基于實(shí)時(shí)采集醫(yī)電信號(hào)的醫(yī)療電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于實(shí)時(shí)采集醫(yī)電信號(hào)的醫(yī)療電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要： 論介紹了創(chuàng)新的圖形化醫(yī)療設(shè)計(jì)平臺(tái)ni elvis，并分析了其優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)平臺(tái)可協(xié)助設(shè)計(jì)人員完成醫(yī)電信號(hào)的采集、前置調(diào)理的設(shè)計(jì)、高級(jí)信號(hào)處理算法的開(kāi)發(fā)與分析、軟硬件集成測(cè)試以及原型化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等所有生物醫(yī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。 “在醫(yī)療電子領(lǐng)域，中國(guó)越來(lái)越世界化，世界越來(lái)越中國(guó)化的趨勢(shì)非常顯然，中國(guó)的醫(yī)療電子廠(chǎng)商要掌握好當(dāng)前的機(jī)遇，在技術(shù)與市場(chǎng)兩個(gè)方面取得突破?！痹谌涨坝蓜?chuàng)意時(shí)代主辦的第三屆中國(guó)國(guó)際醫(yī)療電子技術(shù)大會(huì)（cmet2010）上，來(lái)自醫(yī)療電子分析機(jī)構(gòu)、整機(jī)、ic及元器件、工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)造工業(yè)等多方面的專(zhuān)家齊聚一堂，共同為中國(guó)醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展獻(xiàn)言進(jìn)策

2、。醫(yī)療電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所瀕臨的困難如何將創(chuàng)新的思想轉(zhuǎn)化為討論成績(jī)或?qū)＠?？如何迅速地設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品？如何在有限的時(shí)光內(nèi)完成產(chǎn)品的測(cè)試，縮短上市時(shí)光，這些問(wèn)題都成為醫(yī)療電子行業(yè)工程師所瀕臨的巨大挑戰(zhàn)。而且，挑戰(zhàn)不僅僅來(lái)自市場(chǎng)的需求，更主要的是，醫(yī)療電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及眾多學(xué)科與討論領(lǐng)域，例如測(cè)試測(cè)量、電子電路、計(jì)算編程、信號(hào)處理、光學(xué)或圖像處理、機(jī)械電子等，其獨(dú)特的跨領(lǐng)域特性意味著工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需跨越多個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的不同階段，并且在各部分完成自立開(kāi)發(fā)之后，再做一定的整合與集成。而各個(gè)開(kāi)發(fā)階段有不同的任務(wù)與需求。復(fù)雜的醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅對(duì)工程師提出了要求，更對(duì)集成的設(shè)

3、計(jì)平臺(tái)提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)楦鱾€(gè)開(kāi)發(fā)階段需要不同的設(shè)計(jì)平臺(tái)，硬件與軟件開(kāi)發(fā)的集成也成為醫(yī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸，所以醫(yī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)需要兼顧這兩部分的結(jié)合，并保證有足夠的靈便性、兼容性以及強(qiáng)大的算法開(kāi)發(fā)能力。除此之外，因?yàn)槟壳搬t(yī)電系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增強(qiáng)，臨床應(yīng)用中對(duì)精度或魯棒性的要求也不斷提高。因此，在前期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就需要引入一定的真切醫(yī)電信號(hào)作為測(cè)試輸入；同時(shí)，為了滿(mǎn)足24 h的重癥監(jiān)護(hù)等特別應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)階段還需要考慮到實(shí)時(shí)性等硬件控制的相關(guān)要求。所以，設(shè)計(jì)平臺(tái)也需要能夠滿(mǎn)足但不能局限于信號(hào)的，更需要引入真切的醫(yī)電信號(hào)完成實(shí)時(shí)信號(hào)的采集、分析與處理。由上述可見(jiàn)，醫(yī)療電子的設(shè)計(jì)過(guò)程中所需要考慮的技術(shù)

4、問(wèn)題牽涉廣泛，對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)難度和要求也更高。如何協(xié)助醫(yī)電設(shè)計(jì)工程師迅速上手，更高效地實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，需要一個(gè)能夠滿(mǎn)足各方面需要的集成化商用開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在此應(yīng)用背景下，ni推出圖形化設(shè)計(jì)平臺(tái)協(xié)助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)醫(yī)療電子的設(shè)計(jì)與討論工作。圖形化醫(yī)療電子設(shè)計(jì)平臺(tái)做為圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者，自1986年出生以來(lái)，ni以及圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)始終致力于簡(jiǎn)化編程的復(fù)雜性，在全部涉及到數(shù)據(jù)采集、控制與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域里，labview圖形化編程方式已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于醫(yī)療電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，借助ni硬件平臺(tái)不僅可以銜接各類(lèi)醫(yī)電，迅速實(shí)現(xiàn)醫(yī)電信號(hào)的測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)自定義的前端電路開(kāi)發(fā)，包括板級(jí)電路或

5、者是可編程的硬件規(guī)律電路。另外，結(jié)合開(kāi)放的labview編程平臺(tái)，后端的信號(hào)處理算法的開(kāi)發(fā)也可以通過(guò)圖形化的開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)ni軟硬件的無(wú)縫結(jié)合，將算法迅速部署至硬件平臺(tái)。對(duì)于前端醫(yī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，自定義的板級(jí)電路設(shè)計(jì)往往是主要部分，通常用于一些采集后的前端調(diào)理等。這些調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)的電子電路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)ni elvis實(shí)現(xiàn)。例如醫(yī)電信號(hào)采集系統(tǒng)，可以借助其五位半隔離數(shù)字功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。又或者是前置放大、濾波、隔離等較復(fù)雜的前端調(diào)理電路系統(tǒng)，也可以在elvis開(kāi)放的電路板上借助ni 電路設(shè)計(jì)軟件完成， multisim除了具備板級(jí)電路設(shè)計(jì)、硬件電路仿真功能外，還可以便利地與e

6、lvis相集成，挺直控制elvis上的各種儀器功能，使得硬件電路的搭建、設(shè)計(jì)、仿真過(guò)程效率更高。目前，除自定義的板級(jí)電路設(shè)計(jì)以外，基于的可編程規(guī)律電路在醫(yī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。fpga具備硬件電路的高速處理性能以及軟件系統(tǒng)的可編程靈便性，特殊適用于需要實(shí)時(shí)采集并分析的重癥監(jiān)護(hù)等狀況。為了便利工程師舉行fpga系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，ni提出了創(chuàng)新的labview fpga技術(shù)與compactrio硬件平臺(tái)，無(wú)需的閱歷，生物醫(yī)學(xué)工程師可用法圖形化編程方式，挺直參加到編程工作中，迅速實(shí)現(xiàn)醫(yī)電系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、仿真到原型等完整過(guò)程。目前以硬件描述語(yǔ)言（ 或 vhdl）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)容易的綜合與布

7、局，迅速的燒錄至 fpga 上舉行測(cè)試，是現(xiàn)代 ic 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些基本的規(guī)律門(mén)電路（比如and、or、xor、not）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的fpga里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（flipflop）或者其他越發(fā)完整的記憶塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以按照需要通過(guò)可編輯的銜接把fpga內(nèi)部的規(guī)律塊銜接起來(lái)，就好似一個(gè)電路實(shí)驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠(chǎng)后的成品fpga的規(guī)律塊和銜接可以根據(jù)設(shè)計(jì)者而轉(zhuǎn)變，所以fpga可以完成所需要的規(guī)律功能。除了多樣化的硬件平臺(tái)之外，開(kāi)放且靈便的labview軟件平臺(tái)是圖形化醫(yī)療電子設(shè)計(jì)

8、平臺(tái)的另一大優(yōu)勢(shì)。labview提供了高效的編程方式，不僅將硬件i/o引入算法設(shè)計(jì)，挺直調(diào)用圖形化硬件平臺(tái)上采集的數(shù)據(jù)，而且內(nèi)置了強(qiáng)大的信號(hào)處理開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)高效的算法開(kāi)發(fā)，還通過(guò)代碼重用，調(diào)用成熟算法，簡(jiǎn)化構(gòu)建系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得設(shè)計(jì)階段的實(shí)時(shí)采集與分析成為可能。實(shí)時(shí)采集并用法真切醫(yī)電信號(hào)完成醫(yī)療電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)醫(yī)電信號(hào)（心電信號(hào)、血壓信號(hào)、腦電信號(hào)等）代表了一定的病理特征，需要從中提取出病理特征參數(shù)以便于診斷。例如對(duì)于心臟病相關(guān)的診斷，就需要從預(yù)處理后的心電數(shù)據(jù)中提取qrs波間隔、qrs波幅度、pr間隔、st間隔、胎兒心率等各種特征。這些特征可以提供關(guān)于心率、傳導(dǎo)速度、心臟內(nèi)各種組織狀態(tài)和各種異樣狀況的信息，為心臟疾病的診斷提供依據(jù)。與其他工業(yè)應(yīng)用中激勵(lì)信號(hào)不同，生物醫(yī)電信號(hào)很難由pc仿真出來(lái)，必需通過(guò)實(shí)際采集來(lái)獲得。因此