基于LabVIEW的食管動力檢測系統(tǒng)設計

摘要 設計了一種基于虛擬儀器技術(shù)的食管動力檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)食管動力信號的實時采集、顯示以及數(shù)據(jù)的自動記錄與分析處理等功能，用于消化道動力障礙性疾病的輔助診斷。本文介紹了系統(tǒng)的硬件組成、下位機設計和LabVIEW環(huán)境下的上位機軟件設計。
關鍵詞 食管動力 USB 單片機 LabVIEW SPCE061A PDIUSBID12

引 言
    消化道的動力功能是消化系統(tǒng)重要的生理功能，消化道的動力活動是消化和吸收的基礎。近年來，由于社會競爭激烈、生活節(jié)奏加快、飲食結(jié)構(gòu)變化以及人們心理、精神等因素，胃腸動力障礙性疾病(DGIM)發(fā)病率呈上升趨勢。2006年，功能性胃腸病(FGDs)的羅馬III標準的問世，加深了人們對消化道動力的認識。FGDs需要排除炎癥、感染、腫瘤及其他結(jié)構(gòu)異常等器質(zhì)性病變，并根據(jù)癥狀作出診斷。同樣，作為FGDs中的一種，DGIM也不能用器質(zhì)性疾病機理解釋癥狀。因此，消化道動力檢測作為消化道疾病其他檢查方法的補充，對于研究和診斷胃腸動力障礙性疾病，有較高的臨床意義。
    本系統(tǒng)由下位機與上位機組成。下位機負責采集數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給上位機；上位機主要完成數(shù)據(jù)的顯示、分析等工作。上位機軟件采用LabVIEW開發(fā)。LabVIEW作為圖形化編程環(huán)境的引領者，不僅直觀易學、開發(fā)功能強，而且程序的可重用性高，儀器驅(qū)動功能強大，能與第三方軟件輕松連接。使用LabVIEW進行軟件開發(fā)，可以充分利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力及LabVIEW提供的大量擴展功能庫和軟件工具包，大大豐富和增強了儀器的功能。

1 系統(tǒng)原理
    本系統(tǒng)采用腔內(nèi)壓力記錄法中的毛細管液壓灌注法進行食管動力檢測。四通道測壓導管內(nèi)注滿蒸餾水后插入食管中，測壓導管側(cè)孔處的食管壓力通過無伸縮性的水柱傳至壓力傳感器的敏感膜片上，可測得食管4個不同位置的壓力信號。該信號經(jīng)放大調(diào)理后，接到下位機的模擬量輸入口。由下位機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過USB接口傳送給上位機。由上位機軟件設定灌注壓力，通過USB接口傳送給下位機，下位機輸出脈寬調(diào)制輸出信號控制檢測儀中的電機。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 下位機設計
    下位機主要由凌陽公司16位單片機SPCE061A和Philips公司的USB接口芯片PDIU／SBDl2(簡稱D12)組成。SPCE06lA擁有32位可編程的多功能I／O端口和2個16位定時器／計數(shù)器，內(nèi)部集成了7通道10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兼具低電壓復位／監(jiān)測功能。SPCE061A的模擬量輸入口IOA[O～3]接檢測儀4路壓力信號，脈寬調(diào)制輸出口IO138接檢測儀的電機，SPCE061A與D12的連接如圖2所示。

    主程序流程如圖3所示。系統(tǒng)初始化包括：系統(tǒng)時鐘設置、D12初始化、D12芯片的軟連接和模擬輸入通道初始化。定時器TimeA的時鐘源A選擇4 096 Hz，定時100 ms后，打開IRQl_TMA中斷。中斷發(fā)生后，中斷服務子程序調(diào)用D12命令層中的寫緩沖區(qū)函數(shù)，將函數(shù)Get_AD()讀取的4路A／D轉(zhuǎn)換值寫入USB端點2。其中，函數(shù)Get_AD()先讀取模擬輸入通道0的A／D轉(zhuǎn)換值26次，忽略最大與最小的5個值后取平均值；再依次讀取下一路模擬輸入通道的A／D轉(zhuǎn)換值。

3 上位機軟件系統(tǒng)的設計
    采用LabVIEW8．2專業(yè)版開發(fā)軟件，后臺數(shù)據(jù)庫采用ACC2ESS 2003。采用模塊化設計方法將軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫操作模塊、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。
3．1 數(shù)據(jù)庫操作模塊的設計
    使用ACCESS 2003創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件patient．mdb，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫需求分析，建立如下6個數(shù)據(jù)表：系統(tǒng)信息表、用戶信息表、患者信息表、患者波形數(shù)據(jù)表、常用語詞庫表和解釋與評議詞庫表。
    LabVIEW訪問上述的數(shù)據(jù)庫文件，需要安裝數(shù)據(jù)庫互聯(lián)工具包。數(shù)據(jù)庫互聯(lián)工具包通過使用ADO技術(shù)與數(shù)據(jù)庫建立連接。ADO是通過Mi-crosoft OLE DB與數(shù)據(jù)庫通信的。基于OLE DB的通信是通過一個類似于數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序的Provider實現(xiàn)的。使用ADO將允許與任何提供了OLE DB Provider或者ODBC Driver的數(shù)據(jù)庫建立連接。ODBC(Open DataBaseConnectivity)是一種傳統(tǒng)的通用的允許與數(shù)據(jù)庫建立連接的API。如果一個數(shù)據(jù)庫具有ODBC驅(qū)動，則可以通過使用“Microsoft OLE DB Provider for ODBC”(實現(xiàn)了從0LE DB到ODBC的轉(zhuǎn)換功能)與數(shù)據(jù)庫連接。
    創(chuàng)建Microsoft Data Link文件并對UDL文件進行相應設置后，即可利用LabVIEW的數(shù)據(jù)庫互聯(lián)工具包中的函數(shù)實現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫的訪問。
    數(shù)據(jù)庫操作模塊包括以下幾個部分：
    ①用戶及密碼管理部分，負責軟件用戶的登陸及密碼的管理，包括用戶及密碼的添加、修改及刪除。
    ②常用語詞庫管理部分，是為了方便醫(yī)生在撰寫病人病例時輸入常用的病例詞匯的部分。醫(yī)生可以根據(jù)自己的需要添加和編輯常用的病例詞匯。
    ③解釋與評議詞庫管理部分，是為了方便醫(yī)生撰寫檢查報告時輸入解釋與評議詞匯的部分。醫(yī)生可以根據(jù)自己的需要添加和編輯常用的解釋與評議詞匯。
    ④病人數(shù)據(jù)庫管理部分，負責病人數(shù)據(jù)庫的管理，包括病人信息的瀏覽、修改、刪除以及病人各個時期檢查波形的查看。
    病人數(shù)據(jù)庫管理部分用于顯示病人信息的程序，如圖4所示。這段代碼分為3個線程。線程1具體實現(xiàn)的步驟如下：
    ①獲得UDL文件的相對路徑，再用DB Tools Open COnnection函數(shù)打開與這個數(shù)據(jù)庫的連接。
    ②使用DB Tools Execute Query函數(shù)，利用SQL語句select * from PatientTable來執(zhí)行SQL查詢，用以選擇患者信息表中的任何記錄。
    ③使用DB Tools Fetch Recordset Data函數(shù)，將記錄以二維數(shù)據(jù)庫變量數(shù)組的形式輸出。
    ④通過For循環(huán)中的Database Variant To Data函數(shù)，將二維數(shù)據(jù)庫變量數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串格式顯示在多列列表框中。

    線程2用于顯示選項卡2中的所有控件(包括多列列表框)，線程3用于插入新的菜單。
3．2 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊的設計
    數(shù)據(jù)采集與顯示模塊是醫(yī)生操作檢測儀的平臺，主要完成食管壓力數(shù)據(jù)的讀取和顯示、圖標的標記以及數(shù)據(jù)的保存。
    每100 ms下位機將食管壓力數(shù)據(jù)寫到USB端點2上。要正確讀取USB接口的數(shù)據(jù)，涉及對USB設備的驅(qū)動。在LabVIEW環(huán)境下，可以采用傳統(tǒng)的開發(fā)USB驅(qū)動程序方法對D12芯片進行驅(qū)動，如先用windowsDDK開發(fā)USB驅(qū)動程序，然后用Visual C++編寫DLL，最后在LabVIEW中調(diào)用DLL來操作USB設備。這里介紹一種在LabVIEW環(huán)境下使用VISA進行快速開發(fā)USB驅(qū)動程序的方法。
    NI-VISA是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口(API)，且支持USB通信。使用VISA的驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)閁SB設備創(chuàng)建并安裝INF文檔，只需在相應欄內(nèi)輸入設備的供應商ID(0X0471)、產(chǎn)品ID(0X0666)、制造商名稱(Philips Semiconductors)和型號名稱(PDILISBD12)。本設計中D12的VISA儀器描述符為USB0：：0x0471：：0x0666：：NI-VISA-O：：RAw，在測量與自動化瀏覽器中可找到設備及其資源名稱，并可使用VI-SA Interactive Control測試通信情況。
    LabVIEW中使用VISA中的函數(shù)與USB設備進行通信。圖5為從USB設備端點2中讀取指定字節(jié)數(shù)的程序代碼。具體實現(xiàn)過程如下：
    ①在前面板的“VISA資源名稱控件”中輸入VISA資源名稱字符串(即上述的VISA儀器描述符)，用來指定要連接的USB設備。
    ②用VISAOPEN函數(shù)打開VISA資源名稱控件所指定的設備。
    ③用USB Raw的屬性節(jié)點USB Settings：Bulk-InPipe，將端點2設置為批量輸入端點。
    ④用VISARead函數(shù)從USB端點2中讀取16字節(jié)的數(shù)據(jù)。

    用波形圖表控件顯示讀取的USB端點數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)食管壓力數(shù)據(jù)的顯示。
    在采集過程中，應根據(jù)需要在波形圖表上設置基線和標記圖標。例如，當確定測壓導管所有通道均插入胃中，應點擊工具欄相應圖標設置胃基線；當確定導管處于食管下括約肌中時，應點擊工具欄相應圖標進行標記。這些圖標都會標記在波形圖表上，以便今后的計算和分析。采集過程中，還應將食管壓力數(shù)據(jù)以及圖標標記的時間和種類分別保存到二進制文件中，最后將文件作為oLE對象保存到數(shù)據(jù)庫中。
3．3 數(shù)據(jù)分析模塊的設計
    數(shù)據(jù)分析模塊主要負責分析患者食管壓力數(shù)據(jù)，并完成對患者壓力數(shù)據(jù)的輔助診斷。
    首先需要將數(shù)據(jù)采集過程中進行過標記操作的食管壓力數(shù)據(jù)波形圖繪制出來。由于要顯示波形圖以及各種直線、圖像、文字，波形圖控件已不能實現(xiàn)這些功能，故使用圖片控件進行顯示的工作。可使用繪制波形圖函數(shù)將保存在數(shù)據(jù)庫中相應的食管壓力數(shù)據(jù)繪制在圖片中。利用讀取BMP文件函數(shù)、還原像素圖函數(shù)和繪制還原像素圖函數(shù)，可以在圖片控件對應區(qū)域繪制正確的標志圖像。
    對圖像進行操作時還需進行防閃爍的處理。通常情況下，在圖片中重新繪制圖形或拖動滾動條時，LabVIEW將通過擦除對象的內(nèi)容并重繪新數(shù)據(jù)的方式來更新某個對象，但這樣會導致可覺察的閃爍。通過設置圖片控件快捷菜單中的平滑更新屬性，LabVIEW會自動利用幕后緩沖區(qū)來最大限度地抑制擦除和重繪所引起的閃爍。食管壓力數(shù)據(jù)的波形圖繪制完后，根據(jù)在數(shù)據(jù)采集時所作的標記選擇相應的區(qū)域，系統(tǒng)會自動計算各種功能參數(shù)，如LES靜息壓、殘余壓、松弛率以及吞咽時食管的收縮壓力。
    分析結(jié)果會以報告的形式反饋給醫(yī)生，并且會被重新保存到數(shù)據(jù)庫中。最后，分析結(jié)果以報表形式輸出。

4 食管壓力檢查結(jié)果分析
    上位機軟件系統(tǒng)會自動測量食管不同部位在靜息狀態(tài)與吞咽時的壓力，并實時顯示給醫(yī)生。對歷史數(shù)據(jù)樣本進行分析時，根據(jù)波形與采集時的標記，從彈出的快捷菜單中選擇對應的菜單項，然后選擇波形區(qū)域，系統(tǒng)會自動計算各種食管壓力參數(shù)，以方便醫(yī)生進行診斷。
4．1 食管下括約肌壓力及松弛功能檢測
    四通道測壓導管經(jīng)鼻腔插入胃腔，用緩慢定點牽拉法，當壓力曲線隨呼吸波幅度明顯增加，如壓力持續(xù)升高超過胃基線2 mmHg以上時，說明測壓通道已進入LES；同時點擊工具欄圖標，以在壓力波形的相應通道上進行LES標記。選擇區(qū)域后可測得LES靜息壓，如圖6所示。

    導管進入LES高壓區(qū)時壓力波形出現(xiàn)高峰，當導管位于LES腹段時，作吸氣試驗可看到吸氣時壓力升高。繼續(xù)牽拉導管直至吸氣時壓力突然下降，此下降點即為壓力反轉(zhuǎn)點(PIP)，表明導管已進入LES胸段。
    每隔20～30 s囑受檢者做數(shù)次濕咽，以檢測吞咽后的LES松弛功能，同時在相應的通道上打上濕咽(殘余壓)圖標。選擇區(qū)域后可測得LES松弛壓，如圖7所示。

4．2 食管體部壓力測定
    繼續(xù)緩慢向外牽拉測壓導管，使四通道導管都離開LES進入食道體部。每隔20～30 s囑患者濕咽數(shù)次，同時在第一通道上標記濕咽圖標。濕咽時，食道會發(fā)生收縮，壓力波形上會升高。選擇區(qū)域后可測得食管蠕動波幅，如圖8所示。

4．3 食管上括約肌(UES)檢測
    繼續(xù)緩慢向外牽拉測壓導管，當壓力波形出現(xiàn)一個增高的平臺時，表明導管進入食管上括約肌，同時應在壓力波形上標記UES圖標。平臺頂部至食管基線的壓力差即為UES壓力。囑受檢者干咽，壓力平臺會突然下降又上升，下降的最低點至食管基線的壓力差即為UES松弛壓。

結(jié) 語
    利用LabVIEW強大的儀器驅(qū)動功能，快速、高效地開發(fā)了USB驅(qū)動程序。利用LabVIEW的工具包實現(xiàn)了與ACCESS數(shù)據(jù)庫的輕松連接。通過對人體食管壓力數(shù)據(jù)樣本進行分析，得到了可供輔助診斷的壓力參數(shù)，滿足了實際的醫(yī)用需求。