DSP在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、DSP在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 郵箱： 摘要在這篇論文里，我針對(duì)DSP在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。通過(guò)廣泛的文獻(xiàn)查閱和細(xì)致的資料整理研究工作，我對(duì)DSP課程有了更深刻的理解。本文介紹了，DSP 在醫(yī)療檢測(cè)、醫(yī)學(xué)信號(hào)采集、便攜式醫(yī)療儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,已取得了令人滿意的效果。另外，我還對(duì)DSP在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(yīng)用技術(shù)和開(kāi)發(fā)手段在不斷完善。因而，基于DSP的醫(yī)學(xué)儀器也更加節(jié)能化、智能化、性能優(yōu)化。關(guān)鍵詞：DSP 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 醫(yī)療檢測(cè) 信號(hào)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(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息學(xué)科的飛速發(fā)展，大量的模擬信息被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息來(lái)處理。于是就逐步產(chǎn)生了一門(mén)近代新興學(xué)科數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，DSP技術(shù)現(xiàn)已形成了一門(mén)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(chǔ)，以大規(guī)模集成電路為手段，利用軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種模擬信號(hào)的數(shù)字處理，其中包括信號(hào)檢測(cè)、信

5、號(hào)變換、信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)、信號(hào)的運(yùn)算、信號(hào)的傳輸和信號(hào)的交換等各種功能作用的獨(dú)立的學(xué)科體系。1在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，往往要求測(cè)量與分析相結(jié)合，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)性診斷和處理，尤其是在救護(hù)病人時(shí)的監(jiān)護(hù)和病人家庭監(jiān)護(hù)等場(chǎng)合。這就要求智能醫(yī)學(xué)儀器不僅能監(jiān)視信號(hào)，還能進(jìn)行信號(hào)分析與判斷。于是數(shù)字信號(hào)處理器DSP(信號(hào)分析與判斷)在醫(yī)學(xué)儀器領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用。2以DSP 芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體,能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性,能很好地滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域設(shè)備測(cè)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用2.1 DSP在心電采集

6、系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著人們生活水平的提高，心臟病的發(fā)病率越來(lái)越多，以其突發(fā)性的特點(diǎn)，成為人類生命健康的“頭號(hào)殺手”，嚴(yán)重影響人們的日常生活。目前國(guó)內(nèi)準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的便攜式心電不普遍，儀還人們無(wú)法在心臟突感不適時(shí)，將心電信號(hào)記錄下來(lái)，以備醫(yī)生診斷時(shí)使用。心電圖(ECG)是反映心臟電生理活動(dòng)的一項(xiàng)客觀指標(biāo)，心電的各項(xiàng)參數(shù)與人體的健康狀況直接相關(guān)。因此，現(xiàn)在的研究人員據(jù)此研究和設(shè)計(jì)了一種適合多數(shù)人使用的便攜式心電信號(hào)記錄儀。心電信號(hào)的頻率低，幅度小，易受外界環(huán)境的干擾，屬于微弱信號(hào)的范疇。研究人員在分析微弱信號(hào)的特點(diǎn)及現(xiàn)有檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了心電信號(hào)的形成過(guò)程、特點(diǎn)及其所受到的外界干擾的來(lái)源，給

7、出不同于傳統(tǒng)微弱信號(hào)采集的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，并給出用數(shù)字信號(hào)處理微弱信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，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(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。4心電采集涉及到大量信號(hào)的處理，可以采用DSP作為核心處理器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的同步采集和實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。 DS P 是 一種經(jīng)過(guò)特殊優(yōu)化的數(shù)字信號(hào)處理芯片， 可以在單周期內(nèi)同時(shí)完成一次乘法和一次加法， 其四級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的指令處理速度是普通 MC U的 4 倍。這些特點(diǎn)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。5 DSP采用哈佛結(jié)構(gòu),使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行,從而大大提高了處理速度,指令周期多為納秒級(jí)且絕大部分為

8、單周期指令。DSP 設(shè)置了硬件乘法/累加器,大都能在單個(gè)周期內(nèi)完成乘法/累加運(yùn)算,滿足了FFT、 數(shù)字濾波等數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理的要求,使得計(jì)算速度大大提高。6ECG 是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)， 信號(hào)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(hào)加之體外50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和儀器周?chē)妶?chǎng)磁場(chǎng)電磁場(chǎng)的干擾等等，使得心電信號(hào)噪聲背景較強(qiáng)，為采集和測(cè)量帶來(lái)了難度。7心電信號(hào)采集該系統(tǒng)由心電信號(hào)的調(diào)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(hào)調(diào)理模塊主要完成信號(hào)的前置放大、脫落檢測(cè)、右腿驅(qū)動(dòng)和模擬濾波器等功

9、能電路的設(shè)計(jì)。中央處理模塊采用高性能、低功耗、處理能力強(qiáng)的DSP處理器TMS320VC5416，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的數(shù)字濾波及頻譜分析。信號(hào)采集也正是該設(shè)計(jì)的重要模塊。8心電信號(hào)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(guò)AgCl傳感器采得人體心電信號(hào)，進(jìn)行模擬放大、濾波處理；然后進(jìn)行DSP的A/D轉(zhuǎn)換，采集到心電的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DSP 進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理得到光滑、正確的心電信號(hào)數(shù)據(jù)，最后將濾波后的數(shù)字心電信號(hào)并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用(1) DSP在超聲波檢測(cè)中的應(yīng)用編程的

10、高性能的DSP可在超聲成像設(shè)備中的多個(gè)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(luò)，對(duì)圖像進(jìn)行處理，通過(guò)I/o卡PCI總線將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示。全數(shù)字化技術(shù)保證了超聲診斷設(shè)備圖像更清晰、分辨率更高，大大提高了超聲診斷的準(zhǔn)確率10。此外，在相控超聲領(lǐng)域，仍然離不開(kāi)DSP的作用。超聲相控陣技術(shù)已有近 30 多年的發(fā)展歷史。初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,醫(yī)學(xué)超聲成像中用相控陣換能器快速移動(dòng)聲束對(duì)被檢器官成像;利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熤伟?使目標(biāo)組織升溫并減少非目標(biāo)組織的功率吸收。最新研究表明，相控技術(shù)同F(xiàn)PGAL及DSP技術(shù)結(jié)合起來(lái)已成為行之有效的超聲治療手段，其特點(diǎn)是靶

11、點(diǎn)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(cè)理論的成熟和現(xiàn)代集成電路的發(fā)展,超聲波檢測(cè)技術(shù)以其快速、準(zhǔn)確、無(wú)污染、低成本等特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高以及發(fā)展迅速的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 本文在認(rèn)真調(diào)研和深入分析的基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)有的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)所存在的問(wèn)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(hào)處理技術(shù)應(yīng)用到超聲波檢測(cè)儀中,它相比較舊式模擬聲波檢測(cè)儀有很多優(yōu)點(diǎn):檢測(cè)的結(jié)果可以轉(zhuǎn)存到其他的存儲(chǔ)設(shè)備中(本系統(tǒng)用SD卡來(lái)存儲(chǔ))并且可以通過(guò)USB口轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中,便于日后進(jìn)一步分析;可以在檢測(cè)的過(guò)程中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行各種處理算法,實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的處理

12、功能,使檢測(cè)的結(jié)果更加準(zhǔn)確。(2) DSP在X射線檢測(cè)中的應(yīng)用在X線成像領(lǐng)域，仍然離不開(kāi)DSP的巨大作用。胸部X線檢查時(shí)臨床應(yīng)用頻率最高的影像學(xué)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(zhì)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(yù)先設(shè)定的或常規(guī)處理參數(shù) ,可在成像的同時(shí)自動(dòng)處理圖像 ,將采集到的影像信息由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理 ,顯示在熒光屏上 ,方便、快捷、準(zhǔn)確。本成像系統(tǒng)是采用直接非晶硒平板探測(cè)器與數(shù)字信息處理機(jī)(DSP)和高速專用計(jì)算機(jī)相結(jié)合 ,由于特殊的數(shù)字板設(shè)計(jì) ,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(shè)備的結(jié)合，使工作效率提高10倍 ,極大地縮短了患者等候和檢查時(shí)間。122.3 DSP在便攜式醫(yī)療儀器中的應(yīng)用對(duì)于不必臥床的病人，開(kāi)發(fā)一種便攜式的，能實(shí)時(shí)顯示的，高性能的生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄系統(tǒng)是十分必要的。以前的一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于十分龐大而且昂貴，不能隨著病人一起走動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)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(hào)記錄儀，例如血壓計(jì)、血氧飽和度分析儀，肌電圖、腦電圖測(cè)量?jī)x等。13醫(yī)學(xué)儀器面臨的問(wèn)題之一是采集的數(shù)據(jù)量十分龐大，需要廉價(jià)、方便的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)多通道數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)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(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，則需要21.6M的存儲(chǔ)空間，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以便使用較小的存儲(chǔ)空間?；贒SP的生理信號(hào)檢測(cè)儀可以快速有效對(duì)實(shí)時(shí)生理信號(hào)進(jìn)行濾波并且壓縮，因此在相同的介質(zhì)上可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)14。硬件部分如圖2所示，分為一個(gè)放大器單元、一個(gè)處理單元和一些外圍設(shè)備，系統(tǒng)主要部分包括信號(hào)處理電路，一個(gè)12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和32位浮點(diǎn)的TMS320C31型號(hào)的 DSP，該DSP有很強(qiáng)的運(yùn)算能力（50MFLOPS），因此可以用來(lái)執(zhí)行多種信號(hào)處理算法。15該系統(tǒng)的軟件部分分為兩個(gè)方面，一個(gè)是執(zhí)行數(shù)字濾波算法的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)壓縮程序，另一個(gè)是接口程序。這里我們可

15、以使用DSP先進(jìn)的硬件結(jié)構(gòu)和可編程能力來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，而且可以獲得較高的壓縮比。3.DSP在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢(shì)以DSP 芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體,能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性,能很好地滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域設(shè)備測(cè)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(yīng)用技術(shù)和開(kāi)發(fā)手段在不斷完善。163.1 DSP節(jié)省醫(yī)學(xué)儀器耗能監(jiān)測(cè)個(gè)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(shí)間

16、都非常短，而且也無(wú)法針對(duì)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(tīng)器在內(nèi)，許多裝置雖然能夠改善人們的生活，但是它們對(duì)于不同環(huán)境的反應(yīng)卻非常缺乏彈性，而且廠商也無(wú)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(lái)的發(fā)展中，DSP能夠克服許多這些的缺點(diǎn)，并且讓可穿戴在身上的醫(yī)療儀器成為真正的個(gè)人化產(chǎn)品。 173.2 DSP強(qiáng)化醫(yī)學(xué)儀器工作功能  雖然DSP技術(shù)可以強(qiáng)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(wú)法應(yīng)用在絕大多數(shù)的裝置中，接下來(lái)，希望新一代DSP核的推出，能讓廠商首次有機(jī)會(huì)克服這項(xiàng)障礙。但是隨著新一代DSP核的出現(xiàn)，利用DS

17、P的技術(shù)，新一代的助聽(tīng)器有望提供更強(qiáng)的編程能力，滿足使用者的更高的醫(yī)療要求，并且適應(yīng)再生時(shí)的信號(hào)動(dòng)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(jìn)行取樣，根據(jù)信號(hào)的頻率加以分類，然后再按照使用者對(duì)于不同信號(hào)的反應(yīng)，將結(jié)果對(duì)應(yīng)輸出。使用DSP的醫(yī)療儀器仍然采用了這種對(duì)應(yīng)方式，但是會(huì)加入一些新技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)前者的不足，例如噪音的消除、回聲的消除、音調(diào)的移動(dòng)、語(yǔ)音的加強(qiáng)以及聲音波束的形成，后者可以集中聲音的來(lái)源。除此之外，通過(guò)適應(yīng)性的濾波技術(shù)，醫(yī)療儀器可以根據(jù)不同的環(huán)境，對(duì)頻率響應(yīng)曲線做連續(xù)性的修改，這種功能只有更先進(jìn)的DSP芯片才能做到。193.3 DSP使醫(yī)學(xué)儀器

18、操作智能化隨著醫(yī)療費(fèi)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(shè)備的潛力，以便調(diào)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(cè)重要的健康訊號(hào)，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(guò)使用者的操作，才能將這些資料記錄下來(lái)，并且在稍后做離線分析。通過(guò)努力，醫(yī)療儀器專家希望可以把DSP核應(yīng)用在他們的系統(tǒng)中，以便提供即時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，而且這些功能還可以通過(guò)編程，在特定事件發(fā)生時(shí)自行啟動(dòng)，而不必再依照使用者的介入。214.總結(jié)為了很好地完成地DSP課程，我針對(duì)DSP在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了廣泛的文獻(xiàn)查閱和細(xì)致的資料整理工作，從而寫(xiě)就了這篇課程論文D

19、SP在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)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(cè)、心電信號(hào)采集、便攜式醫(yī)療儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，很多便攜式的家用醫(yī)療設(shè)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(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體,能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性,能很好地滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域設(shè)備測(cè)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(yīng)用技術(shù)和開(kāi)發(fā)手段在不斷完善。這樣為實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信,DSP 芯片進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)對(duì)醫(yī)療信號(hào)處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn)1許偉，DSP應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和發(fā)展方向J.電子技術(shù)應(yīng)用，2007,23（2）：198202.2劉松強(qiáng). 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)及其應(yīng)用 . 北京:清華大學(xué)出版社,2008,23(3):5960.3 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程M.北京:清華大學(xué)出版社，2004,19(4):38-40.4 沈漢聰.基于DSP的自適應(yīng)胎兒心電圖儀設(shè)計(jì)與研究D.桂林:桂林電子科技大學(xué)碩士論文，2008

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