關(guān)鍵詞： ELVIS；ECG；醫(yī)療電子；圖形化
近年來，隨著醫(yī)療電子行業(yè)的飛速發(fā)展，各種醫(yī)療產(chǎn)品的更新也日新月異，創(chuàng)新的功能、獨特的設(shè)計，不斷吸引著人們的眼球。同時，隨著商業(yè)可用技術(shù)的更新以及成本的降低，醫(yī)療電子產(chǎn)品越來越大眾化。不過，市場的巨大潛力與廣大空間對應(yīng)帶來的是對醫(yī)療電子產(chǎn)品設(shè)計要求的不斷提高。如果期望在這個行業(yè)占有一席之地，創(chuàng)新的應(yīng)用、獨特的功能，以及快速的設(shè)計開發(fā)都成為不可或缺的條件。其中尤其以最為核心的系統(tǒng)開發(fā)為主。
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(zhuǎn)化為研究成果或?qū)＠?？如何快速地設(shè)計出滿足市場需求的產(chǎn)品？如何在有限的時間內(nèi)完成產(chǎn)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(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(shè)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(wù)與需求。例如，醫(yī)電信號的采集工作需要設(shè)計針對醫(yī)電傳感器的采集電路；需要設(shè)計硬件調(diào)理電路以增強有用信號；軟件開發(fā)過程中則需要考慮數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以滿足設(shè)計平臺的要求；在核心算法開發(fā)與仿真中，需要調(diào)用大量的信號處理和數(shù)學(xué)方面的算法；最后，則是算法的硬件實現(xiàn)。復(fù)雜的醫(yī)學(xué)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(shè)計平臺提出了挑戰(zhàn)。由于各個開發(fā)階段需要不同的設(shè)計平臺，硬件與軟件開發(fā)的集成也成為醫(yī)電系統(tǒng)設(shè)計的瓶頸，所以醫(yī)電系統(tǒng)的設(shè)計平臺需要兼顧這兩部分的結(jié)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(fù)雜性日益增加，臨床應(yīng)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(shè)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(yīng)用需求，設(shè)計階段還需要考慮到實時性等硬件控制的相關(guān)要求。所以，設(shè)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。
由上述可見，醫(yī)療電子的設(shè)計過程中所需要考慮的技術(shù)問題牽涉廣泛，對設(shè)計工程師來說難度和要求也更高。如何幫助醫(yī)電設(shè)計工程師快速上手，更高效地實現(xiàn)生物醫(yī)電系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，需要一個能夠滿足各方面需要的集成化商用開發(fā)平臺。在此應(yīng)用背景下，NI推出圖形化設(shè)計平臺幫助設(shè)計者實現(xiàn)醫(yī)療電子的設(shè)計與研究工作。
圖形化醫(yī)療電子設(shè)計平臺
做為圖形化系統(tǒng)設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)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(fù)雜性，在所有涉及到數(shù)據(jù)采集、控制與設(shè)計的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化編程方式已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具。對于醫(yī)療電子設(shè)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(jié)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(jié)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(shè)計而言，自定義的板級電路設(shè)計往往是主要部分，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，可以通過專業(yè)的電子電路設(shè)計與仿真平臺——NI ELVIS實現(xiàn)。ELVIS集成了12種精密儀器功能，包括數(shù)字萬用表、阻抗分析、波形發(fā)生器、示波器、可變電源等，醫(yī)療電子的設(shè)計工程師可以方便地調(diào)用這些集成設(shè)備，自行搭建醫(yī)療電子系統(tǒng)，開發(fā)自定義的硬件電路系統(tǒng)。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(fù)雜的前端調(diào)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(shè)計軟件完成， Multisim除了具備板級電路設(shè)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(shè)計、仿真過程效率更高。
目前，除自定義的板級電路設(shè)計以外，基于FPGA的可編程邏輯電路在醫(yī)電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)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(shù)與CompactRIO硬件平臺，無需VHDL的經(jīng)驗，生物醫(yī)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，快速實現(xiàn)醫(yī)電系統(tǒng)從設(shè)計、仿真到原型等完整過程。
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(shè)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(shè)計，直接調(diào)用圖形化硬件平臺上采集的數(shù)據(jù)，而且內(nèi)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(diào)用成熟算法，簡化構(gòu)建系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得設(shè)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(shè)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(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)和各種異常情況的信息，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(jù)源的獲取對于系統(tǒng)的設(shè)計尤為關(guān)鍵，甚至?xí)绊懙较到y(tǒng)最終的設(shè)計效果。這對于醫(yī)電設(shè)計平臺十分重要。一般來說，對于實際醫(yī)學(xué)信號的獲取有2種途徑：共享數(shù)據(jù)庫與實際采集。
與世界權(quán)威醫(yī)電數(shù)據(jù)庫的兼容
為了方便全世界的醫(yī)學(xué)工作者了解并分析典型的醫(yī)電信號，麻省理工大學(xué)(MIT)與美國國家衛(wèi)生總署(NIH)都提供了權(quán)威的生物醫(yī)電數(shù)據(jù)庫，其中存儲了大量不同特征的醫(yī)電信號。例如MIT數(shù)據(jù)庫中提供了相當(dāng)完整的多通道心電數(shù)據(jù)，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(jù)信號設(shè)計相關(guān)的分析算法，實現(xiàn)相應(yīng)功能，并用于原型系統(tǒng)的測試。
但是，由于數(shù)據(jù)庫的內(nèi)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(zhuǎn)換工作，這就為不熟悉數(shù)據(jù)格式及文件轉(zhuǎn)換的醫(yī)電工程師增加了額外的負(fù)擔(dān)。所以，實現(xiàn)快速醫(yī)電系統(tǒng)設(shè)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(quán)威的數(shù)據(jù)庫文件。
NI提供的生物醫(yī)電工具包提供了文件轉(zhuǎn)換的功能，不僅可以讀取MIT的數(shù)據(jù)文件，同時也可以在不同的文件格式之間進行轉(zhuǎn)換，例如TDMS、LVM、ABF數(shù)據(jù)庫以及MAT文件等。
臨床生物醫(yī)電信號的實時采集
雖然權(quán)威數(shù)據(jù)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(jù)采集。一方面，系統(tǒng)最終需要投入實際臨床應(yīng)用，因此，信號的實時測量是系統(tǒng)設(shè)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(fù)雜性與多樣性，當(dāng)數(shù)據(jù)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(shè)計階段就予以考慮。由于干擾噪聲與實際環(huán)境有關(guān)，公共數(shù)據(jù)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(shè)計加入DSP或FPGA等芯片完成更復(fù)雜的電路設(shè)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(shè)計與測試。
例如，對于微弱的腦電或者嗅胞等神經(jīng)元信號，必須通過設(shè)計微電極放大器來進行前置放大。在設(shè)計放大器的過程中需要考慮阻抗匹配、放大增益以及被放大神經(jīng)信號的帶寬等以獲得非線性失真的放大。這些信號調(diào)理電路的設(shè)計都可以在ELVIS平臺上搭建實現(xiàn)，并通過連接實際信號來進行測試。
創(chuàng)新的算法設(shè)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(shè)計只是系統(tǒng)硬件設(shè)計中的一部分，而體現(xiàn)核心價值的功能往往存在于軟件算法層面，通過開發(fā)自定義算法來實現(xiàn)特定的功能，也就是眾所周知的IP核。
由于生物醫(yī)電行業(yè)的發(fā)展，很多算法已經(jīng)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(dāng)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(diào)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(zhuǎn)換，也往往成為算法開發(fā)的瓶頸。為了應(yīng)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(diào)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(fù)雜系統(tǒng)及算法的開發(fā)，則需要花大量的時間學(xué)習(xí)龐大而精湛的編程技能。同時，為了與醫(yī)學(xué)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等硬件調(diào)用相結(jié)合，更需通曉系統(tǒng)中斷、API調(diào)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(diào)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。
ELVIS或CompactRIO平臺上的采集和調(diào)理后的醫(yī)電信號可以直接被LabVIEW讀取，而無需考慮硬件API調(diào)用等底層硬件的編程難題，使得醫(yī)電工程師能夠?qū)Ｗ⒂谒惴ǖ恼{(diào)用或者自定義算法的開發(fā)，完成系統(tǒng)核心的信號分析部分。
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(nèi)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(diào)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(xué)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(chǔ)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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生的生物電流的技術(shù)。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。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(yù)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(chǎn)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(nèi)，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(shè)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(shè)計關(guān)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(shè)置將產(chǎn)生不同的消噪結(jié)果，開放式的平臺不僅可以允許工程師自行調(diào)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(yīng)濾波、AR建模等方法。
通過LabVIEW圖形化編程方式，工程師不僅可以利用LabVIEW中強大的信號處理工具箱實現(xiàn)各種分析算法，還可以通過交互式用戶界面實現(xiàn)不同算法間的調(diào)試與比較，以便選擇出最合適的算法。
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(fù)合、P波形和T波形。圖2所示為經(jīng)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(jié)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(diào)理電路的設(shè)計仿真工作，而且可以通過LabVIEW圖形化編程平臺，調(diào)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(diào)理電路的設(shè)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(zhuǎn)化成產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，從而縮短醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)時間。