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摘 要： 論介紹了創(chuàng )新的圖形化醫療電子設計平臺——NI ELVIS，并分析了其優(yōu)勢。該設計平臺可幫助設計人員完成醫電信號的采集、前置調理電路的設計、高級信號處理算法的開(kāi)發(fā)與分析、軟硬件集成測試以及原型化系統實(shí)現等全部生物醫電系統開(kāi)發(fā)。 “在醫療電子領(lǐng)域，‘中國越來(lái)越世界化，世界越來(lái)越中國化’的趨勢十分明顯，中國的醫療電子廠(chǎng)商要把握好當前的機遇，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國際醫療電子技術(shù)大會(huì )（CMET2010）上，來(lái)自醫療電子分析機構、整機、IC及元器件、工業(yè)設計、制造工業(yè)等多方面的專(zhuān)家齊聚一堂，共同為中國醫療電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻言進(jìn)策。 醫療電子系統開(kāi)發(fā)所面臨的困難 如何將創(chuàng )新的思想轉化為研究成果或專(zhuān)利？如何快速地設計出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品？如何在有限的時(shí)間內完成產(chǎn)品的測試，縮短上市時(shí)間，這些問(wèn)題都成為醫療電子行業(yè)工程師所面臨的巨大挑戰。而且，挑戰不僅僅來(lái)自市場(chǎng)的需求，更主要的是，醫療電子系統的開(kāi)發(fā)涉及眾多學(xué)科與研究領(lǐng)域，例如測試測量、電子電路、計算編程、信號處理、光學(xué)或圖像處理、機械電子等，其獨特的跨領(lǐng)域特性意味著(zhù)工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需跨越多個(gè)開(kāi)發(fā)平臺，從而完成項目設計中的不同階段，并且在各部分完成獨立開(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。復雜的醫學(xué)電子系統開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅對工程師提出了要求，更對集成的設計平臺提出了挑戰。由于各個(gè)開(kāi)發(fā)階段需要不同的設計平臺，硬件與軟件開(kāi)發(fā)的集成也成為醫電系統設計的瓶頸，所以醫電系統的設計平臺需要兼顧這兩部分的結合，并保證有足夠的靈活性、兼容性以及強大的算法開(kāi)發(fā)能力。 除此之外，由于目前醫電系統的復雜性日益增加，臨床應用中對精度或魯棒性的要求也不斷提高。因此，在前期的系統設計階段就需要引入一定的真實(shí)醫電信號作為測試輸入；同時(shí)，為了滿(mǎn)足24 h的重癥監護等特殊應用需求，設計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，設計平臺也需要能夠滿(mǎn)足但不能局限于信號的仿真，更需要引入真實(shí)的醫電信號完成實(shí)時(shí)信號的采集、分析與處理。 圖形化醫療電子設計平臺 做為圖形化系統設計的領(lǐng)導者，自1986年誕生以來(lái)，NI以及LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺始終致力于簡(jiǎn)化編程的復雜性，在所有涉及到數據采集、控制與設計的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化編程方式已經(jīng)成為標準的開(kāi)發(fā)工具。對于醫療電子設備的開(kāi)發(fā)團隊而言，借助NI硬件平臺不僅可以連接各類(lèi)醫電傳感器，快速實(shí)現醫電信號的測量，還可以實(shí)現自定義的前端電路開(kāi)發(fā)，包括板級電路或者是可編程的硬件邏輯電路。另外，結合開(kāi)放的LabVIEW編程平臺，后端的信號處理算法的開(kāi)發(fā)也可以通過(guò)圖形化的開(kāi)發(fā)方式實(shí)現，并通過(guò)NI軟硬件的無(wú)縫結合，將算法快速部署至硬件平臺。 對于前端醫電系統的設計而言，自定義的板級電路設計往往是主要部分，通常用于一些采集后的前端調理等。這些調理電路的設計，可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)的電子電路設計與仿真平臺——NI ELVIS實(shí)現。例如醫電信號采集系統，可以借助其五位半隔離數字萬(wàn)用表功能來(lái)實(shí)現。又或者是前置放大、濾波、隔離等較復雜的前端調理電路系統，也可以在ELVIS開(kāi)放的電路板上借助NI Multisim電路設計軟件完成， Multisim除了具備板級電路設計、硬件電路仿真功能外，還可以方便地與ELVIS相集成，直接控制ELVIS上的各種儀器功能，使得硬件電路的搭建、設計、仿真過(guò)程效率更高。 目前，除自定義的板級電路設計以外，基于FPGA的可編程邏輯電路在醫電系統設計中的應用也越來(lái)越廣泛。FPGA具備硬件電路的高速處理性能以及軟件系統的可編程靈活性，特別適用于需要實(shí)時(shí)采集并分析的重癥監護等情況。為了方便工程師進(jìn)行FPGA系統的開(kāi)發(fā)，NI提出了創(chuàng )新的LabVIEW FPGA技術(shù)與CompactRIO硬件平臺，無(wú)需VHDL的經(jīng)驗，生物醫學(xué)工程師可使用圖形化編程方式，直接參與到編程工作中，快速實(shí)現醫電系統從設計、仿真到原型等完整過(guò)程。 目前以硬件描述語(yǔ)言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測試，是現代 IC 設計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現一些基本的邏輯門(mén)電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數學(xué)方程式。在大多數的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（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。系統設計師可以根據需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠(chǎng)后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。 除了多樣化的硬件平臺之外，開(kāi)放且靈活的LabVIEW軟件平臺是圖形化醫療電子設計平臺的另一大優(yōu)勢。LabVIEW提供了高效的編程方式，不僅將硬件I/O引入算法設計，直接調用圖形化硬件平臺上采集的數據，而且內置了強大的信號處理開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現高效的算法開(kāi)發(fā)，還通過(guò)代碼重用，調用成熟算法，簡(jiǎn)化構建系統的復雜性，使得設計階段的實(shí)時(shí)采集與分析成為可能。 實(shí)時(shí)采集并使用真實(shí)醫電信號完成 醫療電子系統的設計 醫電信號（心電信號、血壓信號、腦電信號等）代表了一定的病理特征，需要從中提取出病理特征參數以便于診斷。例如對于心臟病相關(guān)的診斷，就需要從預處理后的心電數據中提取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、傳導速度、心臟內各種組織狀態(tài)和各種異常情況的信息，為心臟疾病的診斷提供依據。 與其他工業(yè)應用中激勵信號不同，生物醫電信號很難由PC仿真出來(lái)，必須通過(guò)實(shí)際采集來(lái)獲得。因此，對于醫電工程師而言，真實(shí)數據源的獲取對于系統的設計尤為關(guān)鍵，甚至會(huì )影響到系統最終的設計效果。這對于醫電設計平臺十分重要。一般來(lái)說(shuō)，對于實(shí)際醫學(xué)信號的獲取有2種途徑：共享數據庫與實(shí)際采集。 與世界權威醫電數據庫的兼容 為了方便全世界的醫學(xué)工作者了解并分析典型的醫電信號，麻省理工大學(xué)（MIT）與美國國家衛生總署（NIH）都提供了權威的生物醫電數據庫，其中存儲了大量不同特征的醫電信號。例如MIT數據庫中提供了相當完整的多通道心電數據，包括動(dòng)脈血壓（ABP）、中心靜脈壓（CVP）、心電圖（ECG）、呼吸（respiration）等臨床采集到的信號，這其中不僅包含了正常的信號，還提供了各類(lèi)病癥患者的信號，幫助科研工作者根據信號設計相關(guān)的分析算法，實(shí)現相應功能，并用于原型系統的測試。 但是，由于數據庫的內容所采用的格式并非通用的文件格式，對于醫電工程師來(lái)說(shuō)，就需要做另外的文件轉換工作，這就為不熟悉數據格式及文件轉換的醫電工程師增加了額外的負擔。所以，實(shí)現快速醫電系統設計開(kāi)發(fā)的前提條件之一，就是開(kāi)發(fā)平臺必須能夠兼容這些權威的數據庫文件。 NI提供的生物醫電工具包提供了文件轉換的功能，不僅可以讀取MIT的數據文件，同時(shí)也可以在不同的文件格式之間進(jìn)行轉換，例如TDMS、LVM、ABF數據庫以及MAT文件等。 臨床生物醫電信號的實(shí)時(shí)采集 雖然權威數據庫提供了大量的醫電信號，但依然不能取代實(shí)際臨床數據采集。一方面，系統最終需要投入實(shí)際臨床應用，因此，信號的實(shí)時(shí)測量是系統設計中的必要功能；另一方面，對于一些具備創(chuàng )新性和特定病理分析的系統而言，往往需要一些特殊的臨床信號。例如有特殊病患特征的心電信號，像心率不齊、心率變異、早搏等，由于病癥的復雜性與多樣性，當數據庫無(wú)法提供的時(shí)候，需要通過(guò)臨床采集來(lái)獲得。 除此之外，采集實(shí)際醫電信號還有另外的重要意義。真實(shí)測量中，信號往往伴有各種測量噪聲或電磁干擾等，所以，噪聲消除、信號提取等問(wèn)題必須在設計階段就予以考慮。由于干擾噪聲與實(shí)際環(huán)境有關(guān)，公共數據庫無(wú)法提供，所以必須通過(guò)實(shí)測來(lái)獲取。 以NI ELVIS平臺為例，可以通過(guò)連接到各種第三方的醫電傳感器來(lái)獲取真實(shí)的醫電信號。例如Vernier公司的一系列生物醫電傳感器，可測量包括的血壓、心電、心率、呼吸等醫電信息。在ELVIS平臺上，還可以實(shí)現自定義的放大、濾波、隔離等電路系統，甚至可以設計加入DSP或FPGA等芯片完成更復雜的電路設計，通過(guò)采集實(shí)際的醫電信號，有針對性地實(shí)現系統的設計與測試。 創(chuàng )新的算法設計之路 對于創(chuàng )新的生物醫電系統而言，外圍電路的設計只是系統硬件設計中的一部分，由于生物醫電行業(yè)的發(fā)展，很多算法已經(jīng)成熟化、公開(kāi)化。所以在某些情況下，可以重用這些已有算法進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。盡管如此，當算法間的開(kāi)發(fā)平臺或者編程語(yǔ)言互不兼容時(shí)，仍然需要重寫(xiě)算法并調試，反而給開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定的麻煩。另外，在一些大型或長(cháng)期項目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也往往會(huì )遇到平臺的兼容性問(wèn)題。例如需要兼容先期所積累的開(kāi)發(fā)成果，或者不同開(kāi)發(fā)小組、項目間代碼的互享等。算法開(kāi)發(fā)平臺的轉換，也往往成為算法開(kāi)發(fā)的瓶頸。為了應對挑戰，開(kāi)發(fā)平臺必須具備足夠的開(kāi)放性，以兼容不同語(yǔ)言平臺上的算法，完成代碼共享。 除兼容性外，快速自定義算法的開(kāi)發(fā)與硬件調用也是自定義算法開(kāi)發(fā)中不可或缺的部分。對于生物醫電工程師而言，編程方面的技能往往不如專(zhuān)業(yè)的計算機工程師。在這種情況下，如果要完成復雜系統及算法的開(kāi)發(fā)，則需要花大量的時(shí)間學(xué)習龐大而精湛的編程技能。同時(shí)，為了與醫學(xué)傳感器、數據采集系統等硬件調用相結合，更需通曉系統中斷、API調用、操作系統編程等更底層的編程技能，以及上萬(wàn)行代碼的積累，而對于大多數生物醫電開(kāi)發(fā)工程師來(lái)說(shuō)，滿(mǎn)足這些要求的可能性微乎其微。所以，這就要求生物醫電的算法開(kāi)發(fā)平臺能夠提供高效的編程工具，幫助工程師實(shí)現硬件的調用和程序開(kāi)發(fā)。 基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的生物醫電工具包（Biomedical Startup Kit）很好地解決了算法開(kāi)發(fā)的高效性、算法的兼容性、平臺的開(kāi)放性以及軟硬件的集成性等問(wèn)題。 與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW[2] 也是通用的編程系統，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據 LabVIEW標志顯示及數據存儲，等等。LabVIEW[2] 也有傳統的程序調試工具，如設置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等等，便于程序的調試。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng )建應用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統文本編程語(yǔ)言根據語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執行順序，而 LabVIEW [2]則采用數據流編程方式，程序框圖中節點(diǎn)之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW [2]的程序模塊。LabVIEW 提供很多外觀(guān)與傳統儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng )建用戶(hù)界面。用戶(hù)界面在 LabVIEW 中被稱(chēng)為前面板。使用圖標和連線(xiàn)，可以通過(guò)編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱(chēng)G代碼。LabVIEW [2]的圖形化源代碼在某種程度上類(lèi)似于流程圖，因此又被稱(chēng)作程序框圖代碼。 為了更好地幫助工程師開(kāi)發(fā)生物醫電解決方案，NI的生物醫電工具包內建了豐富的信號采集、分析算法與圖形顯示等方法，開(kāi)發(fā)工程師可以直接調用，甚至完成一些現成的生物醫電科研項目，例如生物醫學(xué)記錄、在線(xiàn)生物信號減噪、ECG特征提取、心率變異分析以及無(wú)創(chuàng )血壓測量分析等。更主要的是，借助LabVIEW開(kāi)放平臺更便于在現成項目或算法的基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)并融入自定義的算法。目前， NI的生物醫電工具包可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )免費下載獲取，進(jìn)一步方便了醫電工程師在開(kāi)發(fā)中使用。 交互式算法開(kāi)發(fā)與驗證 以心電信號消噪為例，心電圖（ECG）是一種記錄心臟產(chǎn)生的生物電流的技術(shù)。臨床醫生可以利用心電圖對患者的心臟狀況進(jìn)行評估，并做出進(jìn)一步診斷。心臟電活動(dòng)按力學(xué)原理可歸結為一系列的瞬間心電綜合向量。在每一心動(dòng)周期中，作空間環(huán)形運動(dòng)的軌跡構成立體心電向量環(huán)。應用陰極射線(xiàn)示波器在屏幕上具體看到的額面、橫面和側面心電圖向量環(huán)，則是立體向量環(huán)在相應平面上的投影。心電圖上所記錄的電位變化是一系列瞬間心電綜合向量在不同導聯(lián)軸上的反映，也就是平面向量環(huán)在有關(guān)導聯(lián)軸上的再投影。投影所得電位的大小決定于瞬間心電綜合向量本身的大小及其與導聯(lián)軸的夾角關(guān)系。投影的方向和導聯(lián)軸方向一致時(shí)得正電位，相反時(shí)為負電位。用一定速度移行的記錄紙對這些投影加以連續描記，得到的就是心電圖的波形。心電圖波形在基線(xiàn)（等電位線(xiàn)）上下的升降，同向量環(huán)運行的方向有關(guān)。和導聯(lián)軸方向一致時(shí)，在心電圖上投影得上升支，相反時(shí)得下降支。ECG傳感器可以通過(guò)電極連接人體并感知生物電流，ECG信號可以通過(guò)ELVIS來(lái)完成采集，如圖1所示。ECG消噪是ECG特征提取的預處理。因為心電信號在采集過(guò)程中會(huì )被噪聲以及人為引入的偽影所污染。例如電源線(xiàn)干擾、電極分離或接觸產(chǎn)生的噪聲、病人在移動(dòng)中引入的偽影還有基線(xiàn)漂移等。這些噪聲和偽影也在感興趣頻段內，往往與心電信號本身相互干擾，從而影響到心電信號的分析和特征提取。通常，電源線(xiàn)干擾可以通過(guò)采集硬件、ELVIS或FPGA上所設計的陷波濾波器電路來(lái)完成。但基線(xiàn)漂移和其他寬帶噪聲通過(guò)硬件濾波器很難消除，而軟件處理則成為設計關(guān)鍵。 通過(guò)LabVIEW以及生物醫電工具包，工程師可以選擇小波去趨勢、FIR濾波器等方法消除基線(xiàn)漂移。具體濾波器或者小波基等參數設置將產(chǎn)生不同的消噪結果，開(kāi)放式的平臺不僅可以允許工程師自行調節參數，更可以引入自定義的消噪方法。例如對于其他寬頻干擾，用戶(hù)除了可以使用小波方法之外，還可以嘗試自適應濾波、AR建模等方法。 最后，在消除各類(lèi)噪聲與偽影之后，工程師可以開(kāi)發(fā)特征提取算法。同樣地，在生物醫電開(kāi)發(fā)平臺上，可以通過(guò)整合魯棒的提取算法或者自行開(kāi)發(fā)的算法檢測ECG信號的特性，例如QRS復合、P波形和T波形。圖2所示為經(jīng)過(guò)小波多分辨率分析（MRA）處理完成的心電信號中的QRS群波監測。 NI提供的圖形化生物醫電開(kāi)發(fā)平臺，結合了開(kāi)放的LabVIEW軟件，無(wú)縫集成了眾多NI硬件平臺（如ELVIS、CompactRIO等），不僅可以連接各類(lèi)生物醫電傳感器，采集各類(lèi)實(shí)際的醫電信號，實(shí)現前段調理電路的設計仿真工作，而且可以通過(guò)LabVIEW圖形化編程平臺，調用工具包中現成算法，兼容第三方算法或者開(kāi)發(fā)自定義的算法。工程師或者科研人員可以在該平臺上完成從醫電信號的采集、前置調理電路的設計、高級信號處理算法的開(kāi)發(fā)與分析、軟硬件集成測試以及最終的原型化系統實(shí)現等全部生物醫電系統開(kāi)發(fā)流程，快速地將創(chuàng )新的思想、專(zhuān)利或研究成果轉化成產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品的可靠性和穩定性，從而縮短醫療電子設備的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 來(lái)源：電子發(fā)燒友網(wǎng) |
