基于LabVIEW的尿意檢測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)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(dāng)復(fù)雜的弱信號。本文在對肌肉表面電信號研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)肌肉表面電信號的特點，利用LabVIEW設(shè)計開發(fā)了一套尿液檢測預(yù)警系統(tǒng)，基于LabVIEW編程實現(xiàn)。通過該系統(tǒng)可以對腹直肌表面電信號進行時域分析和數(shù)據(jù)采集，得到積分肌電值（Xiemg）、方差（VAR），并根據(jù)其變化趨勢做出尿意判斷。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有靈活可靠、信號采集準確、數(shù)據(jù)處理能力強等特點。

關(guān)鍵詞：尿意檢測;LabVIEW;腹直肌電信號

表面肌電信號（sEMG）是神經(jīng)系統(tǒng)支配肌肉活動時伴隨產(chǎn)生的電信號的綜合效應(yīng)，因具有非侵入性、無創(chuàng)傷、操作簡單等優(yōu)點，所以表面肌電信號在臨床、康復(fù)等領(lǐng)域有著重要的價值[1-2]。隨著尿動力學(xué)的發(fā)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(yīng)，所以非侵入性的肌電圖測定在尿失禁的臨床檢查和康復(fù)治療領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。在我國當(dāng)前失禁護理領(lǐng)域，迫切需要對失禁的老人進行智能監(jiān)控和預(yù)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(jù)尿失禁患者護理的具體要求，設(shè)計開發(fā)一套基于LabVIEW的尿檢測預(yù)警系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計

在對腹直肌表面肌電信號研究基礎(chǔ)上所設(shè)計開發(fā)的基于LabVIEW的尿意檢測及預(yù)警系統(tǒng)，包括信號采集模塊、信號分析以及數(shù)據(jù)存儲模塊三部分組成。根據(jù)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(jù)分析其變化趨勢對是否產(chǎn)生尿意做出預(yù)測。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)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(fā)和設(shè)計單片機最小系統(tǒng)等優(yōu)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(fā)可穿戴設(shè)備。

（二）信號調(diào)理電路設(shè)計

該系統(tǒng)信號調(diào)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(chǎn)的儀用放大器AD620，該放大器具有高精度、低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移等特性適用于精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5]，根據(jù)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）時域內(nèi)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(chǔ)上，對上述特征值的變化趨勢計算，若呈現(xiàn)下降趨勢則可認為有尿意產(chǎn)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(shè)計

MSP430F149微處理器的軟件開發(fā)采用C語言編程，其開發(fā)環(huán)境為IAR for MSP430。軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計，包括A/D轉(zhuǎn)換子程序、ADC中斷服務(wù)程序、串口發(fā)送數(shù)據(jù)子程序等。MSP430F149微處理器通過A/D轉(zhuǎn)換將采集到的表面肌電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過串口將數(shù)據(jù)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(shè)計

上位機監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件采用LabVIEW圖形化編程軟件，它提供了豐富的VISA和數(shù)據(jù)處理的工具，大大提高了開發(fā)效率。上位機通過配置好的串口實時讀取下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)者循環(huán)內(nèi)實時解析并壓入隊列中，在消費者循環(huán)計算、顯示綜合積分肌電值（Xiemg）和方差（VAR），根據(jù)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(chǎn)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(yù)警系統(tǒng)界面如圖2所示。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)根據(jù)尿失禁患者護理的具體要求，設(shè)計開發(fā)了一種簡單易型尿意檢測及預(yù)警系統(tǒng)。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(tài)下腹直肌表面電信號建立數(shù)學(xué)模型，進一步增加預(yù)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(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的表面肌電應(yīng)用研究[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)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(yīng)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(guān)性分析[J].中國康復(fù)理論與實踐，2008.