基于LabVIEW的生命信息管理系統設計與研究

韋 哲 董思凡 呂克難 王能才

國家衛生和計劃生育委員會在2015年4月10日的例行新聞發布會上發布了《中國疾病預防控制工作進展報告》，回顧并總結了我國近10年的疾病預防控制工作。報告稱，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，慢性病致死的人數占到全國死亡人數的86.6%，而由慢性病所導致的疾病負擔占總疾病負擔的70%左右[1]。對于這類疾病，只有通過及時的診斷及治療才能有效地控制病情，而醫護人員經常因為無法獲得患者的實時體征信號而錯過最佳的治療時機[2-3]。因此，對心腦血管疾病患者提供遠程監護，將心電等與心腦血管疾病相關的人體體征的監護從床邊、醫院擴展到家庭，不僅可以減輕患者的經濟負擔，而且還能為患者提供最佳的治療時機[4-5]。本研究基于LabVIEW設計與研究生命信息管理系統，實現對手環式監測終端所測量的體征信號進行采集、處理、提取以及顯示，醫護人員通過該系統及時對監護人員進行相應的救護指導。

1 生命信息管理系統整體架構設計

生命信息管理系統采用遞進式結構進行設計，其具體操作流程為：系統管理者通過輸入用戶名和密碼信息進入程序主界面，主界面上可以實時觀測被監護人員的心電圖、體溫、心電及血氧飽和度，并且能通過對數據庫的查詢了解被監護人員的歷史體征數據。系統軟件流程如圖1所示。

圖1 生命信息管理系統軟件流程圖

1.1 登錄系統設計

登錄系統主要由LabVIEW中的while循環、事件結構以及條件結構搭建完成，在搭建的同時，有2個子虛擬儀器(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中的數據庫控件進行編程，搜索用戶名數據庫中的名稱進行核對。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中的數據傳輸控制協議模塊函數(transmission control protocol，TCP)，將手環式監測終端采集到的體征信號經過手機傳遞到上位機，以進行顯示及處理。對體征信號進行接收時，首先對網關參數進行配置，制定網絡端口與IP地址，再由“TCP Open Connection.VI”打開由網絡端口和網絡互連協議(internet protocol，IP)地址制定的TCP網絡連接。連接建立之后，由“TCP Read.VI”節點讀出指定長度的IP數據包，當“TCP Read.VI”接收到數據后，立即將其讀出，避免接收到的體征信號堆積在緩沖區當中。完成信號傳輸之后，使用“TCP Clouse Connection.VI”關閉連接并釋放資源。接收模塊的整體設計如圖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動等原因也會產生一定的誤差，如心電和體溫信號，這些誤差需要經過上位機作進一步處理。而對于血氧飽和度不僅要對采集到的脈搏波信號進行降噪處理，還需要通過計算才能得出最終的血氧飽和度數值。

2.1 心電信號的降噪處理

采集心電信號時產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。屬于一種瞬時干擾，其原因是手環式監測終端與監護人員的接觸不良，此種連接問題可能為瞬時：①被監護人員的活動導致裝置的松動；②可以將這種噪聲近似地認為是隨機快速變化的階躍信號，其特征值包括初始瞬態振幅和頻率的振幅分量和衰減時間常數；③持續時間為1 s，幅值可以達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生的毫伏級的電壓，會在心電圖上顯示為細小的波紋，將會導致心電圖的失真，因此在測試的過程當中，應盡量避免不必要的運動。

(3)呼吸引起的基線漂移。由于呼吸所導致的基線隨時間緩慢而有規律的變化，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濾波、平滑濾波及小波變換。小波變換降噪方法在時變信號分析方面有其優越性，核心思想是將信號分解到不同的尺度上進行處理，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，其實質就是帶通濾波[9-10]。小波變換的特點是多分辨率分析，在時域和頻域都可以對信號的局部信息進行表征，在生物醫學信號處理領域應用非常廣泛。

對于時間連續的信號，小波序列的計算為公式1：

式中a為伸縮因子；b為平移因子。

對于任意函數f(t)∈L2(R)的連續小波變換的計算為公式2：

式中Ψ為小波母函數，為了在數學上使用方便，其計算定義為公式3：

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

雖然小波變換的理論看起來較復雜，但在LabVIEW中有相應封裝的小波降噪的控件，即WA Denoise.VI。在此控件中，可以對閾值進行設定，同時還能對小波的類型以及小波的分解層數進行設置。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小波，并進行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中也存在復雜的噪聲成分，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運動偽差，由于監護人員的運動所導致的血液過于充盈，從而導致光程的變化，會直接影響血氧飽和度監測的精度；③肌電干擾，其產生原因是肌肉收縮所產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狀態；④傳感器接觸噪聲，其產生原因是傳感器和皮膚之間的不穩定接觸，這會造成階躍性的信號下降；⑤電磁設備干擾，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行處理。不同于心電信號的是，此次使用Daubechies2(dB02)小波，其與實際的脈搏波信號有更高的相似度。此外，通過設定不同的趨勢級別并進行比較，最終將趨勢的級別定為8。由于來自下位機的數據被分成2個通道，且初始的采樣頻率為100 Hz，因此每個通道的采樣頻率變為50 Hz，故dt的輸入時間間隔為0.02 s。對于低頻段的基線干擾，采用線性擬合的方法進行降噪處理，其原理是采用擬合的方法估計出基線漂移的曲線，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，受個體差異等因素的影響也比較大。經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律體現著一定的周期性，在對這樣的脈搏波形進行特征提取之前，需要識別出每一個單周期的波形。由于采集的脈搏波是由連續不斷的單周期波組成，因此如果能識別出每個單周期波的起點，就能分別識別出每個周期波。然后，再在單個周期波內提取脈搏波的最大值與最小值來計算血氧飽和度，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，可以直接實現對超過閾值的有效波峰進行定位，并給出索引的功能。為了保險起見，閾值選取為波形數據中最大值的一半。索引的定位結果就是求導后波形的最大值的位置信息，對應著每個單周期脈搏波形的起始點，這也就實現了對脈搏波的單周期分割，接下來只要在每個單周期波形內檢測出最大值和最小值就可以進行血氧飽和度的計算了。

(3)血氧飽和度的計算及降噪。光電檢測法是目前主流的無創血氧飽和度檢測法，但此法如果直接應用到測量中，會造成很大的誤差，這是因為其忽略了靜脈、骨骼等人體結構對入射光的吸收和散射作用的影響[11-12]。因此，本研究結合基于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行無創血氧飽和度監測[13-14]。

因反射和透射光強隨著心臟搏動會發生周期性變化，故將透射光的最強值記為Imax，最小值記為Imin，通過記錄透射光強的最大值與最小值，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，給定波長的光強為I0的入射光垂直照射時，得到的透射光強為公式5：

當考慮動脈搏動時，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對傳輸部位透射可得公式7：

式中Q=ΔW1/ΔW。

當動脈搏動時，透射光強由最大值Imax減少了ΔImax，達到最小值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就可得到計算血氧的線性公式。因此，只要測得2個波長透射光強的最大、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是輸出為數字信號且無需計算，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，所以采用八點平均的方式進行降噪。

3 生命體征信號的存儲

實行遠程監護時，大量監護人員的體征信號會傳遞到生命信息管理系統，為了對所接收到的信息進行更好的管理，需要一個專門的數據庫來管理監護人員的生命體征信息。

3.1 Access數據庫

Access是Microsoft office辦公套裝軟件中重要的組成部分。該數據庫以其功能強大、易學易用、界面友好等特點備受青睞，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數據庫包含了更強大的工具，可以幫助用戶在可管理的環境中快速跟蹤、報告和共享信息，了解有關新功能和改進功能的詳細信息。Access的導入、導出和處理XML數據文件的功能，為用戶提供了一個數據庫應用系統開發的理想環境，此外，Access數據庫所提供的工具既實用又方便，同時還能夠獲得高效的數據處理能力。Access的最大特點就是易于使用且功能強大，如今Access已成為被廣泛使用的桌面數據庫管理系統[13]。

3.2 LabVIEW與數據庫的連接

在很多應用開發中都要使用到數據庫的訪問，但是，本研究所使用的LabVIEW本身不具有數據庫訪問的功能，其解決方法如下。

(1)購買NI公司的LabVIEW AddOns中的數據庫接口工具包LabVIEW SQLToolkit進行數據庫訪問。該工具包不需要使用SQL語言就能快速實現本地和遠程數據庫的連接，其支持當前流行的數據庫，包括Microsoft Access，Microsoft SQL Sever以及Oracle等。優點是操作簡單，且用戶不需要學習SQL語法；缺點是工具包過于昂貴。

(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，實現數據庫的間接訪問。

(3)通過中間文件存取數據，也就是先將數據存儲于文件當中，日后再將數據導入數據庫。

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

LabSQL作為一系列封裝的VI，通過Microsoft ADO以及SQL語言訪問數據庫，即使不熟悉SQL語言的用戶也可以很方便的使用該系列VI進行數據庫的連接，不需要太復雜的編程就能通過LabSQL在LabVIEW中訪問數據庫。雖然LabSQL具有上述優點，但也存在不足。由于LabSQL不是NI公司官方提供的控件，因此當數據量過大時，使用LabSQL進行數據庫連接會經常出現莫名的錯誤，導致程序無法運行，故當數據量較小時，選擇LabSQL進行編程非常方便，這就是在1.1登錄系統的設計中讀取用戶子VI中使用LabSQL的原因。而本研究主程序所采集到的數據量較大的情況，需使用NI公司提供的DB(Data Base)工具包進行數據庫連接。使用DB工具包進行數據庫連接的程序如圖6所示。

圖6 數據庫連接示圖

4 結語

本研究設計的生命信息管理系統，通過TCP/IP協議搭建了體征信號接收模塊，通過LabVIEW實現了對體溫、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行降噪處理，達到了預期的效果。本研究還對血氧飽和度的無創檢測方法做了探究，通過LabVIEW對采集到的脈搏波信號作進一步的計算處理，最終通過計算得出血氧飽和度。在計算的過程當中，使用了小波變換對采集到的脈搏波信號進行了處理，在最終的結果中，使用了移動平均法對血氧飽和度數值進行了處理，使得到的結果更加精準。通過LabVIEW中的DB控件實現了與Access數據庫的連接，并實現了體征信號的存儲與讀取。

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