劉毅飛

基于DSP的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉毅飛

目的：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生可以學(xué)習(xí)在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）上處理生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的方法。方法：采用數(shù)字化心電信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)源，在現(xiàn)有的DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)完成各種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理算法。結(jié)果：在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開發(fā)了心電發(fā)生器、濾波、壓縮、頻譜分析、心率檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)，同時(shí)將此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理儀器設(shè)計(jì)的原型，取得了良好的教學(xué)效果。結(jié)論：學(xué)生使用基于DSP的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既能夠?qū)W習(xí)和深刻理解生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的算法，還能夠?qū)W習(xí)如何使用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)這些算法，教學(xué)效果顯著，但仍有待于進(jìn)一步完善。

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理；DSP；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引言

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門非常重要的核心課程，為了幫助學(xué)生學(xué)好這門課程，美國(guó) Wisconsin-Madison大學(xué)的 Willis J Tompkins開發(fā)了基于PC平臺(tái)的DigiScope軟件，作為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[1]，使學(xué)生能在PC機(jī)上更加直觀地學(xué)習(xí)和理解生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的原理和一些基本算法。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）由于具有哈佛結(jié)構(gòu)、硬件乘加機(jī)構(gòu)、流水線操作等特點(diǎn)，從而具有高速完成生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的能力[2]，所以，使用DSP作為處理器的醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)品越來(lái)越普遍[3-5]。正是因?yàn)镈SP在醫(yī)療儀器中作為信號(hào)處理的核心且應(yīng)用日益廣泛，越來(lái)越多的高校為了幫助生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)DSP技術(shù)，也開辦了DSP課程及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

目前存在的問(wèn)題一方面是在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)課程中采用的是將生物醫(yī)學(xué)信號(hào)作為處理對(duì)象，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于PC平臺(tái)[6]。另一方面，目前的DSP課程的理論教材和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是針對(duì)電子和通信專業(yè)方向的學(xué)生，基本上都是以音頻信號(hào)作為處理對(duì)象。但是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生接觸的是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，而生物醫(yī)學(xué)信號(hào)具有一些不同于音頻信號(hào)的特點(diǎn)，比如頻率低、幅值小、隨機(jī)性強(qiáng)、易受噪聲干擾等[7]。為了幫助學(xué)生學(xué)會(huì)在DSP上處理生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，我們將生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理和DSP實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于DSP的醫(yī)學(xué)信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)

1.1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的數(shù)據(jù)來(lái)源

PhysioBank[8-9]上目前提供了超過(guò)50個(gè)生理數(shù)據(jù)庫(kù)，包括多參數(shù)生理信號(hào)、心電、醫(yī)學(xué)圖像等數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)既可以免費(fèi)供研究使用，又可以為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)所用。在這些數(shù)據(jù)庫(kù)中，由麻省理工大學(xué)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（MIT-BIH）開發(fā)的心電數(shù)據(jù)庫(kù)廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理研究和教學(xué)中，DigiScope實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也使用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)源?；贛IT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)威性，我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也采用這個(gè)心電數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源。

1.2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的算法及實(shí)現(xiàn)

DigiScope實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的理論教材[10-11]以心電信號(hào)為例講述了生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的一些基本算法，包括心電濾波、心電信號(hào)壓縮、心電信號(hào)的頻譜與功率譜分析、心率的計(jì)算等。我們的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用

C語(yǔ)言在DSP上開發(fā)并完成這些算法。

1.3 DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于DES3200實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件模塊如圖1所示。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320VC5416，這個(gè)系列的芯片特別適合生理信號(hào)處理。實(shí)驗(yàn)箱上還提供了液晶顯示，TLC320 AC01模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換等外部設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集和顯示等功能。實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)是CCS2.1集成開發(fā)環(huán)境，這個(gè)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(hào)的時(shí)域和頻域圖形，幫助學(xué)生深入理解信號(hào)處理的原理。

圖1 DSP的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件模塊

2 開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)上面所述的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的算法，我們?cè)贒SP生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)上開發(fā)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

表1 基于DSP的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于CCS開發(fā)環(huán)境的強(qiáng)大功能，大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以使用CCS的圖形工具直觀地觀察到生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理前后的時(shí)域和頻域圖形。以心電信號(hào)的濾波和心率檢測(cè)為例，圖2和圖3是采用FIR算法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖2顯示的是MIT-BIH上的心電數(shù)據(jù)117.dat的心電信號(hào)，圖3則是采用FIR算法對(duì)圖2的信號(hào)進(jìn)行平滑濾波的結(jié)果。圖4和圖5是采用模板匹配法檢測(cè)心率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4顯示的是MIT-BIH上的心電數(shù)據(jù)122.dat的心電信號(hào)，圖5顯示的是采用歸一化互相關(guān)算法進(jìn)行模板匹配后的相關(guān)系數(shù)顯示，對(duì)相關(guān)系數(shù)設(shè)定合適閾值就可以檢測(cè)心率。（圖2～圖5的橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為1/200 s，表示信號(hào)采樣頻率為200次/s。為了便于顯示，圖2～圖4的縱坐標(biāo)將信號(hào)幅值放大410倍，單位為1/410 V，圖5則將相關(guān)系數(shù)的結(jié)果擴(kuò)大了128倍）。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用效果

圖2 MIT-BIH心電數(shù)據(jù)117.dat的心電信號(hào)顯示

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

在基于DSP的醫(yī)學(xué)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從事實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在DSP上重新完成以前在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的算法，并借助開發(fā)環(huán)境的圖形顯示出信號(hào)的時(shí)域和頻域圖形，可以幫助學(xué)生進(jìn)一步深入理解生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的方法和原理。

（2）采用生物醫(yī)學(xué)上的心電信號(hào)作為處理對(duì)象，并在醫(yī)學(xué)儀器上廣泛使用的以DSP芯片作為核心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，將理論和實(shí)踐緊密地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到了理論課程的作用，學(xué)習(xí)興趣也得到了提高。

（3）在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的原理的同時(shí)，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以作為基于DSP的醫(yī)學(xué)儀器的原型。學(xué)生在這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以學(xué)習(xí)到DSP的基本原理和其在醫(yī)學(xué)儀器中的應(yīng)用，熟悉基于DSP的醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程，還可以在這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從事課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，為今后從事基于DSP的醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)打下較好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

我們?cè)诨贒SP的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。下一步的工作主要在于2個(gè)方面：（1）在現(xiàn)有的主要進(jìn)行信號(hào)處理的基礎(chǔ)上加強(qiáng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)；（2）目前，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的生理信號(hào)僅僅采用心電信號(hào)，在以后的工作中，我們會(huì)將生理信號(hào)處理的對(duì)象擴(kuò)充到腦電、心音等其他信號(hào)。

[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(yīng)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(jī)式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)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(xué)信號(hào)處理[M].林家瑞，徐邦荃，譯.武漢：華中科技大學(xué)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(hào)顯示

圖5 模板匹配法檢測(cè)心率的互相關(guān)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(xué)院2010年校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（201042）

劉毅飛（1971—），男，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)信號(hào)、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(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（劉毅飛）