韋 哲 董思凡 呂克難 王能才

國家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會在2015年4月10日的例行新聞發(fā)布會上發(fā)布了《中國疾病預(yù)防控制工作進(jìn)展報(bào)告》，回顧并總結(jié)了我國近10年的疾病預(yù)防控制工作。報(bào)告稱，心腦血管疾病、癌癥等慢性病已成為威脅我國人民生命的最大殺手，慢性病致死的人數(shù)占到全國死亡人數(shù)的86.6%，而由慢性病所導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)占總疾病負(fù)擔(dān)的70%左右[1]。對于這類疾病，只有通過及時(shí)的診斷及治療才能有效地控制病情，而醫(yī)護(hù)人員經(jīng)常因?yàn)闊o法獲得患者的實(shí)時(shí)體征信號而錯(cuò)過最佳的治療時(shí)機(jī)[2-3]。因此，對心腦血管疾病患者提供遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，將心電等與心腦血管疾病相關(guān)的人體體征的監(jiān)護(hù)從床邊、醫(yī)院擴(kuò)展到家庭，不僅可以減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且還能為患者提供最佳的治療時(shí)機(jī)[4-5]。本研究基于LabVIEW設(shè)計(jì)與研究生命信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對手環(huán)式監(jiān)測終端所測量的體征信號進(jìn)行采集、處理、提取以及顯示，醫(yī)護(hù)人員通過該系統(tǒng)及時(shí)對監(jiān)護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)的救護(hù)指導(dǎo)。

1 生命信息管理系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

生命信息管理系統(tǒng)采用遞進(jìn)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其具體操作流程為：系統(tǒng)管理者通過輸入用戶名和密碼信息進(jìn)入程序主界面，主界面上可以實(shí)時(shí)觀測被監(jiān)護(hù)人員的心電圖、體溫、心電及血氧飽和度，并且能通過對數(shù)據(jù)庫的查詢了解被監(jiān)護(hù)人員的歷史體征數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程如圖1所示。

圖1 生命信息管理系統(tǒng)軟件流程圖

1.1 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

登錄系統(tǒng)主要由LabVIEW中的while循環(huán)、事件結(jié)構(gòu)以及條件結(jié)構(gòu)搭建完成，在搭建的同時(shí)，有2個(gè)子虛擬儀器(virtual instrument，VI)，分別是核對密碼和讀取用戶名。核對密碼子VI起到了判斷用戶名和密碼是否正確的作用，讀取用戶的子VI可以利用LabVIEW中的數(shù)據(jù)庫控件進(jìn)行編程，搜索用戶名數(shù)據(jù)庫中的名稱進(jìn)行核對。讀取用戶的子VI如圖2所示。

圖2 讀取用戶子VI框圖

1.2 體征信號的接收

使用LabVIEW中的數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議模塊函數(shù)(transmission control protocol，TCP)，將手環(huán)式監(jiān)測終端采集到的體征信號經(jīng)過手機(jī)傳遞到上位機(jī)，以進(jìn)行顯示及處理。對體征信號進(jìn)行接收時(shí)，首先對網(wǎng)關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，制定網(wǎng)絡(luò)端口與IP地址，再由“TCP Open Connection.VI”打開由網(wǎng)絡(luò)端口和網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議(internet protocol，IP)地址制定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接。連接建立之后，由“TCP Read.VI”節(jié)點(diǎn)讀出指定長度的IP數(shù)據(jù)包，當(dāng)“TCP Read.VI”接收到數(shù)據(jù)后，立即將其讀出，避免接收到的體征信號堆積在緩沖區(qū)當(dāng)中。完成信號傳輸之后，使用“TCP Clouse Connection.VI”關(guān)閉連接并釋放資源。接收模塊的整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 TCP接收程序示圖

2 生命體征信號的處理

采集到的生命體征信號由于測量儀器存在檢測誤差及人體運(yùn)動等原因也會產(chǎn)生一定的誤差，如心電和體溫信號，這些誤差需要經(jīng)過上位機(jī)作進(jìn)一步處理。而對于血氧飽和度不僅要對采集到的脈搏波信號進(jìn)行降噪處理，還需要通過計(jì)算才能得出最終的血氧飽和度數(shù)值。

2.1 心電信號的降噪處理

采集心電信號時(shí)產(chǎn)生噪聲來源主要包括電極接觸噪聲、肌電干擾以及呼吸引起的基線漂移[6-8]。

(1)電極接觸噪聲。屬于一種瞬時(shí)干擾，其原因是手環(huán)式監(jiān)測終端與監(jiān)護(hù)人員的接觸不良，此種連接問題可能為瞬時(shí)：①被監(jiān)護(hù)人員的活動導(dǎo)致裝置的松動；②可以將這種噪聲近似地認(rèn)為是隨機(jī)快速變化的階躍信號，其特征值包括初始瞬態(tài)振幅和頻率的振幅分量和衰減時(shí)間常數(shù)；③持續(xù)時(shí)間為1 s，幅值可以達(dá)到信號記錄儀的最大振幅。

(2)肌電干擾。由于人體肌肉振動而產(chǎn)生的毫伏級的電壓，會在心電圖上顯示為細(xì)小的波紋，將會導(dǎo)致心電圖的失真，因此在測試的過程當(dāng)中，應(yīng)盡量避免不必要的運(yùn)動。

(3)呼吸引起的基線漂移。由于呼吸所導(dǎo)致的基線隨時(shí)間緩慢而有規(guī)律的變化，即為基線漂移，基線漂移的頻率分布在0 Hz附近。

(4)去除干擾的濾波方法。常用的濾波方法有簡單整系數(shù)濾波、平滑濾波及小波變換。小波變換降噪方法在時(shí)變信號分析方面有其優(yōu)越性，核心思想是將信號分解到不同的尺度上進(jìn)行處理，而且在不同的尺度上，各小波分量的帶通濾波的帶寬有所不同，其實(shí)質(zhì)就是帶通濾波[9-10]。小波變換的特點(diǎn)是多分辨率分析，在時(shí)域和頻域都可以對信號的局部信息進(jìn)行表征，在生物醫(yī)學(xué)信號處理領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

對于時(shí)間連續(xù)的信號，小波序列的計(jì)算為公式1：

式中a為伸縮因子；b為平移因子。

對于任意函數(shù)f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換的計(jì)算為公式2：

式中Ψ為小波母函數(shù)，為了在數(shù)學(xué)上使用方便，其計(jì)算定義為公式3：

在進(jìn)行數(shù)字信號處理時(shí)，必須對連續(xù)小波進(jìn)行離散化，令s=2j，即得到常用的離散二進(jìn)制變換W2jf(x)。稱數(shù)序列Wf=[W2jf(x)]j∈z為二進(jìn)制的小波變換，這里的W是二進(jìn)制小波變換算子。對于數(shù)字信號而言，其二進(jìn)制小波變換也是離散型，計(jì)算為公式4：

雖然小波變換的理論看起來較復(fù)雜，但在LabVIEW中有相應(yīng)封裝的小波降噪的控件，即WA Denoise.VI。在此控件中，可以對閾值進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)還能對小波的類型以及小波的分解層數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于Daubechies小波中的dB06小波與心電信號最為接近，故本研究選擇該小波作為基礎(chǔ)小波，并進(jìn)行4層的小波分解。程序框圖及處理效果對比分別如圖4、圖5所示。

圖4 心電信號處理程序框圖

圖5 心電信號處理對比示圖

2.2 血氧飽和度計(jì)算及降噪處理

(1)脈搏信號的處理與分析。與心電信號類似，采集到的脈搏波信號當(dāng)中也存在復(fù)雜的噪聲成分，主要為：①基線漂移，呼吸波動、元件的溫漂以及放大電路的不穩(wěn)定等原因，都會造成基線的漂移。其頻率一般為0.15～0.3 Hz，并疊加于脈搏信號的低頻段，形狀與正弦波類似；②運(yùn)動偽差，由于監(jiān)護(hù)人員的運(yùn)動所導(dǎo)致的血液過于充盈，從而導(dǎo)致光程的變化，會直接影響血氧飽和度監(jiān)測的精度；③肌電干擾，其產(chǎn)生原因是肌肉收縮所產(chǎn)生的微伏級高頻噪聲，可將其看做是均值為零的帶限高斯噪聲的瞬發(fā)狀態(tài)；④傳感器接觸噪聲，其產(chǎn)生原因是傳感器和皮膚之間的不穩(wěn)定接觸，這會造成階躍性的信號下降；⑤電磁設(shè)備干擾，由于電子儀器本身存在噪聲，因此存在的一種噪聲頻帶范圍很寬，且其幅值隨著環(huán)境的變化而變化。由于上述原因，本研究同樣使用小波變換進(jìn)行處理。不同于心電信號的是，此次使用Daubechies2(dB02)小波，其與實(shí)際的脈搏波信號有更高的相似度。此外，通過設(shè)定不同的趨勢級別并進(jìn)行比較，最終將趨勢的級別定為8。由于來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)被分成2個(gè)通道，且初始的采樣頻率為100 Hz，因此每個(gè)通道的采樣頻率變?yōu)?0 Hz，故dt的輸入時(shí)間間隔為0.02 s。對于低頻段的基線干擾，采用線性擬合的方法進(jìn)行降噪處理，其原理是采用擬合的方法估計(jì)出基線漂移的曲線，然后用原始信號減去漂移曲線，最終得到消除極限漂移的信號。

(2)脈搏波信號的特征提取。脈搏波是以低頻信號為主的體征信號，在其測量的過程中，容易受到諸如基線漂移等噪聲的影響，受個(gè)體差異等因素的影響也比較大。經(jīng)小波變換和線性擬合處理后，波形變得比較平滑且其變化規(guī)律體現(xiàn)著一定的周期性，在對這樣的脈搏波形進(jìn)行特征提取之前，需要識別出每一個(gè)單周期的波形。由于采集的脈搏波是由連續(xù)不斷的單周期波組成，因此如果能識別出每個(gè)單周期波的起點(diǎn)，就能分別識別出每個(gè)周期波。然后，再在單個(gè)周期波內(nèi)提取脈搏波的最大值與最小值來計(jì)算血氧飽和度，而本研究采用閾值法提取最值信息。

LabVIEW所提供的閾值檢測控件，可以直接實(shí)現(xiàn)對超過閾值的有效波峰進(jìn)行定位，并給出索引的功能。為了保險(xiǎn)起見，閾值選取為波形數(shù)據(jù)中最大值的一半。索引的定位結(jié)果就是求導(dǎo)后波形的最大值的位置信息，對應(yīng)著每個(gè)單周期脈搏波形的起始點(diǎn)，這也就實(shí)現(xiàn)了對脈搏波的單周期分割，接下來只要在每個(gè)單周期波形內(nèi)檢測出最大值和最小值就可以進(jìn)行血氧飽和度的計(jì)算了。

(3)血氧飽和度的計(jì)算及降噪。光電檢測法是目前主流的無創(chuàng)血氧飽和度檢測法，但此法如果直接應(yīng)用到測量中，會造成很大的誤差，這是因?yàn)槠浜雎粤遂o脈、骨骼等人體結(jié)構(gòu)對入射光的吸收和散射作用的影響[11-12]。因此，本研究結(jié)合基于Lambert-Beer定律的光電檢測原理和光電容積脈搏波描記法原理進(jìn)行無創(chuàng)血氧飽和度監(jiān)測[13-14]。

因反射和透射光強(qiáng)隨著心臟搏動會發(fā)生周期性變化，故將透射光的最強(qiáng)值記為Imax，最小值記為Imin，通過記錄透射光強(qiáng)的最大值與最小值，就可以消除如皮膚組織等具有恒定吸收及散射特點(diǎn)的成分的影響。這里忽略人體組織對入射光散射及反射的影響，忽略動脈的搏動，由Lambert-Beer定律可知，給定波長的光強(qiáng)為I0的入射光垂直照射時(shí)，得到的透射光強(qiáng)為公式5：

當(dāng)考慮動脈搏動時(shí)，動脈血液的光程變化了ΔL，而其他組織的吸光率(F)保持不變，I01=FI0也不變，由光程變化所引起的動脈血液的吸光度變化為公式6：

選擇另一波長的單色光同時(shí)對傳輸部位透射可得公式7：

式中Q=ΔW1/ΔW。

當(dāng)動脈搏動時(shí)，透射光強(qiáng)由最大值Imax減少了ΔImax，達(dá)到最小值Imin，即Imin=Imax-ΔImax，由此動脈血液對波長為λ和λ1的兩束光的吸光度和變化量分別為公式8和公式9：

將上式帶入得到Q值，即為公式10：

將公式10代入公式7就可得到計(jì)算血氧的線性公式。因此，只要測得2個(gè)波長透射光強(qiáng)的最大、最小值Imax、Imin、 Imax1、Imin1代入公式10，然后代入公式7就可得到人體脈搏血氧飽和度。

2.3 體溫信號的降噪處理

本研究使用DS18B20作為體溫采集的傳感器，該傳感器的突出特點(diǎn)是輸出為數(shù)字信號且無需計(jì)算，所以對體溫信號的處理相對而言比較簡單。因此，同樣采用移動平均法即可達(dá)到對體溫信號降噪的效果。對于體溫的降噪處理，由于只采用一種降噪的方式，所以采用八點(diǎn)平均的方式進(jìn)行降噪。

3 生命體征信號的存儲

實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)時(shí)，大量監(jiān)護(hù)人員的體征信號會傳遞到生命信息管理系統(tǒng)，為了對所接收到的信息進(jìn)行更好的管理，需要一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫來管理監(jiān)護(hù)人員的生命體征信息。

3.1 Access數(shù)據(jù)庫

Access是Microsoft office辦公套裝軟件中重要的組成部分。該數(shù)據(jù)庫以其功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、界面友好等特點(diǎn)備受青睞，中文版Access具有Office中Excel、Word等相同的操作界面以及與其有直接的連接功能，并且提供了更為方便快捷的操作方式。

Access數(shù)據(jù)庫包含了更強(qiáng)大的工具，可以幫助用戶在可管理的環(huán)境中快速跟蹤、報(bào)告和共享信息，了解有關(guān)新功能和改進(jìn)功能的詳細(xì)信息。Access的導(dǎo)入、導(dǎo)出和處理XML數(shù)據(jù)文件的功能，為用戶提供了一個(gè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的理想環(huán)境，此外，Access數(shù)據(jù)庫所提供的工具既實(shí)用又方便，同時(shí)還能夠獲得高效的數(shù)據(jù)處理能力。Access的最大特點(diǎn)就是易于使用且功能強(qiáng)大，如今Access已成為被廣泛使用的桌面數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[13]。

3.2 LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的連接

在很多應(yīng)用開發(fā)中都要使用到數(shù)據(jù)庫的訪問，但是，本研究所使用的LabVIEW本身不具有數(shù)據(jù)庫訪問的功能，其解決方法如下。

(1)購買NI公司的LabVIEW AddOns中的數(shù)據(jù)庫接口工具包LabVIEW SQLToolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問。該工具包不需要使用SQL語言就能快速實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的連接，其支持當(dāng)前流行的數(shù)據(jù)庫，包括Microsoft Access，Microsoft SQL Sever以及Oracle等。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，且用戶不需要學(xué)習(xí)SQL語法；缺點(diǎn)是工具包過于昂貴。

(2)通過其他文本編程語言編寫DLL程序，然后通過LabVIEW的DLL接口訪問該程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的間接訪問。

(3)通過中間文件存取數(shù)據(jù)，也就是先將數(shù)據(jù)存儲于文件當(dāng)中，日后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。

上述方式雖然都能在LabVIEW中訪問數(shù)據(jù)庫，但其問題也同樣突出[14]。由LabVIEW用戶所開發(fā)的LabSQL工具包，能提供一種免費(fèi)且高效的數(shù)據(jù)庫訪問方式，LabSQL支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫，包括Access、SQL Server、Oracle等。

LabSQL作為一系列封裝的VI，通過Microsoft ADO以及SQL語言訪問數(shù)據(jù)庫，即使不熟悉SQL語言的用戶也可以很方便的使用該系列VI進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的連接，不需要太復(fù)雜的編程就能通過LabSQL在LabVIEW中訪問數(shù)據(jù)庫。雖然LabSQL具有上述優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。由于LabSQL不是NI公司官方提供的控件，因此當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時(shí)，使用LabSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接會經(jīng)常出現(xiàn)莫名的錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序無法運(yùn)行，故當(dāng)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，選擇LabSQL進(jìn)行編程非常方便，這就是在1.1登錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中讀取用戶子VI中使用LabSQL的原因。而本研究主程序所采集到的數(shù)據(jù)量較大的情況，需使用NI公司提供的DB(Data Base)工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接。使用DB工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接的程序如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫連接示圖

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的生命信息管理系統(tǒng)，通過TCP/IP協(xié)議搭建了體征信號接收模塊，通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)了對體溫、心電以及血氧飽和度信號的處理。其中對心電信號的處理使用了小波變換的方法進(jìn)行降噪處理，達(dá)到了預(yù)期的效果。本研究還對血氧飽和度的無創(chuàng)檢測方法做了探究，通過LabVIEW對采集到的脈搏波信號作進(jìn)一步的計(jì)算處理，最終通過計(jì)算得出血氧飽和度。在計(jì)算的過程當(dāng)中，使用了小波變換對采集到的脈搏波信號進(jìn)行了處理，在最終的結(jié)果中，使用了移動平均法對血氧飽和度數(shù)值進(jìn)行了處理，使得到的結(jié)果更加精準(zhǔn)。通過LabVIEW中的DB控件實(shí)現(xiàn)了與Access數(shù)據(jù)庫的連接，并實(shí)現(xiàn)了體征信號的存儲與讀取。

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