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      基于LabVIEW的尿意檢測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

      2020-11-30 09:01:26黨冉杜長龍馬妍秦坦真韓成春陳豹
      科技風(fēng) 2020年30期

      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.

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