DSP在醫(yī)療系統(tǒng)中的應用

1、DSP在醫(yī)學領域中的應用與發(fā)展趨勢班級： 姓名： 學號： 郵箱： 摘要在這篇論文里，我針對DSP在醫(yī)學領域的應用與發(fā)展趨勢進行了闡述。通過廣泛的文獻查閱和細致的資料整理研究工作，我對DSP課程有了更深刻的理解。本文介紹了，DSP 在醫(yī)療檢測、醫(yī)學信號采集、便攜式醫(yī)療儀器等領域得到了廣泛的應用,已取得了令人滿意的效果。另外，我還對DSP在醫(yī)學領域的發(fā)展趨勢進行了研究。DSP 芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展,各種各類通用及專用的新型DSP 芯片在不斷推出,應用技術和開發(fā)手段在不斷完善。因而，基于DSP的醫(yī)學儀器也更加節(jié)能化、智能化、性能優(yōu)化。關鍵詞：DSP 醫(yī)學領域 醫(yī)療檢測 信號采

2、集Abstract In this paper, the application and development trend of DSP in the field of medicine are described. Through extensively reviewing of documentation and detailed Arranging of data , I have a deeper understanding of the DSP course.In this paper, we can know that ,DSP is applied widely in the

3、field of medicine, such as medical testing,medical signal acquisition and portable medical equipment. In addition, the development trend of DSP in the medical field is expounded. The DSP chip becomes to high performance, high integration and low cost direction .And because various kinds of DSP chip

4、will be developed ,medical instrument is more energy-saving, intelligent.Keywords：DSP Medicine Medical testing signal acquisition1.緒論自20世紀60年代以來，隨著計算機和信息學科的飛速發(fā)展，大量的模擬信息被轉化為數(shù)字信息來處理。于是就逐步產(chǎn)生了一門近代新興學科數(shù)字信號處理（DSP）技術。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，DSP技術現(xiàn)已形成了一門以快速傅里葉變換和數(shù)字濾波器為核心，以邏輯電路為基礎，以大規(guī)模集成電路為手段，利用軟硬件來實現(xiàn)各種模擬信號的數(shù)字處理，其中包括信號檢測、信

5、號變換、信號的調制和解調、信號的運算、信號的傳輸和信號的交換等各種功能作用的獨立的學科體系。1在醫(yī)學領域，往往要求測量與分析相結合，同時進行實時性診斷和處理，尤其是在救護病人時的監(jiān)護和病人家庭監(jiān)護等場合。這就要求智能醫(yī)學儀器不僅能監(jiān)視信號，還能進行信號分析與判斷。于是數(shù)字信號處理器DSP(信號分析與判斷)在醫(yī)學儀器領域有廣闊應用。2以DSP 芯片為核心構造的數(shù)字信號處理系統(tǒng),可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體,能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性,能很好地滿足醫(yī)學領域設備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。32. DSP在醫(yī)學領域的應用2.1 DSP在心電采集

6、系統(tǒng)中的應用隨著人們生活水平的提高，心臟病的發(fā)病率越來越多，以其突發(fā)性的特點，成為人類生命健康的“頭號殺手”，嚴重影響人們的日常生活。目前國內(nèi)準確、經(jīng)濟、實用的便攜式心電不普遍，儀還人們無法在心臟突感不適時，將心電信號記錄下來，以備醫(yī)生診斷時使用。心電圖(ECG)是反映心臟電生理活動的一項客觀指標，心電的各項參數(shù)與人體的健康狀況直接相關。因此，現(xiàn)在的研究人員據(jù)此研究和設計了一種適合多數(shù)人使用的便攜式心電信號記錄儀。心電信號的頻率低，幅度小，易受外界環(huán)境的干擾，屬于微弱信號的范疇。研究人員在分析微弱信號的特點及現(xiàn)有檢測方法的基礎上，詳細討論了心電信號的形成過程、特點及其所受到的外界干擾的來源，給

7、出不同于傳統(tǒng)微弱信號采集的數(shù)字信號處理技術，并給出用數(shù)字信號處理微弱信號的優(yōu)勢，最后提出基于高性能嵌入式微處理器DSP的便攜式心電信號采集系統(tǒng)的設計。4心電采集涉及到大量信號的處理，可以采用DSP作為核心處理器，負責數(shù)據(jù)的同步采集和實時分析數(shù)據(jù)。 DS P 是 一種經(jīng)過特殊優(yōu)化的數(shù)字信號處理芯片， 可以在單周期內(nèi)同時完成一次乘法和一次加法， 其四級流水線結構的指令處理速度是普通 MC U的 4 倍。這些特點非常有利于F F T、濾波、卷積等數(shù)字處理算法的集成以減輕計算機數(shù)據(jù)處理的負擔。5 DSP采用哈佛結構,使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時進行,從而大大提高了處理速度,指令周期多為納秒級且絕大部分為

8、單周期指令。DSP 設置了硬件乘法/累加器,大都能在單個周期內(nèi)完成乘法/累加運算,滿足了FFT、 數(shù)字濾波等數(shù)字信號實時處理的要求,使得計算速度大大提高。6ECG 是一種低頻率的微弱雙極性信號， 信號主要成分中在0.05 150 Hz， 幅度為104mV ( 典型值為1mV)。ECG 通常還混有其他的生物電信號加之體外50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和儀器周圍電場磁場電磁場的干擾等等，使得心電信號噪聲背景較強，為采集和測量帶來了難度。7心電信號采集該系統(tǒng)由心電信號的調理模塊、以DSP為核心的中央處理模塊及外圍輔助模塊組成。心電信號調理模塊主要完成信號的前置放大、脫落檢測、右腿驅動和模擬濾波器等功

9、能電路的設計。中央處理模塊采用高性能、低功耗、處理能力強的DSP處理器TMS320VC5416，實現(xiàn)對心電信號的數(shù)字濾波及頻譜分析。信號采集也正是該設計的重要模塊。8心電信號采集(如圖1所示)和分析系統(tǒng)硬件主要包括模擬和數(shù)字兩大部分:首先通過AgCl傳感器采得人體心電信號，進行模擬放大、濾波處理；然后進行DSP的A/D轉換，采集到心電的數(shù)字信號通過DSP 進行數(shù)字信號處理得到光滑、正確的心電信號數(shù)據(jù)，最后將濾波后的數(shù)字心電信號并與計算機進行實時通信。本系統(tǒng)由CPLD 作為外圍的控制電路，控制液晶和多通道異步串行通信。92.2 DSP在醫(yī)療檢測系統(tǒng)中的應用(1) DSP在超聲波檢測中的應用編程的

10、高性能的DSP可在超聲成像設備中的多個系統(tǒng)發(fā)揮作用。利用它可以完成數(shù)字化波束形成，DSP微處理器合成波束包絡，對圖像進行處理，通過I/o卡PCI總線將圖像傳輸?shù)接嬎銠C顯示。全數(shù)字化技術保證了超聲診斷設備圖像更清晰、分辨率更高，大大提高了超聲診斷的準確率10。此外，在相控超聲領域，仍然離不開DSP的作用。超聲相控陣技術已有近 30 多年的發(fā)展歷史。初期主要應用于醫(yī)療領域,醫(yī)學超聲成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像;利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫并減少非目標組織的功率吸收。最新研究表明，相控技術同F(xiàn)PGAL及DSP技術結合起來已成為行之有效的超聲治療手段，其特點是靶

11、點位置和溫度的控制十分精確，有望成為新的腫瘤物理治療手段11。隨著超聲波檢測理論的成熟和現(xiàn)代集成電路的發(fā)展,超聲波檢測技術以其快速、準確、無污染、低成本等特點成為國內(nèi)外應用最廣泛、使用頻率最高以及發(fā)展迅速的一種無損檢測技術。 本文在認真調研和深入分析的基礎上,對現(xiàn)有的超聲波檢測系統(tǒng)所存在的問題提出了一種全新的解決方案,將以DSP為核心的數(shù)字信號處理技術應用到超聲波檢測儀中,它相比較舊式模擬聲波檢測儀有很多優(yōu)點:檢測的結果可以轉存到其他的存儲設備中(本系統(tǒng)用SD卡來存儲)并且可以通過USB口轉存到計算機中,便于日后進一步分析;可以在檢測的過程中對采集到的數(shù)據(jù)實時進行各種處理算法,實現(xiàn)更強大的處理

12、功能,使檢測的結果更加準確。(2) DSP在X射線檢測中的應用在X線成像領域，仍然離不開DSP的巨大作用。胸部X線檢查時臨床應用頻率最高的影像學檢查方法，一樣沿用的普通X線攝影方法所顯示的圖像分辨率低，清晰度差，為了提高胸片成像質量，研發(fā)出了直接數(shù)字化低劑量X線攝影裝置（DR系統(tǒng)）。數(shù)字化成像采用預先設定的或常規(guī)處理參數(shù) ,可在成像的同時自動處理圖像 ,將采集到的影像信息由計算機進行數(shù)字化處理 ,顯示在熒光屏上 ,方便、快捷、準確。本成像系統(tǒng)是采用直接非晶硒平板探測器與數(shù)字信息處理機(DSP)和高速專用計算機相結合 ,由于特殊的數(shù)字板設計 ,獲取量子捕獲率高 ,快速掃描曝光后6 秒鐘即可在熒屏

13、上顯示圖像。DSP出色的性能與其他設備的結合，使工作效率提高10倍 ,極大地縮短了患者等候和檢查時間。122.3 DSP在便攜式醫(yī)療儀器中的應用對于不必臥床的病人，開發(fā)一種便攜式的，能實時顯示的，高性能的生理數(shù)據(jù)監(jiān)測和記錄系統(tǒng)是十分必要的。以前的一些監(jiān)測系統(tǒng)由于十分龐大而且昂貴，不能隨著病人一起走動，為了解決這個問題，現(xiàn)在已經(jīng)有了一些便攜式的單通道或多通道的生理信號記錄儀，例如血壓計、血氧飽和度分析儀，肌電圖、腦電圖測量儀等。13醫(yī)學儀器面臨的問題之一是采集的數(shù)據(jù)量十分龐大，需要廉價、方便的存儲介質，對多通道數(shù)據(jù)的長期存儲來說仍然不很方便。例如，4通道的EMG記錄儀用的是1000Hz的采樣頻率

14、，12位的A/D分辨率，若采集一個小時的數(shù)據(jù)，則需要21.6M的存儲空間，因此需要對數(shù)據(jù)進行壓縮，以便使用較小的存儲空間?；贒SP的生理信號檢測儀可以快速有效對實時生理信號進行濾波并且壓縮，因此在相同的介質上可以存儲更多的數(shù)據(jù)14。硬件部分如圖2所示，分為一個放大器單元、一個處理單元和一些外圍設備，系統(tǒng)主要部分包括信號處理電路，一個12位分辨率的A/D轉換器和32位浮點的TMS320C31型號的 DSP，該DSP有很強的運算能力（50MFLOPS），因此可以用來執(zhí)行多種信號處理算法。15該系統(tǒng)的軟件部分分為兩個方面，一個是執(zhí)行數(shù)字濾波算法的信號處理和數(shù)據(jù)壓縮程序，另一個是接口程序。這里我們可

15、以使用DSP先進的硬件結構和可編程能力來對數(shù)據(jù)進行實時壓縮，而且可以獲得較高的壓縮比。3.DSP在醫(yī)學領域的研究發(fā)展趨勢以DSP 芯片為核心構造的數(shù)字信號處理系統(tǒng),可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體,能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性,能很好地滿足醫(yī)學領域設備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。目前,DSP 芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展,各種各類通用及專用的新型DSP 芯片在不斷推出,應用技術和開發(fā)手段在不斷完善。163.1 DSP節(jié)省醫(yī)學儀器耗能監(jiān)測個人健康癥候的許多裝置都必須使用電池，但是現(xiàn)有的產(chǎn)品受到了電力的限制，它們能夠記錄資料的時間

16、都非常短，而且也無法針對病情做修改，以便滿足使用者的特定需求。不但如此，包括了助聽器在內(nèi)，許多裝置雖然能夠改善人們的生活，但是它們對于不同環(huán)境的反應卻非常缺乏彈性，而且廠商也無法根據(jù)每位病患的要求，將這些產(chǎn)品做最佳的規(guī)劃。希望在接下來的發(fā)展中，DSP能夠克服許多這些的缺點，并且讓可穿戴在身上的醫(yī)療儀器成為真正的個人化產(chǎn)品。 173.2 DSP強化醫(yī)學儀器工作功能  雖然DSP技術可以強化醫(yī)療儀器的工作功能，但是由于它們通常耗電大，因此無法應用在絕大多數(shù)的裝置中，接下來，希望新一代DSP核的推出，能讓廠商首次有機會克服這項障礙。但是隨著新一代DSP核的出現(xiàn)，利用DS

17、P的技術，新一代的助聽器有望提供更強的編程能力，滿足使用者的更高的醫(yī)療要求，并且適應再生時的信號動態(tài)變化。18   目前大多數(shù)的醫(yī)療儀器的工作方式是先進行取樣，根據(jù)信號的頻率加以分類，然后再按照使用者對于不同信號的反應，將結果對應輸出。使用DSP的醫(yī)療儀器仍然采用了這種對應方式，但是會加入一些新技術來彌補前者的不足，例如噪音的消除、回聲的消除、音調的移動、語音的加強以及聲音波束的形成，后者可以集中聲音的來源。除此之外，通過適應性的濾波技術，醫(yī)療儀器可以根據(jù)不同的環(huán)境，對頻率響應曲線做連續(xù)性的修改，這種功能只有更先進的DSP芯片才能做到。193.3 DSP使醫(yī)學儀器

18、操作智能化隨著醫(yī)療費用的不斷增加，業(yè)界也在積極努力，希望能盡量發(fā)揮電子設備的潛力，以便調理和治療各種慢性病，例如心臟病、氣喘和糖尿病，并且監(jiān)測重要的健康訊號，例如心跳速率、呼吸、血液的含氧量和身體中的脂肪。20目前的裝置大都需要通過使用者的操作，才能將這些資料記錄下來，并且在稍后做離線分析。通過努力，醫(yī)療儀器專家希望可以把DSP核應用在他們的系統(tǒng)中，以便提供即時監(jiān)測的功能，而且這些功能還可以通過編程，在特定事件發(fā)生時自行啟動，而不必再依照使用者的介入。214.總結為了很好地完成地DSP課程，我針對DSP在醫(yī)學領域的應用與發(fā)展趨勢進行了廣泛的文獻查閱和細致的資料整理工作，從而寫就了這篇課程論文D

19、SP在醫(yī)學領域的應用與發(fā)展趨勢，對DSP課程有了更深刻的理解。在這篇論文里，我們可以看到，DSP 已在醫(yī)療探測、心電信號采集、便攜式醫(yī)療儀器等領域得到了廣泛的應用,已取得了令人滿意的效果。不但傳統(tǒng)的CT成像、超聲波掃描繼續(xù)要求強大的數(shù)字信號處理能力，很多便攜式的家用醫(yī)療設備要求在保證低功耗的前提下，提供高處理性能。以DSP 芯片為核心構造的數(shù)字信號處理系統(tǒng),可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體,能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性,能很好地滿足醫(yī)學領域設備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。目前,DSP 芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展,各種各類通用

20、及專用的新型DSP 芯片在不斷推出,應用技術和開發(fā)手段在不斷完善。這樣為實時數(shù)字信號處理的應用尤其是在醫(yī)學領域中的應用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信,DSP 芯片進一步的發(fā)展和應用將會對醫(yī)療信號處理領域產(chǎn)生深遠的影響。參考文獻1許偉，DSP應用的結構和發(fā)展方向J.電子技術應用，2007,23（2）：198202.2劉松強. 數(shù)字信號處理系統(tǒng)及其應用 . 北京:清華大學出版社,2008,23(3):5960.3 程佩青.數(shù)字信號處理教程M.北京:清華大學出版社，2004,19(4):38-40.4 沈漢聰.基于DSP的自適應胎兒心電圖儀設計與研究D.桂林:桂林電子科技大學碩士論文，2008

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