模型進行比較和匹配,訓(xùn)練語音也只有進行語音特征提取后才能得到其特征的模型,因此特征提取是說話人識別系統(tǒng)中的重要組成部分。與計算機處理相對應(yīng),可以將人類的聲音特征劃分為以下三個層次:聲道聲學(xué)層次,在分析短時信號的基礎(chǔ)上,抽取對通道、時間等因素不敏感的特征;韻律特征層次,抽取獨立于聲學(xué)、聲道等因素的超音段特征,如方言、韻律、語速等;語言結(jié)構(gòu)層次,通過對語音信號的識別,獲取更加全面和結(jié)構(gòu)化的語義信息。說話人識別系統(tǒng)主要針對較低層次的聲道聲學(xué)特征進行建模,主要有基音周期、共振峰、基于線性預(yù)測的倒譜、基于付氏變換的FFT倒譜、基于語音信號的濾波器組分析的Mel倒譜和語音譜的過渡信息等?？傊?較