基于DSP的生物醫(yī)學信號處理實驗平臺設計

劉毅飛

基于DSP的生物醫(yī)學信號處理實驗平臺設計

劉毅飛

目的：設計一個實驗平臺，使生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生可以學習在數(shù)字信號處理器（DSP）上處理生物醫(yī)學信號的方法。方法：采用數(shù)字化心電信號作為實驗平臺的數(shù)據(jù)源，在現(xiàn)有的DSP實驗平臺上設計完成各種生物醫(yī)學信號處理算法。結果：在實驗平臺上開發(fā)了心電發(fā)生器、濾波、壓縮、頻譜分析、心率檢測等實驗，同時將此實驗平臺作為學習生物醫(yī)學信號處理儀器設計的原型，取得了良好的教學效果。結論：學生使用基于DSP的生物醫(yī)學信號處理實驗平臺既能夠學習和深刻理解生物醫(yī)學信號處理的算法，還能夠學習如何使用DSP來實現(xiàn)這些算法，教學效果顯著，但仍有待于進一步完善。

生物醫(yī)學信號處理；DSP；實驗平臺

0 引言

生物醫(yī)學信號處理是生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門非常重要的核心課程，為了幫助學生學好這門課程，美國 Wisconsin-Madison大學的 Willis J Tompkins開發(fā)了基于PC平臺的DigiScope軟件，作為生物醫(yī)學信號處理的實驗教學平臺[1]，使學生能在PC機上更加直觀地學習和理解生物醫(yī)學信號處理的原理和一些基本算法。

數(shù)字信號處理器（DSP）由于具有哈佛結構、硬件乘加機構、流水線操作等特點，從而具有高速完成生物醫(yī)學信號處理的能力[2]，所以，使用DSP作為處理器的醫(yī)學儀器產品越來越普遍[3-5]。正是因為DSP在醫(yī)療儀器中作為信號處理的核心且應用日益廣泛，越來越多的高校為了幫助生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生學習DSP技術，也開辦了DSP課程及實驗教學。

目前存在的問題一方面是在生物醫(yī)學信號處理的實驗課程中采用的是將生物醫(yī)學信號作為處理對象，但實驗教學是基于PC平臺[6]。另一方面，目前的DSP課程的理論教材和實驗平臺主要是針對電子和通信專業(yè)方向的學生，基本上都是以音頻信號作為處理對象。但是生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生接觸的是生物醫(yī)學信號，而生物醫(yī)學信號具有一些不同于音頻信號的特點，比如頻率低、幅值小、隨機性強、易受噪聲干擾等[7]。為了幫助學生學會在DSP上處理生物醫(yī)學信號，我們將生物醫(yī)學信號處理和DSP實驗相結合，設計了基于DSP的醫(yī)學信號實驗平臺。

1 實驗平臺的開發(fā)

1.1 生物醫(yī)學信號的數(shù)據(jù)來源

PhysioBank[8-9]上目前提供了超過50個生理數(shù)據(jù)庫，包括多參數(shù)生理信號、心電、醫(yī)學圖像等數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)既可以免費供研究使用，又可以為生物醫(yī)學信號處理的教學和實驗所用。在這些數(shù)據(jù)庫中，由麻省理工大學和美國國立衛(wèi)生研究院（MIT-BIH）開發(fā)的心電數(shù)據(jù)庫廣泛地應用于生物醫(yī)學信號處理研究和教學中，DigiScope實驗平臺也使用這個數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源?；贛IT-BIH心電數(shù)據(jù)庫的權威性，我們的實驗教學平臺也采用這個心電數(shù)據(jù)庫作為實驗數(shù)據(jù)源。

1.2 生物醫(yī)學信號處理的算法及實現(xiàn)

DigiScope實驗平臺對應的理論教材[10-11]以心電信號為例講述了生物醫(yī)學信號處理的一些基本算法，包括心電濾波、心電信號壓縮、心電信號的頻譜與功率譜分析、心率的計算等。我們的實驗平臺采用

C語言在DSP上開發(fā)并完成這些算法。

1.3 DSP實驗平臺

DSP實驗平臺基于DES3200實驗箱，實驗平臺的硬件模塊如圖1所示。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320VC5416，這個系列的芯片特別適合生理信號處理。實驗箱上還提供了液晶顯示，TLC320 AC01模數(shù)/數(shù)模轉換等外部設備可以實現(xiàn)生物醫(yī)學信號采集和顯示等功能。實驗軟件平臺是CCS2.1集成開發(fā)環(huán)境，這個開發(fā)環(huán)境提供了圖形顯示工具，可以非常直觀地顯示信號的時域和頻域圖形，幫助學生深入理解信號處理的原理。

圖1 DSP的生物醫(yī)學信號實驗平臺的硬件模塊

2 開發(fā)的實驗項目與實驗結果

2.1 實驗項目

根據(jù)上面所述的生物醫(yī)學信號處理的算法，我們在DSP生物醫(yī)學信號處理平臺上開發(fā)了相關的實驗項目，這些實驗項目見表1。

表1 基于DSP的生物醫(yī)學信號處理平臺的實驗項目表

2.2 實驗結果

由于CCS開發(fā)環(huán)境的強大功能，大部分實驗項目可以使用CCS的圖形工具直觀地觀察到生物醫(yī)學信號處理前后的時域和頻域圖形。以心電信號的濾波和心率檢測為例，圖2和圖3是采用FIR算法對心電信號進行濾波的實驗結果，圖2顯示的是MIT-BIH上的心電數(shù)據(jù)117.dat的心電信號，圖3則是采用FIR算法對圖2的信號進行平滑濾波的結果。圖4和圖5是采用模板匹配法檢測心率的實驗結果，圖4顯示的是MIT-BIH上的心電數(shù)據(jù)122.dat的心電信號，圖5顯示的是采用歸一化互相關算法進行模板匹配后的相關系數(shù)顯示，對相關系數(shù)設定合適閾值就可以檢測心率。（圖2～圖5的橫坐標為時間，單位為1/200 s，表示信號采樣頻率為200次/s。為了便于顯示，圖2～圖4的縱坐標將信號幅值放大410倍，單位為1/410 V，圖5則將相關系數(shù)的結果擴大了128倍）。

3 實驗平臺的使用效果

圖2 MIT-BIH心電數(shù)據(jù)117.dat的心電信號顯示

圖3 MIT-BIH心電數(shù)據(jù)117.dat經FIR平滑濾波后的圖形

在基于DSP的醫(yī)學信號處理實驗平臺上從事實驗，提高了學生的學習效果，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）在DSP上重新完成以前在PC機上實現(xiàn)的生物醫(yī)學信號處理的算法，并借助開發(fā)環(huán)境的圖形顯示出信號的時域和頻域圖形，可以幫助學生進一步深入理解生物醫(yī)學信號處理的方法和原理。

（2）采用生物醫(yī)學上的心電信號作為處理對象，并在醫(yī)學儀器上廣泛使用的以DSP芯片作為核心的實驗平臺上實現(xiàn)，將理論和實踐緊密地結合起來，使學生認識到了理論課程的作用，學習興趣也得到了提高。

（3）在幫助學生學習生物醫(yī)學信號處理的原理的同時，此實驗平臺可以作為基于DSP的醫(yī)學儀器的原型。學生在這個實驗平臺上進行實驗可以學習到DSP的基本原理和其在醫(yī)學儀器中的應用，熟悉基于DSP的醫(yī)學儀器的設計開發(fā)的過程，還可以在這個實驗平臺上從事課程設計和畢業(yè)設計，為今后從事基于DSP的醫(yī)學儀器的設計和開發(fā)打下較好的基礎。

4 結論

我們在基于DSP的生物醫(yī)學信號實驗教學平臺上進行教學實踐，取得了較好的教學效果。下一步的工作主要在于2個方面：（1）在現(xiàn)有的主要進行信號處理的基礎上加強信號采集實驗；（2）目前，此實驗平臺的生理信號僅僅采用心電信號，在以后的工作中，我們會將生理信號處理的對象擴充到腦電、心音等其他信號。

[1]Tompkins W J.UW DigiScope[EB/OL].[2011-10-06].http://sourceforge.net/projects/digiscope/.

[2]張雄偉，曹鐵勇，陳亮，等.DSP芯片的原理與開發(fā)應用[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2009：5-6.

[3]Texas Instruments Incorporated.Diagnostic，Patient Monitoring and Therapy Applications Guide[R].Texas：Texas Instruments Incorporated，2010.

[4]Texas Instruments Incorporated.Consumer Medical Applications Guide[R].Texas：Texas Instruments Incorporated，2010.

[5]Texas Instruments Incorporated.Medical Applications Guide[R]. Texas：Texas Instruments Incorporated，2010.

[6]Tompkins W J，Wilson J.Software for biomedical engineering signal processing laboratory experiments[C]//Annual International Conference of the IEEE on Engineering in Medicine and Biology Society. Minneapolis：IEEE，2009：2 008-2 010.

[7]林家瑞.微機式醫(yī)學儀器設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2004：4.

[8]PhysioNet.MIT-BIH Arrhythmia Database[EB/OL].[2011-12-08]. http：//www.physionet.org/.

[9]GoldbergerAL，AmaralLAN，GlassL，etal.PhysioBank，PhysioToolkit，and PhysioNet：Components of a New Research Resource for ComplexPhysiologicSignals[J].Circulation，101（23）：e215-e220.

[10]Tompkins W J.生物醫(yī)學信號處理[M].林家瑞，徐邦荃，譯.武漢：華中科技大學出版社，2001.

[11]Tompkins W J.Biomedical Digital Signal Processing：C Language Examples and Laboratory Experiments for the IBM PC Biomedical Digital Signal Processing[M].Englewood Cliffs：Prentice Hall，1993.

（收稿：2013-07-07 修回：2013-08-21）

Design of Biomedical Signal Processing Laboratory Platform Based on DSP

LIU Yi-fei (School of Biomedical Engineering,Hubei University of Science and Technology,Xianning 437100,Hubei Province,China)

ObjectiveTo design a laboratory platform in order to process biomedical signals with DSP for the student from biomedical engineering faculty.MethodsAll types of biomedical signal process algorithms were designed based on the existing DSP platform,with the digital ECG signal as the data source.ResultsSome experiments were developed with the platform,including the ones for ECG generator,filter,compression,frequency analysis,heart rate detection and etc.The platform could be used for the prototype of biomedical signal processor design.ConclusionThe biomedical signal processing laboratory platform based on DSP facilitates the biomedical signal processing algorithms and their realization.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：12-14]

biomedical signal processing;DSP;laboratory platform

圖4 MIT-BIH心電數(shù)據(jù)122.dat的心電信號顯示

圖5 模板匹配法檢測心率的互相關系數(shù)圖

R318；TN911.7

A

1003-8868（2014）01-0012-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.012

湖北科技學院2010年校級教學研究項目（201042）

劉毅飛（1971—），男，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、醫(yī)學信號、圖像處理與分析方面的研究工作，E-mail：systemc@126.com。

437100湖北咸寧，湖北科技學院生物醫(yī)學工程學院（劉毅飛）