肌電/誘發電位軟件系統方案設計

廣東工業大學自動化學院 張育俊 杜玉曉

1.引言

肌電/誘發電位目前已廣泛的應用于神經系統研究，緊急護理，手術室監控，神經系統損傷及病變的診斷等領域[3-4]。誘發電位信號中包含了豐富的有關神經系統傳導通路上各個部位的信息，特別是潛伏期及其變化表示了神經系統的傳導及其延遲，從而反映了神經系統的狀態和變化，有“窺視精神之窗”之稱。

近年來，國內的公司在肌電/誘發電位系統的研究與開發方面雖然有長足的進步，但是在系統的軟硬件實現等方面跟國外大公司相比仍有一定的差距。為此，筆者結合臨床研究與應用的需要，提出了一種肌電/誘發電位系統的軟件整體設計方案及軟件數據處理系統各功能模塊的實現方法。

2.系統開發的目標

（1）高實時性

肌電/誘發電位信號十分微弱，干擾特別強，而信號的采樣頻率又非常高，臨床常用采樣頻率為100KHz、50KHz等，因此系統數據處理應滿足高實時性的要求，算法設計應該注重效率。

（2）可擴展性

為了滿足系統升級擴展的需要，在設計軟件系統時必須考慮系統的可擴展性。軟件的維護是軟件設計生命周期中耗費時間最長的一部分工作之一，因此，良好的軟件設計可以保證軟件維護與升級工作量的減少，而模塊化的程序設計是一種很好的方法。

圖1 肌電/誘發電位軟件系統整體結構圖

（3）使用方便

一個軟件設計出來最終還是給用戶使用的，因此友好的操作界面與簡單的操作方法是評價一個軟件成功的 重要部分。

（4）可復用性

獨立的功能模塊的設計可以減少軟件的開發時間，降低開發與維護的成本。

3.軟件系統整體結構

肌電/誘發電位軟件系統是一個龐大的系統。根據臨床研究與應用的需要，肌電/誘發電位軟件系統可以分成以下八個部分：體感誘發電位軟件系統、聽覺誘發電位軟件系統、視覺誘發電位軟件系統、神經傳導研究軟件系統、肌電圖軟件系統、事件相關誘發電位軟件系統、自律神經系統測試軟件系統、術中監護軟件系統。軟件系整體統結構如圖1。

如圖1所示，各個子軟件系統又分別包含不同個數的小子系統。為了保證整個軟件系統的可擴展性與臨床使用的靈活性，各個子系統中的小子系統既能夠由主系統調用，又能夠獨立于主 系統單獨運行。體感誘發電位軟件系統主要研究用于確定周圍神經肌肉系統和中樞神經系統的功能狀態及可疑病變，檢出亞臨床病灶，對病損精確定位。對周圍神經疾病、脊髓病、脫髓鞘病、頸椎病、糖尿病、各類神經損傷、康復治療評價、感覺及運動功能評價 等的診察確定。聽覺誘發電位軟件系統主要研究用于聽力障礙的確診、定位診斷；評估患者從外耳到腦干聽通路的功能，常用于新生兒及嬰幼兒聽力檢查、器質性聾和功 能性聾的測定。視覺誘發電位軟件系統主要研究從視網膜神經節細胞到視皮層的功能狀態，提供對視通路的 客觀檢查方法。神經傳導研究軟件系統主要測試神經通路的狀態。肌電圖軟件系統主要用于顯示經過信號提取的肌電波形。事件相關誘發電位軟件系統主要根據相關事件標記對 肌電波形分析。術中監護軟件系統主要對術中需要監測的EMG、EP等進行保存回放、預警、報警。下面結合臨床應用研究，對臨床上最常用的測試項目進行詳細功能需求分析。

4.軟件系統主要部分的設計方案與實現

如本文第二部分所述，軟件系統的各個小子系統都被設計成能夠獨立運行的獨立模塊，因此每個子小系統的設計思路大同小異。子小系統整體結構如圖2，每個子小系統都應包含以下四個模塊：

（1）可視化圖形操作界面模塊

（2）數據采集存儲模塊

（3）數據特征提取模塊

（4）數據庫模塊

圖2中關于數據的存儲有兩個方案，一個是圖中標記為1的實線，另外一個是圖中標記為2的實線。方案1的設計思路是存儲從下位機采集上來的原始數據，方案2的設計思路是存儲經過處理后的干凈的數據。臨床研究需要對原始數據進行分析，因此我們采用第一種方案。

圖2 子小系統整體結構圖

4.1 設計思想

本軟件系統是采用Microsoft公司的基礎類庫MFC來進行開發的，該類庫提供一組通用的可重用的類庫供開發人員使用。MFC是面向對象程序設計與Application framework的完美結合，它將傳統的API進行了分類封裝，并且為用戶創建了程序的一般框架，簡單易用，能縮短開發的周期。利用面向對象程序設計的封裝性和多態性，該軟件系統采用模塊化程序設計方法，將一系列功能封裝成相應的模塊，方便軟件系統的維護與升級。另外，為了滿足軟件系統動態數據特性的要求，本系統擬采用動態數據處理方式，即根據初始設置的不同（例如通道數目、采樣頻率），動態的采集數據、保存數據、提取數據、顯示數據。動態數據量的概念貫穿整個系統運行的始終。

4.2 可視化圖形操作界面模塊

可視化圖形操作界面即軟件系統的操作界面，是人機交互的窗口。可視化圖形操作界面模塊主要負責軟件的所有人機交互功能及數據波形的顯示與處理功能。它的功能是否強大及操作是否簡便是評價整套軟件系統成功與否的重要部分。該軟件模需要實現的關鍵功能如表1。

4.3 數據采集存儲模塊

數據采集存儲模塊主要負責將從下位機接收的原始數據進行再處理，將其轉換成一定數據格式的數據文件進行存儲。該模塊的設計有兩個關鍵部分：1）下位機與上位機數據通信協議的設計；2）數據文件存儲格式的設計。

（1）下位機與上位機數據通信協議的設計

該軟件系統的通信協議包括上位機給下位機發的系統指令及下位機根據指令給上位機發送的數據包。上位機給下位機發的系統指令主要包括初始化時鐘、數據采集通道數、采樣頻率以及相關刺激參數等，一般為了保證數據包的準確性，上位機與下位機之間還應做數據校驗。下位機給上位機發的數據包包括詳細的數據信息。

為了保證通信協議設計的靈活性和方便擴展升級，我們將下位機發給上位機的數據包設計成不定長度的數據包，即數據包的數據量大小根據初始設置（采樣頻率與采集通道數目這兩個參數決定數據包數據量的大小）的不同而不同，還可以靈活的添加或刪除數據包信息，但每個數據包必須包含一定時間的數據量，例如在高采樣頻率下，每個數據包包含1ms時間的數據量。下位機與上位機通信協議的實現如下：

//數據傳輸接口:數據包的長度不固定，可變，每個包包含ms的數據量

typedef struct _TRANSFER_EPEMG_DATA

{

BYTE VersionLength;

//版本號與首部長

BYTE DataType;

//數據類型

BYTE SampleRate;

//采樣頻率

BYTE ChannelNum;

//通道數目

SYSTIME SysTime;

//系統時間：自定義時間結構體

WORD **ChannelData;

//通道數據：動態數據量

WORD EventMark[8];

表1 軟件模需要實現的關鍵功能

表2 數據文件存儲格式

//事件標志

}TRANSFER_EPEMG_DATA;

（2）數據文件存儲格式設計

數據的存儲與讀取是整個系統的重要部分。首先，文件格式要能適應不同數據量的文件存儲，例如在一次數據采集過程中數據量的大小是采樣頻率100KHz，通道數目是8通道，而在另外一次采集過程中，采樣頻率為50KHz，通道數目為4通道。文件格式要適應這種存儲與讀取不同數據量的能力。其次，存儲的數據要方便讀取。詳細的數據信息以及精確而快速的數據訪問能力是評價該文件系統是否能滿足要求的關鍵。數據文件存儲格式設計如表2。

這里一個文件被劃分為若干數據塊，各數據塊對應相應的地址，通過尋址可以方便的訪問數據。其中，Device block（設備快）包含該文件的文件頭信息以及Control block（控制塊）的信息，而Control block包含各控制子塊的地址信息，各控制子塊又相對應包含各Waveform block（波形塊）的地址信息。一個數據文件的存儲容量應該控制在一定大小之內，因此m、n的大小視具體情況而定。

在設計文件數據結構時，我們必須將文件中的數據格式設計成一維的動態數組。因為在計算機中給二維數組動態分配的內存空間是不連續的，而對文件的寫數據操作需要連續的內存空間。如果將文件中的數據設計成二維動態數組，那么寫文件操作將不會成功，讀取數據時將發生訪問內存空間出錯的錯誤。因此，在進行數據存儲時必須將從下位機接收的二維數組數據轉換成一維數組，而在讀取文件數據時必須將一維數據再轉換成二維數據進行處理。

（3）數據采集存儲模塊數據處理流程圖

數據采集存儲模塊數據處理流程圖如圖3所示。流程圖中每次處理的數據量為下位機給上位機發送的數據量，一般是N個數據包，N為正整數，大小視具體情況而定。在一次數據采集過程中，由于數據包數據量的大小是由采集前設定的參數動態決定的，因此文件數據塊的大小也是采集前動態確定的，但是每個文件數據塊都包含一定的時間長度的數據量。為了節省計算機內存空間，每個文件數據塊的內存空間都是在運行時動態創建的，存滿之后就釋放內存空間。圖3中的外循環指的是N個數據包的循環，內循環指的是每個數據包內部包含一定時間點數的數據循環。

4.4 數據特征提取模塊

圖3 數據采集存儲模塊數據處理流程圖

圖4 數據特征提取模塊數據處理流程圖

數據特征提取模塊主要負責原始數據的濾波消噪以及從強干擾中提取微弱肌電/誘發電位信號，它是整個數據處理流程中的關鍵部分。關于肌電/誘發電位信號的少次或單次提取，國內外有很多學者已經開始了這方面的研究。總的來說，現有的單次提取方法可以分成兩類：第一類是各種基于模板的線性時間不變（linear time invariant，LTI）模型。第二類是一些試圖重建EP的方法。然而在臨床實踐中，平均法盡管存在一些顯而易見的不足，但它仍然是最常用的分析方法。其中原因不僅涉及平均法操作的簡單性和產生數據的連貫性，也與神經生理學家對復雜技術的了解和應用有限、對先進技術的性價比不甚清楚有關。本文中筆者擬采用常規IIR濾波結合加權平均疊加方法來設計該模塊。數據特征提取模塊數據處理流程圖如圖4。

在對數據進行處理時，一般是處理從刺激點開始的數據，但是為了滿足IIR濾波的需要，我們會對刺激點前一段時間的數據進行處理。濾波時處理的數據量一般為一個數據包大小的數據量。由于在一次數據采集過程中數據包的數據量大小是隨初始設置的不同而不同的，因此數據處理時的數據接口也應該是動態的，設計數據接口時必須滿足數據量動態變化的需求。數據處理完用來顯示的數據必須是從刺激點開始的數據。

4.5 數據庫模塊

數據庫模塊主要負責整個系統信息的綜合管理，包括信息的存儲與讀取。這里信息主要包括病人信息、醫生信息、病人數據文件信息、病人報告信息。

5.結語

本方案目前已經通過了軟件測試，測試結果表明：該方案滿足了客戶對肌電/誘發電位采集軟件系統必須適應數據量動態變化的需求，實時性強，數據處理效率高。不定數據長度的通信數據包的設計，增強了系統的健壯性，方便系統升級擴展。動態文件數據結構與算法接口的設計滿足了系統對不同數據量自適應的智能化操。