[01197069]LabVIEW技术在病人体征信号采集处理中的研究与开发

一、任务来源：　　“LabVIEW技术在病人体征信号采集处理中的研究与开发”是唐山市科学技术研究与发展指导项目，课题编号：09130214a。承担单位华北煤炭医学院，经过课题组的共同努力，已经按时完成了预定的研究任务。　　二、应用领域和技术原理：　　本课题不仅在远程医疗上有广阔的应用前景，在其它自动化测试系统中也将会有更为广阔的应用。还可推广至医学院校基础课程的实践教学领域。　　技术原理：在图形化编程开发平台LabVIEW的基础上，研究虚拟仪器技术在医疗装备中的应用。针对医学信号采集系统，开发一种基于LabVIEW的心电、体温实时监测系统，并且保证系统的实时性；输出面板提供了各种心率变异性(HRV)分析时域指标的数字、图形显示，使数据更为直观、读取更为方便。实现监测系统的网络化，通过Datasocket技术实现对监测数据的动态传输，采用IE浏览器通过Internet在任何地点都可实时查看病人的体征状况。　　三、性能指标：　　课题所用实验材料如下表所示：　　序号名称型号数量　　1A/D转换TLC2543 1　　2 单片机 MSP430 2　　3 数据采集卡 NI PCI-6221M 1　　4 FTP服务器 浪潮NP370D 1　　5 SQL Server服务器 浪潮NP370D 1　　6 耳麦 飞利浦 she9850 1　　7 前置放大器 仪用放大器AD620 1　　8 开发平台 NI LabVIEW7.0 1　　9 导联转接装置 自制 5　　10 USB连接线 若干　　各部分的作用如下：　　 前置放大和后级放大：作用是将微弱心电信号进行放大，并将信号调整到A/D转换器的输入范围，以便充分利用转换器的满量程分辨率。　　 滤波器：心电信号微弱，频率低，容易受到外界干扰，所以必须使用滤波器将信号频带外的干扰去除。　　 A/D转换器：完成模拟信号的模数转换，为将信号送入计算机进行处理分析做准备。本系统选用TLC2543，此芯片有11个输入通道，适合多通道数据采集，便于系统的扩展。　　 单片机：它是整个数据采集、传输系统的控制核心，主要完成单片机工作方式的控制、系统初始化、A/D转换和通信等功能，起到了协调硬件和软件工作的作用。　　 无线数据发送、接收单元：本系统选用的TRF6900射频收发芯片能在1000米的范围内传送心电信号。　　心电信号很微弱，一般只有0.05～5mv，频谱范围为0.05～100Hz，并且处于动态变化之中，非常容易受到外界干扰，具有不稳定性和随机性，这就要求心电信号的处理部分具有以下特点：　　1、为了提高系统精度，信号应尽量放大到接近A/D转换芯片的参考电压(伏特级)，而心电信号在正常输入时幅值为1mV，所以此模块的总体放大倍数至少要达1000倍。　　2、为了减少不需要的带外噪声，需用高通和低通滤波器来压缩通频带。通频带内覆盖心电信号的一切频率，通频带的上下范围以3dB的频率表示。　　3、检测心电信号时存在强大的干扰，尤其是50Hz的工频干扰，因此必须设计相应的电路来滤除它。　　用集成器件构成前置级电路设计的主要障碍，是集成运放本身的噪声比分立元件的噪声大，因而限制了前置级的低噪声性能。因此，为了确保第一级高增益放大的低失调电压、低失调电压漂移、低噪声的要求，我们选用AD620进行第一级放大。　　在市场上的单片机种类繁多，考虑到课题设计要求，以及开发效率与成本，本系统采用TI公司的MSP430系列单片机，具有以下优点：　　1、JTAG技术：MSP430单片机内部预设了JTAG模块，它使得每一个单片机芯片都具有完整的在线调试功能，而不必使用复杂的仿真调试工具。　　2、FALSH在线编程技术：现在流行的FLAHS单片机中，很少能够实现在线编程功能，大部分需要外部编程器进行烧写。　　3、BOOTSTARP技术：MSP430系统的FLASH型芯片具有片内的B0T0ROMO，可以实现程序代码的下载和上载。BOOTSTARP具有很高的保密性，口令字达到32个字节的长度。　　便携式心电采集模块与心电处理模块的通讯采用单片射频收发器芯片TRF6900。TRF6900是TexasInstruments公司推出的单片射频收发器芯片，其内部集成了完整的发射电路和接收电路。它的工作频率范围为850～950MHz，供电电压范围为2.2V～3.6V，射频输出功率高达+5dBm。另外，这种收发器还具有FM/FSK调制模式并采用三线制串行接口，因而可很方便地与微控制器相连接，可用于ISM频段内的数据双向无线传输。适用于计算机遥测遥控系统、手持式电池供电的操作系统仪器仪表设备及安全防范系统等方面的应用。　　本系统的软件处理选择了虚拟仪器LabVIEW软件开发系统。LbaVIEW中一个应用程序通常采用递进式结构，该结构可以划分为三个层次。第一层称作“主程序层”，由用户界面和测试执行部分构成；第二层是“测试层”或者“逻辑层”、“中间层”，负责逻辑关系的验证以及相关决策的制定；最底层叫做“驱动层”，负责与仪器、被测试设备以及其它应用程序之间的通信。　　测试层划分成以下几个模块：数据处理模块、数据分析模块、数据存储和回放模块、数据打印模块。　　下面分别详细讨论前第一个模块的实现。　　硬件系统选用的A/D转换芯片是12位的，而msp430单片机的数据总线宽度为16位。LabVIEW提供8位、16位、32位的二进制数，要正确显示和分析信号，就必须将相应的两个数据转化成16位或32位的数据，本系统选用了16位的数据。在串口通信模块中提到，来自串口的数据是字符串类型的，因此转换之前必须先进行字符串数据到数值型数据的转换。为了让用户能够方便真实的看到原始信号的各种特征，我们将采样数据数据通过下式转化成了相应的电压值，电压值经显示图表显示就能较好的恢复成原始信号。电压值=（式1）　　序中循环结束后即完成了转换，但考虑到本系统软件是为多通道采集设计的，而A/D转换芯片TLC2543在进行多通道采集时，是对通道进行依次扫描的，即从第一个通道开始，依次在每个通道上采样一次，之后返回到第一个通道，如此反复循环完成多通道采集。在串口上是按照采样的顺序传送数据的。为了把这些数据变为按每个通道的先后顺序排列，就必须把数据提取出来，所以我们在循环结构后加的一小段程序用来完成数据提取工作。结果用一个二维数组来表示，数组的列表示一个通道的采样点数据，在显示和分析信号时，只要抽取相应列数据即可。　　在信号调理和采集过程中，信号必然受到噪声和干扰的影响，虽然我们在硬件设计时采取了相应措施来抑制它，但我们知道干扰可以消除，但噪声只能抑制。为改善信号质量，为后续准确分析判断做好准备，我们在软件中使用了五点平滑数字滤波。下式为五点平滑滤波公式：（式2）　　下图为信号经过五点平滑滤波的效果比较图。　　测试结果：为检验本设计算法及软件实现的正确性，使用掌握的MIT数据库和模拟器产生的共45个心电数据，对系统进行了测试。这45个数据中，正常心电信号有10个，心动过速的有5个，心动过缓的有5个，二联律的有7个，心室早搏的有3个，停搏、室颤的有3个，漏搏的有两个，三联律的有4个，R落在T上的有6个。测试结果表明本系统对这45个数据的诊断准确率为100﹪。下图为测试过程中的一部分结果显示。但这并不表明本系统的自动诊断算法可以百分之百的诊断这些心律失常，因为首先由于条件限制，我们用于测试的心律失常病例数据不多，其次是不管使用多大的数据库，也不可能包括所有可能的ECG波形，因此系统的完善需要在长期的和大量的临床应用过程中进行。　　（a）心动过缓；　　（b）心动过速。　　四、与国内外同类技术比较：　　从发展的角度来看，医疗监护产品的无线化、网络化是发展趋势，移动型、具备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流。国外此类典型产品为Madab，国内此类产品有成都泰盟公司推出的Biotabo等。但目前国内外已有的此类产品存在通讯距离短、监护路数有限、系统功能单一、体积较大、价格昂贵、灵活性差、难以满足特定的需要等不足。这使得整个数据采集装置不容易携带，给那些行动有障碍的病人带来不便，也给医护人员的工作带来不便。为了更好地满足一些大型、综合性医院和生物医学工程专业的研究所及实验教学、科研的需要，进行心电监护系统的研究和设计工作是十分必要的。　　五、成果的创新性、先进性：　　本课题的创新点：　　1、软件上采用强大的图形化编程语言LabVIEW完成，具有开发周期短，升级快，操作简单，界面灵活优美等特点。　　2、在网络通信方面，利用LabVIEW专门提供的网络通信技术-DS技术和RemotePanel技术，编写远程测控程序，通过网络实时、连续、准确地将异地的心电数据传送到目的地，这种网络传输方式不仅在远程医疗上有广阔的应用前景，在其它自动化测试系统中也将会有更为广阔的应用。　　3、硬件方面设计了心电采集模块，采用右腿驱动电路，抑制对心电信号干扰较大的50HZ工频干扰。同时，采用高精度放大器AD620作为前置放大电路的放大器，采用RC低通滤波器和RC高通滤波器滤除干扰信号，采用OP27作为后级放大电器，并采用双T有源带阻滤波器，实现心电信号的调理。　　六、作用意义：　　医疗卫生行业实施现代远程医疗具有非常广泛的意义：　　1、使广大偏远地区的患者获得平等的医疗，减少因地区差异和医疗资源分配不均带来的差异，使边远地区的患者在必要时不必长途跋涉即能得到专家的诊治。　　2、远程医疗可提供及时诊断和治疗，特别是在发生意外伤害时能缩短诊治时间。因此，在战争中对于及时治疗战士、预防流行病扩散等方面均具有重要作用。　　3、远程医疗通过远程诊断和会诊减少了医生出诊和患者去医院就诊所需的时间和费用，从而减少了医疗费用，特别在一些医生不便或不易到达的特殊场合，如对精神病患者、皮肤病患者、监狱囚犯诊疗，以及对宇航员、极地探险人员、远洋海员和深海航行人员的远程诊疗。　　4、远程医疗对高发病人群，如老年人、残疾人和慢性病患者实行远程家庭监护，因而提高了患者的生活独立和生活质量。　　5、远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心里压力，提高了诊断的准确性，同时也利于疾患的康复。　　6、远程教育具有广泛的服务对象，既可以给医护人员提供继续教育的机会，提高医护人员，特别是边远地区医护人员的医疗水平，也可以对普通患者和健康人群提供一个学习医学知识的机会，提高全民的健康保健水平和预防疾病的能力。　　七、推广应用的范围、条件和前景：　　远程病人体征监护系统可由病人方便的在发生症状时记录心电信号，非常适用于极易发生心律失常、高危险因素的患者及容易出现心源性猝死的患者，如运动员、公司职员、行政管理人员等。远程监护系统的信号记录与传输很简便，故具有很大使用价值。　　该项目在国内开发较少，预计可达到国内先进水平，具有良好的市场前景。尤其是在网络通信方面，利用LabVIEW专门提供的网络通信技术-DS技术和RemotePanel技术，编写远程测控程序，这种网络传输方式不仅在远程医疗上有广阔的应用前景，在其它自动化测试系统中也将会有更为广阔的应用前景。　　八、存在的问题和改进意见：　　本课题是在充分调研现有移动/无线远程医疗的研究进展，并对移动通信企业、医院等单位进行相关调研后提出的这套解决方案。尽管课题组已经初步完成了整套系统方案，但也发现了一些问题。需要进一步优化终端的设计：　　1、对于信号采集部分要加以改进，目前采用8位采样精度，对于实际使用有些勉强。　　2、在监控中心服务器上，完善数据库的设计，添加语音数据结构，对管理软件包括访问管理、日志管理和数据管理进行详细的需求分析和设计。　　3、以心电自动诊断方面还需继续研究，提高算法效率和精度是后续工作的一个方向。在心电波形分类问题上深入对决策理论方法的研究，包括提取出更精简的参数集和在硬件中固化实现的可能性。　　我们的最终目标就是随着远程心电监护系统研究的进展和技术进步将远程监护不仅仅局限在心电数据上，还要设计其它的生命体征信号，甚至图像和视频，这还需要大量的工作要完成。　　推广应用前景与措施：