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摘 要： 論介紹了創(chuàng)新的圖形化醫(yī)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(yī)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發(fā)與分析、軟硬件集成測試以及原型化系統(tǒng)實現(xiàn)等全部生物醫(yī)電系統(tǒng)開發(fā)。 “在醫(yī)療電子領域，‘中國越來越世界化，世界越來越中國化’的趨勢十分明顯，中國的醫(yī)療電子廠商要把握好當前的機遇，在技術與市場兩個方面取得突破。”在日前由創(chuàng)意時代主辦的第三屆中國國際醫(yī)療電子技術大會（CMET2010）上，來自醫(yī)療電子分析機構、整機、IC及元器件、工業(yè)設計、制造工業(yè)等多方面的專家齊聚一堂，共同為中國醫(yī)療電子產業(yè)的發(fā)展獻言進策。 醫(yī)療電子系統(tǒng)開發(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利？如何快速地設計出滿足市場需求的產品？如何在有限的時間內完成產品的測試，縮短上市時間，這些問題都成為醫(yī)療電子行業(yè)工程師所面臨的巨大挑戰(zhàn)。而且，挑戰(zhàn)不僅僅來自市場的需求，更主要的是，醫(yī)療電子系統(tǒng)的開發(fā)涉及眾多學科與研究領域，例如測試測量、電子電路、計算編程、信號處理、光學或圖像處理、機械電子等，其獨特的跨領域特性意味著工程師在開發(fā)過程中需跨越多個開發(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發(fā)之后，再做一定的整合與集成。而各個開發(fā)階段有不同的任務與需求。復雜的醫(yī)學電子系統(tǒng)開發(fā)過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(zhàn)。由于各個開發(fā)階段需要不同的設計平臺，硬件與軟件開發(fā)的集成也成為醫(yī)電系統(tǒng)設計的瓶頸，所以醫(yī)電系統(tǒng)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發(fā)能力。 除此之外，由于目前醫(yī)電系統(tǒng)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(tǒng)設計階段就需要引入一定的真實醫(yī)電信號作為測試輸入；同時，為了滿足24 h的重癥監(jiān)護等特殊應用需求，設計階段還需要考慮到實時性等硬件控制的相關要求。所以，設計平臺也需要能夠滿足但不能局限于信號的仿真，更需要引入真實的醫(yī)電信號完成實時信號的采集、分析與處理。 圖形化醫(yī)療電子設計平臺 做為圖形化系統(tǒng)設計的領導者，自1986年誕生以來，NI以及LabVIEW圖形化開發(fā)平臺始終致力于簡化編程的復雜性，在所有涉及到數(shù)據采集、控制與設計的領域里，LabVIEW圖形化編程方式已經成為標準的開發(fā)工具。對于醫(yī)療電子設備的開發(fā)團隊而言，借助NI硬件平臺不僅可以連接各類醫(yī)電傳感器，快速實現(xiàn)醫(yī)電信號的測量，還可以實現(xiàn)自定義的前端電路開發(fā)，包括板級電路或者是可編程的硬件邏輯電路。另外，結合開放的LabVIEW編程平臺，后端的信號處理算法的開發(fā)也可以通過圖形化的開發(fā)方式實現(xiàn)，并通過NI軟硬件的無縫結合，將算法快速部署至硬件平臺。 對于前端醫(yī)電系統(tǒng)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，可以通過專業(yè)的電子電路設計與仿真平臺——NI ELVIS實現(xiàn)。例如醫(yī)電信號采集系統(tǒng)，可以借助其五位半隔離數(shù)字萬用表功能來實現(xiàn)。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(tǒng)，也可以在ELVIS開放的電路板上借助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(yī)電系統(tǒng)設計中的應用也越來越廣泛。FPGA具備硬件電路的高速處理性能以及軟件系統(tǒng)的可編程靈活性，特別適用于需要實時采集并分析的重癥監(jiān)護等情況。為了方便工程師進行FPGA系統(tǒng)的開發(fā)，NI提出了創(chuàng)新的LabVIEW FPGA技術與CompactRIO硬件平臺，無需VHDL的經驗，生物醫(yī)學工程師可使用圖形化編程方式，直接參與到編程工作中，快速實現(xiàn)醫(yī)電系統(tǒng)從設計、仿真到原型等完整過程。 目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（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(shù)學方程式。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（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設計師可以根據需要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品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，開放且靈活的LabVIEW軟件平臺是圖形化醫(yī)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(shù)據，而且內置了強大的信號處理開發(fā)工具，實現(xiàn)高效的算法開發(fā)，還通過代碼重用，調用成熟算法，簡化構建系統(tǒng)的復雜性，使得設計階段的實時采集與分析成為可能。 實時采集并使用真實醫(yī)電信號完成 醫(yī)療電子系統(tǒng)的設計 醫(yī)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(shù)以便于診斷。例如對于心臟病相關的診斷，就需要從預處理后的心電數(shù)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(yī)電信號很難由PC仿真出來，必須通過實際采集來獲得。因此，對于醫(yī)電工程師而言，真實數(shù)據源的獲取對于系統(tǒng)的設計尤為關鍵，甚至會影響到系統(tǒng)最終的設計效果。這對于醫(yī)電設計平臺十分重要。一般來說，對于實際醫(yī)學信號的獲取有2種途徑：共享數(shù)據庫與實際采集。 與世界權威醫(yī)電數(shù)據庫的兼容 為了方便全世界的醫(yī)學工作者了解并分析典型的醫(yī)電信號，麻省理工大學（MIT）與美國國家衛(wèi)生總署（NIH）都提供了權威的生物醫(yī)電數(shù)據庫，其中存儲了大量不同特征的醫(yī)電信號。例如MIT數(shù)據庫中提供了相當完整的多通道心電數(shù)據，包括動脈血壓（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，還提供了各類病癥患者的信號，幫助科研工作者根據信號設計相關的分析算法，實現(xiàn)相應功能，并用于原型系統(tǒng)的測試。 但是，由于數(shù)據庫的內容所采用的格式并非通用的文件格式，對于醫(yī)電工程師來說，就需要做另外的文件轉換工作，這就為不熟悉數(shù)據格式及文件轉換的醫(yī)電工程師增加了額外的負擔。所以，實現(xiàn)快速醫(yī)電系統(tǒng)設計開發(fā)的前提條件之一，就是開發(fā)平臺必須能夠兼容這些權威的數(shù)據庫文件。 NI提供的生物醫(yī)電工具包提供了文件轉換的功能，不僅可以讀取MIT的數(shù)據文件，同時也可以在不同的文件格式之間進行轉換，例如TDMS、LVM、ABF數(shù)據庫以及MAT文件等。 臨床生物醫(yī)電信號的實時采集 雖然權威數(shù)據庫提供了大量的醫(yī)電信號，但依然不能取代實際臨床數(shù)據采集。一方面，系統(tǒng)最終需要投入實際臨床應用，因此，信號的實時測量是系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據庫無法提供的時候，需要通過臨床采集來獲得。 除此之外，采集實際醫(yī)電信號還有另外的重要意義。真實測量中，信號往往伴有各種測量噪聲或電磁干擾等，所以，噪聲消除、信號提取等問題必須在設計階段就予以考慮。由于干擾噪聲與實際環(huán)境有關，公共數(shù)據庫無法提供，所以必須通過實測來獲取。 以NI ELVIS平臺為例，可以通過連接到各種第三方的醫(yī)電傳感器來獲取真實的醫(yī)電信號。例如Vernier公司的一系列生物醫(yī)電傳感器，可測量包括的血壓、心電、心率、呼吸等醫(yī)電信息。在ELVIS平臺上，還可以實現(xiàn)自定義的放大、濾波、隔離等電路系統(tǒng)，甚至可以設計加入DSP或FPGA等芯片完成更復雜的電路設計，通過采集實際的醫(yī)電信號，有針對性地實現(xiàn)系統(tǒng)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(yī)電系統(tǒng)而言，外圍電路的設計只是系統(tǒng)硬件設計中的一部分，由于生物醫(yī)電行業(yè)的發(fā)展，很多算法已經成熟化、公開化。所以在某些情況下，可以重用這些已有算法進行進一步開發(fā)。盡管如此，當算法間的開發(fā)平臺或者編程語言互不兼容時，仍然需要重寫算法并調試，反而給開發(fā)帶來一定的麻煩。另外，在一些大型或長期項目的開發(fā)過程中，也往往會遇到平臺的兼容性問題。例如需要兼容先期所積累的開發(fā)成果，或者不同開發(fā)小組、項目間代碼的互享等。算法開發(fā)平臺的轉換，也往往成為算法開發(fā)的瓶頸。為了應對挑戰(zhàn)，開發(fā)平臺必須具備足夠的開放性，以兼容不同語言平臺上的算法，完成代碼共享。 除兼容性外，快速自定義算法的開發(fā)與硬件調用也是自定義算法開發(fā)中不可或缺的部分。對于生物醫(yī)電工程師而言，編程方面的技能往往不如專業(yè)的計算機工程師。在這種情況下，如果要完成復雜系統(tǒng)及算法的開發(fā)，則需要花大量的時間學習龐大而精湛的編程技能。同時，為了與醫(yī)學傳感器、數(shù)據采集系統(tǒng)等硬件調用相結合，更需通曉系統(tǒng)中斷、API調用、操作系統(tǒng)編程等更底層的編程技能，以及上萬行代碼的積累，而對于大多數(shù)生物醫(yī)電開發(fā)工程師來說，滿足這些要求的可能性微乎其微。所以，這就要求生物醫(yī)電的算法開發(fā)平臺能夠提供高效的編程工具，幫助工程師實現(xiàn)硬件的調用和程序開發(fā)。 基于LabVIEW開發(fā)的生物醫(yī)電工具包（Biomedical Startup Kit）很好地解決了算法開發(fā)的高效性、算法的兼容性、平臺的開放性以及軟硬件的集成性等問題。 與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW[2] 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據采集、GPIB、串口控制、數(shù)據分析、數(shù)據 LabVIEW標志顯示及數(shù)據存儲，等等。LabVIEW[2] 也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據及其子程序（子VI）的結果、單步執(zhí)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言。傳統(tǒng)文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW [2]則采用數(shù)據流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW [2]的程序模塊。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW [2]的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 為了更好地幫助工程師開發(fā)生物醫(yī)電解決方案，NI的生物醫(yī)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，開發(fā)工程師可以直接調用，甚至完成一些現(xiàn)成的生物醫(yī)電科研項目，例如生物醫(yī)學記錄、在線生物信號減噪、ECG特征提取、心率變異分析以及無創(chuàng)血壓測量分析等。更主要的是，借助LabVIEW開放平臺更便于在現(xiàn)成項目或算法的基礎上進行二次開發(fā)并融入自定義的算法。目前， NI的生物醫(yī)電工具包可以通過網絡免費下載獲取，進一步方便了醫(yī)電工程師在開發(fā)中使用。 交互式算法開發(fā)與驗證 以心電信號消噪為例，心電圖（ECG）是一種記錄心臟產生的生物電流的技術。臨床醫(yī)生可以利用心電圖對患者的心臟狀況進行評估，并做出進一步診斷。心臟電活動按力學原理可歸結為一系列的瞬間心電綜合向量。在每一心動周期中，作空間環(huán)形運動的軌跡構成立體心電向量環(huán)。應用陰極射線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)軸的夾角關系。投影的方向和導聯(lián)軸方向一致時得正電位，相反時為負電位。用一定速度移行的記錄紙對這些投影加以連續(xù)描記，得到的就是心電圖的波形。心電圖波形在基線（等電位線）上下的升降，同向量環(huán)運行的方向有關。和導聯(lián)軸方向一致時，在心電圖上投影得上升支，相反時得下降支。ECG傳感器可以通過電極連接人體并感知生物電流，ECG信號可以通過ELVIS來完成采集，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程中會被噪聲以及人為引入的偽影所污染。例如電源線干擾、電極分離或接觸產生的噪聲、病人在移動中引入的偽影還有基線漂移等。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，電源線干擾可以通過采集硬件、ELVIS或FPGA上所設計的陷波濾波器電路來完成。但基線漂移和其他寬帶噪聲通過硬件濾波器很難消除，而軟件處理則成為設計關鍵。 通過LabVIEW以及生物醫(yī)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漂移。具體濾波器或者小波基等參數(shù)設置將產生不同的消噪結果，開放式的平臺不僅可以允許工程師自行調節(jié)參數(shù)，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，在消除各類噪聲與偽影之后，工程師可以開發(fā)特征提取算法。同樣地，在生物醫(yī)電開發(fā)平臺上，可以通過整合魯棒的提取算法或者自行開發(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所示為經過小波多分辨率分析（MRA）處理完成的心電信號中的QRS群波監(jiān)測。 NI提供的圖形化生物醫(yī)電開發(fā)平臺，結合了開放的LabVIEW軟件，無縫集成了眾多NI硬件平臺（如ELVIS、CompactRIO等），不僅可以連接各類生物醫(yī)電傳感器，采集各類實際的醫(yī)電信號，實現(xiàn)前段調理電路的設計仿真工作，而且可以通過LabVIEW圖形化編程平臺，調用工具包中現(xiàn)成算法，兼容第三方算法或者開發(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(yī)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發(fā)與分析、軟硬件集成測試以及最終的原型化系統(tǒng)實現(xiàn)等全部生物醫(yī)電系統(tǒng)開發(fā)流程，快速地將創(chuàng)新的思想、專利或研究成果轉化成產品、并保證產品的可靠性和穩(wěn)定性，從而縮短醫(yī)療電子設備的開發(fā)時間。 來源：電子發(fā)燒友網 |
