基于LabVIEW的尿意檢測及預警系統設計

黨冉 杜長龍 馬妍 秦坦真 韓成春 陳豹

摘 要：人體肌肉表面電信號是一種相當復雜的弱信號。本文在對肌肉表面電信號研究的基礎上，根據肌肉表面電信號的特點，利用LabVIEW設計開發了一套尿液檢測預警系統，基于LabVIEW編程實現。通過該系統可以對腹直肌表面電信號進行時域分析和數據采集，得到積分肌電值（Xiemg）、方差（VAR），并根據其變化趨勢做出尿意判斷。實驗結果表明，該系統具有靈活可靠、信號采集準確、數據處理能力強等特點。

關鍵詞：尿意檢測;LabVIEW;腹直肌電信號

表面肌電信號（sEMG）是神經系統支配肌肉活動時伴隨產生的電信號的綜合效應，因具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點，所以表面肌電信號在臨床、康復等領域有著重要的價值[1-2]。隨著尿動力學的發展，侵入性的檢查方式因無法有效保護病人隱私和避免生理性反應，所以非侵入性的肌電圖測定在尿失禁的臨床檢查和康復治療領域有著廣闊的應用前景[3-4]。在我國當前失禁護理領域，迫切需要對失禁的老人進行智能監控和預警，避免尿失禁引起的其他問題，對于減輕護理人員的工作壓力和病人的心理壓力有著重要的意義。根據尿失禁患者護理的具體要求，設計開發一套基于LabVIEW的尿檢測預警系統。

一、系統方案設計

在對腹直肌表面肌電信號研究基礎上所設計開發的基于LabVIEW的尿意檢測及預警系統，包括信號采集模塊、信號分析以及數據存儲模塊三部分組成。根據采集的腹肌表面機電信號計算綜合積分肌電值（Xiemg）、方差（VAR），并根據分析其變化趨勢對是否產生尿意做出預測。

二、系統硬件設計

（一）單片機最小系統設計

系統采用TI公司的MSP430F149微處理器作為主控芯片，MSP430F149微處理器是一種新型的混合信號處理器，適合開發和設計單片機最小系統等優點。MSP430F149微處理器自帶12位ADC，具有低電壓、超低功耗、集成度高等特點，適合開發可穿戴設備。

（二）信號調理電路設計

該系統信號調理電路包括前置放大電路、帶通濾波電路、工頻陷波電路和電平抬升電路等四部分組成。

（1）前置放大電路：選用ADI公司生產的儀用放大器AD620，該放大器具有高精度、低失調電壓、低失調漂移等特性適用于精密數據采集系統[5]，根據AD620增益計算的前置放大電路增益約為10倍。（2）帶通濾波電路：腹直肌表面肌電信號主要集中在0～500Hz，故本系統采用截止頻率為072Hz的高通濾波器和截止頻率為530.9Hz的低通波器組成帶通濾波器。（3）工頻陷波電路：腹直肌表面肌電信號主要集中在0～500Hz，主要能量集中在50～150Hz。50Hz工頻干擾位于信號能量最集中的地方。因此采用雙T型有源陷波器，有效濾除50Hz的工頻信號，同時保留有用信號。（4）電平抬升電路：MSP430F149單片機A/D轉換的輸入電壓范圍為0～2.5V，電平抬升電路使信號電壓抬升1.5V左右便于單片機進行A/D轉換。

三、系統軟件設計

（一）時域內信號分析

在對腹直肌表面肌電信號綜合積分肌電值（Xiemg）和方差（VAR）計算的基礎上，對上述特征值的變化趨勢計算，若呈現下降趨勢則可認為有尿意產生[6]。其中：腹直肌表面肌電信號綜合積分肌電值（Xiemg）的計算公式為：

（二）單片機軟件程序設計

MSP430F149微處理器的軟件開發采用C語言編程，其開發環境為IAR for MSP430。軟件開發采用模塊化設計，包括A/D轉換子程序、ADC中斷服務程序、串口發送數據子程序等。MSP430F149微處理器通過A/D轉換將采集到的表面肌電信號進行模數轉換，通過串口將數據實時傳送到上位機，其MSP430F149軟件程序流程圖如圖1所示。

（三）上位機軟件程序設計

上位機監測預警系統軟件采用LabVIEW圖形化編程軟件，它提供了豐富的VISA和數據處理的工具，大大提高了開發效率。上位機通過配置好的串口實時讀取下位機發送的數據，在生產者循環內實時解析并壓入隊列中，在消費者循環計算、顯示綜合積分肌電值（Xiemg）和方差（VAR），根據綜合積分肌電值（Xiemg）和方差（VAR）變化趨勢判斷被測試人員是否產生尿意，判斷通過前面板一個布爾型控件顯示，其LabVIEW尿意檢測預警系統界面如圖2所示。

四、結語

本系統根據尿失禁患者護理的具體要求，設計開發了一種簡單易型尿意檢測及預警系統。在一定程度上做到了從腹肌信號來分析和判斷對失禁患者尿意，但也有不足之處，沒有考慮到人體在運動時腹直肌表面電信號變化對尿意檢測的影響，后期可通過對人體在不同狀態下腹直肌表面電信號建立數學模型，進一步增加預測的準確率。

參考文獻：

[1]查理.肌電假手的研究進展[J].國防科技，2007：6-13.

[2]王健，金德聞.康復醫學領域的表面肌電應用研究[J].中國康復醫學雜志，2006，21（1）：6-7.

[3]Wheele JS Jr，Walter JS，Zaszczurynski PJ.Bladder inhibition by penile nerve stimulation in spinal cord injury patients[J].Urol，1992，147：100-103.

[4]Kurstjens GAM，Borau A，Rodriguez A，et al.Intraoperative recording of electroneurographic signals from cuff electrodes on extradural sacral roots in spinal cord injured patients[J].Urol，2005，174：1482-1487.

[5]王樹振，單威，宋玲玲.AD620儀用放大器原理與應用[J].微處理機，2008（04）.

[6]王喜太，耿艷娟，李立峰，等.腹肌表面肌電信號與儲尿排尿的相關性分析[J].中國康復理論與實踐，2008.