肌電/誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)方案設(shè)計

廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 張育俊 杜玉曉

1.引言

肌電/誘發(fā)電位目前已廣泛的應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)研究，緊急護(hù)理，手術(shù)室監(jiān)控，神經(jīng)系統(tǒng)損傷及病變的診斷等領(lǐng)域[3-4]。誘發(fā)電位信號中包含了豐富的有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)傳導(dǎo)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(jīng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)及其延遲，從而反映了神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)和變化，有“窺視精神之窗”之稱。

近年來，國內(nèi)的公司在肌電/誘發(fā)電位系統(tǒng)的研究與開發(fā)方面雖然有長足的進(jìn)步，但是在系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面跟國外大公司相比仍有一定的差距。為此，筆者結(jié)合臨床研究與應(yīng)用的需要，提出了一種肌電/誘發(fā)電位系統(tǒng)的軟件整體設(shè)計方案及軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法。

2.系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)

（1）高實(shí)時性

肌電/誘發(fā)電位信號十分微弱，干擾特別強(qiáng)，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(tǒng)數(shù)據(jù)處理應(yīng)滿足高實(shí)時性的要求，算法設(shè)計應(yīng)該注重效率。

（2）可擴(kuò)展性

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

圖1 肌電/誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

（3）使用方便

一個軟件設(shè)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(fù)用性

獨(dú)立的功能模塊的設(shè)計可以減少軟件的開發(fā)時間，降低開發(fā)與維護(hù)的成本。

3.軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

肌電/誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)。根據(jù)臨床研究與應(yīng)用的需要，肌電/誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)可以分成以下八個部分：體感誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)、聽覺誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)、視覺誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)、神經(jīng)傳導(dǎo)研究軟件系統(tǒng)、肌電圖軟件系統(tǒng)、事件相關(guān)誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)、自律神經(jīng)系統(tǒng)測試軟件系統(tǒng)、術(shù)中監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)。軟件系整體統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

如圖1所示，各個子軟件系統(tǒng)又分別包含不同個數(shù)的小子系統(tǒng)。為了保證整個軟件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與臨床使用的靈活性，各個子系統(tǒng)中的小子系統(tǒng)既能夠由主系統(tǒng)調(diào)用，又能夠獨(dú)立于主 系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行。體感誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)主要研究用于確定周圍神經(jīng)肌肉系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能狀態(tài)及可疑病變，檢出亞臨床病灶，對病損精確定位。對周圍神經(jīng)疾病、脊髓病、脫髓鞘病、頸椎病、糖尿病、各類神經(jīng)損傷、康復(fù)治療評價、感覺及運(yùn)動功能評價 等的診察確定。聽覺誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)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(zhì)性聾和功 能性聾的測定。視覺誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)主要研究從視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞到視皮層的功能狀態(tài)，提供對視通路的 客觀檢查方法。神經(jīng)傳導(dǎo)研究軟件系統(tǒng)主要測試神經(jīng)通路的狀態(tài)。肌電圖軟件系統(tǒng)主要用于顯示經(jīng)過信號提取的肌電波形。事件相關(guān)誘發(fā)電位軟件系統(tǒng)主要根據(jù)相關(guān)事件標(biāo)記對 肌電波形分析。術(shù)中監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)主要對術(shù)中需要監(jiān)測的EMG、EP等進(jìn)行保存回放、預(yù)警、報警。下面結(jié)合臨床應(yīng)用研究，對臨床上最常用的測試項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)功能需求分析。

4.軟件系統(tǒng)主要部分的設(shè)計方案與實(shí)現(xiàn)

如本文第二部分所述，軟件系統(tǒng)的各個小子系統(tǒng)都被設(shè)計成能夠獨(dú)立運(yùn)行的獨(dú)立模塊，因此每個子小系統(tǒng)的設(shè)計思路大同小異。子小系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2，每個子小系統(tǒng)都應(yīng)包含以下四個模塊：

（1）可視化圖形操作界面模塊

（2）數(shù)據(jù)采集存儲模塊

（3）數(shù)據(jù)特征提取模塊

（4）數(shù)據(jù)庫模塊

圖2中關(guān)于數(shù)據(jù)的存儲有兩個方案，一個是圖中標(biāo)記為1的實(shí)線，另外一個是圖中標(biāo)記為2的實(shí)線。方案1的設(shè)計思路是存儲從下位機(jī)采集上來的原始數(shù)據(jù)，方案2的設(shè)計思路是存儲經(jīng)過處理后的干凈的數(shù)據(jù)。臨床研究需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此我們采用第一種方案。

圖2 子小系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

4.1 設(shè)計思想

本軟件系統(tǒng)是采用Microsoft公司的基礎(chǔ)類庫MFC來進(jìn)行開發(fā)的，該類庫提供一組通用的可重用的類庫供開發(fā)人員使用。MFC是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計與Application framework的完美結(jié)合，它將傳統(tǒng)的API進(jìn)行了分類封裝，并且為用戶創(chuàng)建了程序的一般框架，簡單易用，能縮短開發(fā)的周期。利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的封裝性和多態(tài)性，該軟件系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計方法，將一系列功能封裝成相應(yīng)的模塊，方便軟件系統(tǒng)的維護(hù)與升級。另外，為了滿足軟件系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)特性的要求，本系統(tǒng)擬采用動態(tài)數(shù)據(jù)處理方式，即根據(jù)初始設(shè)置的不同（例如通道數(shù)目、采樣頻率），動態(tài)的采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、提取數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)量的概念貫穿整個系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)的操作界面，是人機(jī)交互的窗口?？梢暬瘓D形操作界面模塊主要負(fù)責(zé)軟件的所有人機(jī)交互功能及數(shù)據(jù)波形的顯示與處理功能。它的功能是否強(qiáng)大及操作是否簡便是評價整套軟件系統(tǒng)成功與否的重要部分。該軟件模需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能如表1。

4.3 數(shù)據(jù)采集存儲模塊

數(shù)據(jù)采集存儲模塊主要負(fù)責(zé)將從下位機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，將其轉(zhuǎn)換成一定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲。該模塊的設(shè)計有兩個關(guān)鍵部分：1）下位機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的設(shè)計；2）數(shù)據(jù)文件存儲格式的設(shè)計。

（1）下位機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的設(shè)計

該軟件系統(tǒng)的通信協(xié)議包括上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)的系統(tǒng)指令及下位機(jī)根據(jù)指令給上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)的系統(tǒng)指令主要包括初始化時鐘、數(shù)據(jù)采集通道數(shù)、采樣頻率以及相關(guān)刺激參數(shù)等，一般為了保證數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性，上位機(jī)與下位機(jī)之間還應(yīng)做數(shù)據(jù)校驗(yàn)。下位機(jī)給上位機(jī)發(fā)的數(shù)據(jù)包包括詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息。

為了保證通信協(xié)議設(shè)計的靈活性和方便擴(kuò)展升級，我們將下位機(jī)發(fā)給上位機(jī)的數(shù)據(jù)包設(shè)計成不定長度的數(shù)據(jù)包，即數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量大小根據(jù)初始設(shè)置（采樣頻率與采集通道數(shù)目這兩個參數(shù)決定數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量的大?。┑牟煌煌€可以靈活的添加或刪除數(shù)據(jù)包信息，但每個數(shù)據(jù)包必須包含一定時間的數(shù)據(jù)量，例如在高采樣頻率下，每個數(shù)據(jù)包包含1ms時間的數(shù)據(jù)量。下位機(jī)與上位機(jī)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)如下：

//數(shù)據(jù)傳輸接口:數(shù)據(jù)包的長度不固定，可變，每個包包含ms的數(shù)據(jù)量

typedef struct _TRANSFER_EPEMG_DATA

{

BYTE VersionLength;

//版本號與首部長

BYTE DataType;

//數(shù)據(jù)類型

BYTE SampleRate;

//采樣頻率

BYTE ChannelNum;

//通道數(shù)目

SYSTIME SysTime;

//系統(tǒng)時間：自定義時間結(jié)構(gòu)體

WORD **ChannelData;

//通道數(shù)據(jù)：動態(tài)數(shù)據(jù)量

WORD EventMark[8];

表1 軟件模需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能

表2 數(shù)據(jù)文件存儲格式

//事件標(biāo)志

}TRANSFER_EPEMG_DATA;

（2）數(shù)據(jù)文件存儲格式設(shè)計

數(shù)據(jù)的存儲與讀取是整個系統(tǒng)的重要部分。首先，文件格式要能適應(yīng)不同數(shù)據(jù)量的文件存儲，例如在一次數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)量的大小是采樣頻率100KHz，通道數(shù)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(shù)目為4通道。文件格式要適應(yīng)這種存儲與讀取不同數(shù)據(jù)量的能力。其次，存儲的數(shù)據(jù)要方便讀取。詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息以及精確而快速的數(shù)據(jù)訪問能力是評價該文件系統(tǒng)是否能滿足要求的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)文件存儲格式設(shè)計如表2。

這里一個文件被劃分為若干數(shù)據(jù)塊，各數(shù)據(jù)塊對應(yīng)相應(yīng)的地址，通過尋址可以方便的訪問數(shù)據(jù)。其中，Device block（設(shè)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(yīng)包含各Waveform block（波形塊）的地址信息。一個數(shù)據(jù)文件的存儲容量應(yīng)該控制在一定大小之內(nèi)，因此m、n的大小視具體情況而定。

在設(shè)計文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，我們必須將文件中的數(shù)據(jù)格式設(shè)計成一維的動態(tài)數(shù)組。因?yàn)樵谟嬎銠C(jī)中給二維數(shù)組動態(tài)分配的內(nèi)存空間是不連續(xù)的，而對文件的寫數(shù)據(jù)操作需要連續(xù)的內(nèi)存空間。如果將文件中的數(shù)據(jù)設(shè)計成二維動態(tài)數(shù)組，那么寫文件操作將不會成功，讀取數(shù)據(jù)時將發(fā)生訪問內(nèi)存空間出錯的錯誤。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時必須將從下位機(jī)接收的二維數(shù)組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組，而在讀取文件數(shù)據(jù)時必須將一維數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成二維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（3）數(shù)據(jù)采集存儲模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)采集存儲模塊數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。流程圖中每次處理的數(shù)據(jù)量為下位機(jī)給上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，一般是N個數(shù)據(jù)包，N為正整數(shù)，大小視具體情況而定。在一次數(shù)據(jù)采集過程中，由于數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量的大小是由采集前設(shè)定的參數(shù)動態(tài)決定的，因此文件數(shù)據(jù)塊的大小也是采集前動態(tài)確定的，但是每個文件數(shù)據(jù)塊都包含一定的時間長度的數(shù)據(jù)量。為了節(jié)省計算機(jī)內(nèi)存空間，每個文件數(shù)據(jù)塊的內(nèi)存空間都是在運(yùn)行時動態(tài)創(chuàng)建的，存滿之后就釋放內(nèi)存空間。圖3中的外循環(huán)指的是N個數(shù)據(jù)包的循環(huán)，內(nèi)循環(huán)指的是每個數(shù)據(jù)包內(nèi)部包含一定時間點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)循環(huán)。

4.4 數(shù)據(jù)特征提取模塊

圖3 數(shù)據(jù)采集存儲模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 數(shù)據(jù)特征提取模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)特征提取模塊主要負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)的濾波消噪以及從強(qiáng)干擾中提取微弱肌電/誘發(fā)電位信號，它是整個數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵部分。關(guān)于肌電/誘發(fā)電位信號的少次或單次提取，國內(nèi)外有很多學(xué)者已經(jīng)開始了這方面的研究?？偟膩碚f，現(xiàn)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(shí)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(chǎn)生數(shù)據(jù)的連貫性，也與神經(jīng)生理學(xué)家對復(fù)雜技術(shù)的了解和應(yīng)用有限、對先進(jìn)技術(shù)的性價比不甚清楚有關(guān)。本文中筆者擬采用常規(guī)IIR濾波結(jié)合加權(quán)平均疊加方法來設(shè)計該模塊。數(shù)據(jù)特征提取模塊數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4。

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，一般是處理從刺激點(diǎn)開始的數(shù)據(jù)，但是為了滿足IIR濾波的需要，我們會對刺激點(diǎn)前一段時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。濾波時處理的數(shù)據(jù)量一般為一個數(shù)據(jù)包大小的數(shù)據(jù)量。由于在一次數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量大小是隨初始設(shè)置的不同而不同的，因此數(shù)據(jù)處理時的數(shù)據(jù)接口也應(yīng)該是動態(tài)的，設(shè)計數(shù)據(jù)接口時必須滿足數(shù)據(jù)量動態(tài)變化的需求。數(shù)據(jù)處理完用來顯示的數(shù)據(jù)必須是從刺激點(diǎn)開始的數(shù)據(jù)。

4.5 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)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(yī)生信息、病人數(shù)據(jù)文件信息、病人報告信息。

5.結(jié)語

本方案目前已經(jīng)通過了軟件測試，測試結(jié)果表明：該方案滿足了客戶對肌電/誘發(fā)電位采集軟件系統(tǒng)必須適應(yīng)數(shù)據(jù)量動態(tài)變化的需求，實(shí)時性強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理效率高。不定數(shù)據(jù)長度的通信數(shù)據(jù)包的設(shè)計，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性，方便系統(tǒng)升級擴(kuò)展。動態(tài)文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法接口的設(shè)計滿足了系統(tǒng)對不同數(shù)據(jù)量自適應(yīng)的智能化操。