DSP在医疗系统中的应用

DSP在医学领域中的应用与发展趋势班级：姓名：学号：邮箱：摘要在这篇论文里，我针对DSP在医学领域的应用与发展趋势进行了阐述。通过广泛的文献查阅和细致的资料整理研究工作，我对DSP课程有了更深刻的理解。本文介绍了，DSP在医疗检测、医学信号采集、便携式医疗仪器等领域得到了广泛的应用,已取得了令人满意的效果。另外，我还对DSP在医学领域的发展趋势进行了研究。DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向发展,各种各类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出,应用技术和开发手段在不断完善。因而，基于DSP的医学仪器也更加节能化、智能化、性能优化。关键词：DSP医学领域医疗检测信号采集AbstractInthispaper,theapplicationanddevelopmenttrendofDSPinthefieldofmedicinearedescribed.ThroughextensivelyreviewingofdocumentationanddetailedArrangingofdata,IhaveadeeperunderstandingoftheDSPcourse.Inthispaper,wecanknowthat,DSPisappliedwidelyinthefieldofmedicine,suchasmedicaltesting,medicalsignalacquisitionandportablemedicalequipment.Inaddition,thedevelopmenttrendofDSPinthemedicalfieldisexpounded.TheDSPchipbecomestohighperformance,highintegrationandlowcostdirection.AndbecausevariouskindsofDSPchipwillbedeveloped,medicalinstrumentismoreenergy-saving,intelligent.Keywords：DSPMedicineMedicaltestingsignalacquisition1.绪论自20世纪60年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，大量的模拟信息被转化为数字信息来处理。于是就逐步产生了一门近代新兴学科———数字信号处理（DSP）技术。经过几十年的发展，DSP技术现已形成了一门以快速傅里叶变换和数字滤波器为核心，以逻辑电路为基础，以大规模集成电路为手段，利用软硬件来实现各种模拟信号的数字处理，其中包括信号检测、信号变换、信号的调制和解调、信号的运算、信号的传输和信号的交换等各种功能作用的独立的学科体系。[1]在医学领域，往往要求测量与分析相结合，同时进行实时性诊断和处理，尤其是在救护病人时的监护和病人家庭监护等场合。这就要求智能医学仪器不仅能监视信号，还能进行信号分析与判断。于是数字信号处理器DSP(信号分析与判断)在医学仪器领域有广阔应用。[2]以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统,可集数据采集、传输、存储和高速实时处理为一体,能充分体现数字信号处理系统的优越性,能很好地满足医学领域设备测量精度、可靠性、信道带宽、功耗、工作电压和重量等方面的要求。[3]2.DSP在医学领域的应用2.1DSP在心电采集系统中的应用随着人们生活水平的提高，心脏病的发病率越来越多，以其突发性的特点，成为人类生命健康的“头号杀手”，严重影响人们的日常生活。目前国内准确、经济、实用的便携式心电不普遍，仪还人们无法在心脏突感不适时，将心电信号记录下来，以备医生诊断时使用。心电图(ECG)是反映心脏电生理活动的一项客观指标，心电的各项参数与人体的健康状况直接相关。因此，现在的研究人员据此研究和设计了一种适合多数人使用的便携式心电信号记录仪。心电信号的频率低，幅度小，易受外界环境的干扰，属于微弱信号的范畴。研究人员在分析微弱信号的特点及现有检测方法的基础上，详细讨论了心电信号的形成过程、特点及其所受到的外界干扰的来源，给出不同于传统微弱信号采集的数字信号处理技术，并给出用数字信号处理微弱信号的优势，最后提出基于高性能嵌入式微处理器DSP的便携式心电信号采集系统的设计。[4]心电采集涉及到大量信号的处理，可以采用DSP作为核心处理器，负责数据的同步采集和实时分析数据。DSP是一种经过特殊优化的数字信号处理芯片，可以在单周期内同时完成一次乘法和一次加法，其四级流水线结构的指令处理速度是普通MCU的4倍。这些特点非常有利于FFT、滤波、卷积等数字处理算法的集成以减轻计算机数据处理的负担。[5]DSP采用哈佛结构,使得处理指令和数据可以同时进行,从而大大提高了处理速度,指令周期多为纳秒级且绝大部分为单周期指令。DSP设置了硬件乘法/累加器,大都能在单个周期内完成乘法/累加运算,满足了FFT、数字滤波等数字信号实时处理的要求,使得计算速度大大提高。[6]ECG是一种低频率的微弱双极性信号，信号主要成分中在0.05~150Hz，幅度为10V~4mV(典型值为1mV)。ECG通常还混有其他的生物电信号加之体外50Hz工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电场磁场电磁场的干扰等等，使得心电信号噪声背景较强，为采集和测量带来了难度。[7]心电信号采集该系统由心电信号的调理模块、以DSP为核心的中央处理模块及外围辅助模块组成。心电信号调理模块主要完成信号的前置放大、脱落检测、右腿驱动和模拟滤波器等功能电路的设计。中央处理模块采用高性能、低功耗、处理能力强的DSP处理器TMS320VC5416，实现对心电信号的数字滤波及频谱分析。信号采集也正是该设计的重要模块。[8]心电信号采集(如图1所示)和分析系统硬件主要包括模拟和数字两大部分:首先通过AgCl传感器采得人体心电信号，进行模拟放大、滤波处理；然后进行DSP的A/D转换，采集到心电的数字信号通过DSP进行数字信号处理得到光滑、正确的心电信号数据，最后将滤波后的数字心电信号并与计算机进行实时通信。本系统由CPLD作为外围的控制电路，控制液晶和多通道异步串行通信。[9]2.2DSP在医疗检测系统中的应用(1)DSP在超声波检测中的应用编程的高性能的DSP可在超声成像设备中的多个系统发挥作用。利用它可以完成数字化波束形成，DSP微处理器合成波束包络，对图像进行处理，通过I/o卡PCI总线将图像传输到计算机显示。全数字化技术保证了超声诊断设备图像更清晰、分辨率更高，大大提高了超声诊断的准确率[10]。此外，在相控超声领域，仍然离不开DSP的作用。超声相控阵技术已有近30多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像;利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最新研究表明，相控技术同FPGAL及DSP技术结合起来已成为行之有效的超声治疗手段，其特点是靶点位置和温度的控制十分精确，有望成为新的肿瘤物理治疗手段[11]。随着超声波检测理论的成熟和现代集成电路的发展,超声波检测技术以其快速、准确、无污染、低成本等特点成为国内外应用最广泛、使用频率最高以及发展迅速的一种无损检测技术。本文在认真调研和深入分析的基础上,对现有的超声波检测系统所存在的问题提出了一种全新的解决方案,将以DSP为核心的数字信号处理技术应用到超声波检测仪中,它相比较旧式模拟声波检测仪有很多优点:检测的结果可以转存到其他的存储设备中(本系统用SD卡来存储)并且可以通过USB口转存到计算机中,便于日后进一步分析;可以在检测的过程中对采集到的数据实时进行各种处理算法,实现更强大的处理功能,使检测的结果更加准确。(2)DSP在X射线检测中的应用在X线成像领域，仍然离不开DSP的巨大作用。胸部X线检查时临床应用频率最高的影像学检查方法，一样沿用的普通X线摄影方法所显示的图像分辨率低，清晰度差，为了提高胸片成像质量，研发出了直接数字化低剂量X线摄影装置（DR系统）。数字化成像采用预先设定的或常规处理参数,可在成像的同时自动处理图像,将采集到的影像信息由计算机进行数字化处理,显示在荧光屏上,方便、快捷、准确。本成像系统是采用直接非晶硒平板探测器与数字信息处理机(DSP)和高速专用计算机相结合,由于特殊的数字板设计,获取量子捕获率高,快速扫描曝光后6秒钟即可在荧屏上显示图像。DSP出色的性能与其他设备的结合，使工作效率提高10倍,极大地缩短了患者等候和检查时间。[12]2.3DSP在便携式医疗仪器中的应用对于不必卧床的病人，开发一种便携式的，能实时显示的，高性能的生理数据监测和记录系统是十分必要的。以前的一些监测系统由于十分庞大而且昂贵，不能随着病人一起走动，为了解决这个问题，现在已经有了一些便携式的单通道或多通道的生理信号记录仪，例如血压计、血氧饱和度分析仪，肌电图、脑电图测量仪等。[13]医学仪器面临的问题之一是采集的数据量十分庞大，需要廉价、方便的存储介质，对多通道数据的长期存储来说仍然不很方便。例如，4通道的EMG记录仪用的是1000Hz的采样频率，12位的A/D分辨率，若采集一个小时的数据，则需要21.6M的存储空间，因此需要对数据进行压缩，以便使用较小的存储空间。基于DSP的生理信号检测仪可以快速有效对实时生理信号进行滤波并且压缩，因此在相同的介质上可以存储更多的数据[14]。硬件部分如图2所示，分为一个放大器单元、一个处理单元和一些外围设备，系统主要部分包括信号处理电路，一个12位分辨率的A/D转换器和32位浮点的TMS320C31型号的DSP，该DSP有很强的运算能力（50MFLOPS），因此可以用来执行多种信号处理算法。[15]该系统的软件部分分为两个方面，一个是执行数字滤波算法的信号处理和数据压缩程序，另一个是接口程序。这里我们可以使用DSP先进的硬件结构和可编程能力来对数据进行实时压缩，而且可以获得较高的压缩比。3.DSP在医学领域的研究发展趋势以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统,可集数据采集、传输、存储和高速实时处理为一体,能充分体现数字信号处理系统的优越性,能很好地满足医学领域设备测量精度、可靠性、信道带宽、功耗、工作电压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发展,各种各类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出,应用技术和开发手段在不断完善。[16]3.1DSP节省医学仪器耗能监测个人健康症候的许多装置都必须使用电池，但是现有的产品受到了电力的限制，它们能够记录资料的时间都非常短，而且也无法针对病情做修改，以便满足使用者的特定需求。不但如此，包括了助听器在内，许多装置虽然能够改善人们的生活，但是它们对于不同环境的反应却非常缺乏弹性，而且厂商也无法根据每位病患的要求，将这些产品做最佳的规划。希望在接下来的发展中，DSP能够克服许多这些的缺点，并且让可穿戴在身上的医疗仪器成为真正的个人化产品。[17]3.2DSP强化医学仪器工作功能虽然DSP技术可以强化医疗仪器的工作功能，但是由于它们通常耗电大，因此无法应用在绝大多数的装置中，接下来，希望新一代DSP核的推出，能让厂商首次有机会克服这项障碍。但是随着新一代DSP核的出现，利用DSP的技术，新一代的助听器有望提供更强的编程能力，满足使用者的更高的医疗要求，并且适应再生时的信号动态变化。[18]目前大多数的医疗仪器的工作方式是先进行取样，根据信号的频率加以分类，然后再按照使用者对于不同信号的反应，将结果对应输出。使用DSP的医疗仪器仍然采用了这种对应方式，但是会加入一些新技术来弥补前者的不足，例如噪音的消除、回声的消除、音调的移动、语音的加强以及声音波束的形成，后者可以集中声音的来源。除此之外，通过适应性的滤波技术，医疗仪器可以根据不同的环境，对频率响应曲线做连续性的修改，这种功能只有更先进的DSP芯片才能做到。[19]3.3DSP使医学仪器操作智能化随着医疗费用的不断增加，业界也在积极努力，希望能尽量发挥电子设备的潜力，以便调理和治疗各种慢性病，例如心脏病、气