基于LabVIEW的尿意检测及预警系统设计

    党冉 杜长龙 马妍 秦坦真 韩成春 陈豹

    

    

    摘 要：人體肌肉表面电信号是一种相当复杂的弱信号。本文在对肌肉表面电信号研究的基础上，根据肌肉表面电信号的特点，利用LabVIEW设计开发了一套尿液检测预警系统，基于LabVIEW编程实现。通过该系统可以对腹直肌表面电信号进行时域分析和数据采集，得到积分肌电值（Xiemg）、方差（VAR），并根据其变化趋势做出尿意判断。实验结果表明，该系统具有灵活可靠、信号采集准确、数据处理能力强等特点。

    关键词：尿意检测;LabVIEW;腹直肌电信号

    表面肌电信号（sEMG）是神经系统支配肌肉活动时伴随产生的电信号的综合效应，因具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点，所以表面肌电信号在临床、康复等领域有着重要的价值[1-2]。随着尿动力学的发展，侵入性的检查方式因无法有效保护病人隐私和避免生理性反应，所以非侵入性的肌电图测定在尿失禁的临床检查和康复治疗领域有着广阔的应用前景[3-4]。在我国当前失禁护理领域，迫切需要对失禁的老人进行智能监控和预警，避免尿失禁引起的其他问题，对于减轻护理人员的工作压力和病人的心理压力有着重要的意义。根据尿失禁患者护理的具体要求，设计开发一套基于LabVIEW的尿检测预警系统。

    一、系统方案设计

    在对腹直肌表面肌电信号研究基础上所设计开发的基于LabVIEW的尿意检测及预警系统，包括信号采集模块、信号分析以及数据存储模块三部分组成。根据采集的腹肌表面机电信号计算综合积分肌电值（Xiemg）、方差（VAR），并根据分析其变化趋势对是否产生尿意做出预测。

    二、系统硬件设计

    （一）单片机最小系统设计

    系统采用TI公司的MSP430F149微处理器作为主控芯片，MSP430F149微处理器是一种新型的混合信号处理器，适合开发和设计单片机最小系统等优点。MSP430F149微处理器自带12位ADC，具有低电压、超低功耗、集成度高等特点，适合开发可穿戴设备。

    （二）信号调理电路设计

    该系统信号调理电路包括前置放大电路、带通滤波电路、工频陷波电路和电平抬升电路等四部分组成。

    （1）前置放大电路：选用ADI公司生产的仪用放大器AD620，该放大器具有高精度、低失调电压、低失调漂移等特性适用于精密数据采集系统[5]，根据AD620增益计算的前置放大电路增益约为10倍。（2）带通滤波电路：腹直肌表面肌电信号主要集中在0～500Hz，故本系统采用截止频率为072Hz的高通滤波器和截止频率为530.9Hz的低通波器组成带通滤波器。（3）工频陷波电路：腹直肌表面肌电信号主要集中在0～500Hz，主要能量集中在50～150Hz。50Hz工频干扰位于信号能量最集中的地方。因此采用双T型有源陷波器，有效滤除50Hz的工频信号，同时保留有用信号。（4）电平抬升电路：MSP430F149单片机A/D转换的输入电压范围为0～2.5V，电平抬升电路使信号电压抬升1.5V左右便于单片机进行A/D转换。

    三、系统软件设计

    （一）时域内信号分析

    在对腹直肌表面肌电信号综合积分肌电值（Xiemg）和方差（VAR）计算的基础上，对上述特征值的变化趋势计算，若呈现下降趋势则可认为有尿意产生[6]。其中：腹直肌表面肌电信号综合积分肌电值（Xiemg）的计算公式为：

    （二）单片机软件程序设计

    MSP430F149微处理器的软件开发采用C语言编程，其开发环境为IAR for MSP430。软件开发采用模块化设计，包括A/D转换子程序、ADC中断服务程序、串口发送数据子程序等。MSP430F149微处理器通过A/D转换将采集到的表面肌电信号进行模数转换，通过串口将数据实时传送到上位机，其MSP430F149软件程序流程图如图1所示。

    （三）上位机软件程序设计

    上位机监测预警系统软件采用LabVIEW图形化编程软件，它提供了丰富的VISA和数据处理的工具，大大提高了开发效率。上位机通过配置好的串口实时读取下位机发送的数据，在生产者循环内实时解析并压入队列中，在消费者循环计算、显示综合积分肌电值（Xiemg）和方差（VAR），根据综合积分肌电值（Xiemg）和方差（VAR）变化趋势判断被测试人员是否产生尿意，判断通过前面板一个布尔型控件显示，其LabVIEW尿意检测预警系统界面如图2所示。

    四、结语

    本系统根据尿失禁患者护理的具体要求，设计开发了一种简单易型尿意检测及预警系统。在一定程度上做到了从腹肌信号来分析和判断对失禁患者尿意，但也有不足之处，没有考虑到人体在运动时腹直肌表面电信号变化对尿意检测的影响，后期可通过对人体在不同状态下腹直肌表面电信号建立数学模型，进一步增加预测的准确率。

    参考文献：

    [1]查理.肌电假手的研究进展[J].国防科技，2007：6-13.

    [2]王健，金德闻.康复医学领域的表面肌电应用研究[J].中国康复医学杂志，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]王树振，单威，宋玲玲.AD620仪用放大器原理与应用[J].微处理机，2008（04）.

    [6]王喜太，耿艳娟，李立峰，等.腹肌表面肌电信号与储尿排尿的相关性分析[J].中国康复理论与实践，2008.