基于排序熵算法的麻醉深度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳　丹，文宇橋，譚　希，陳順鈴(．四川理工學(xué)院，四川自貢643000; ．自貢市第五人民醫(yī)院，四川自貢64300)

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基于排序熵算法的麻醉深度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳丹1*，文宇橋1，譚希2，陳順鈴1
(1．四川理工學(xué)院，四川自貢643000; 2．自貢市第五人民醫(yī)院，四川自貢643020)

摘要:為輔助醫(yī)生在手術(shù)過程中對(duì)患者麻醉深度狀態(tài)的判斷，設(shè)計(jì)了一種基于排序熵算法的麻醉深度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含3個(gè)部分，前端腦電預(yù)處理電路、排序熵算法數(shù)據(jù)處理電路和人機(jī)交互軟件。前端電路主要包括各類放大電路和濾波電路;排序熵算法數(shù)據(jù)處理是基于stm32單片機(jī)完成;人機(jī)交互軟件主要用于對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄顯示等工作，輔助醫(yī)生對(duì)患者麻醉狀況的判斷。依據(jù)以上方案制作了檢測(cè)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，能完成相關(guān)數(shù)據(jù)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞:腦電信號(hào);麻醉深度;信號(hào)采集;排序熵

麻醉是當(dāng)今臨床醫(yī)學(xué)重要的組成部分。合理的麻醉可以在患者無痛覺的情況下進(jìn)行手術(shù)，使患者免受不必要的痛苦，也方便醫(yī)生正常工作。科學(xué)合理的判斷并控制合適的麻醉深度已成為臨床迫切需要解決的問題。麻醉深度的監(jiān)測(cè)有利于控制麻醉劑量，可利用最少的麻醉藥物達(dá)到最佳的麻醉醫(yī)療效果。本文為基于排序熵算法的麻醉深度檢測(cè)系統(tǒng)的仿真及設(shè)計(jì)調(diào)試，以供后續(xù)實(shí)驗(yàn)需要。

1　預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

腦電信號(hào)是非常微弱的信號(hào)，在μV級(jí)別，且信號(hào)范圍為0．1 Hz～100 Hz，考慮到后級(jí)信息處理需要電壓幅度和外界干擾問題，故設(shè)計(jì)了三級(jí)放大電路，濾波電路及工頻陷波電路。其主要電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．1前置放大器設(shè)計(jì)

生物信號(hào)檢測(cè)中，前置放大器非常重要，需要從大量干擾中提取待測(cè)信號(hào)。前置放大器性能將會(huì)較大的影響后續(xù)信號(hào)的處理，所以就要求該級(jí)電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲等。故前置放大器選取差分輸入方式AD620，該方式具有較高的共模抑制比，對(duì)共模干擾有較高的抑制作用。又因考慮極化電壓影響，該級(jí)增益選取10倍放大。其電路圖如圖2所示。

圖2　前置放大電路

1．2高通濾波器設(shè)計(jì)

采用RC無源高通濾波器，隔離極化電壓，消除干擾，其截止頻率為0．1 Hz。其電路圖如圖3所示。

圖3　RC無源高通濾波器

1．3第2級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)要求最終輸出要達(dá)到1．5 V左右，還需放大3 000倍左右，為減小失真，第2級(jí)放大電路增益選取100倍，其電路如圖4所示。

圖4　第2級(jí)放大電路

1．4低通濾波器設(shè)計(jì)

雖然腦電信號(hào)可以達(dá)到100 Hz，但大多數(shù)頻率范圍都集中在35 Hz以內(nèi)，而后續(xù)分析主要是對(duì)腦電信號(hào)的非線性分析，所以，低通濾波器截止頻率設(shè)計(jì)為35 Hz左右，采用4階巴特沃茲低通濾波器，其電路如圖5所示。

1．5 50 Hz陷波器設(shè)計(jì)

采用市電供電均為受到50 Hz工頻干擾，使采集到的生物信號(hào)淹沒在干擾中，為消除工頻干擾，故設(shè)計(jì)工頻陷波器，其電路如圖6所示。

圖5　低通濾波器電路

圖6　50 Hz陷波器電路

1．6第3級(jí)放大器設(shè)計(jì)

該級(jí)放大器將向后級(jí)數(shù)據(jù)處理芯片輸出信號(hào)，本項(xiàng)目處理芯片選擇德州儀器生產(chǎn)的MSP430F149單片機(jī)，其片上ADC為12Bit，輸入應(yīng)到達(dá)V級(jí)，故第3級(jí)放大器選擇放大30倍，其電路如圖7所示。

圖7　第3級(jí)放大電路

1．7前端處理電路實(shí)物圖及測(cè)試

前端處理電路實(shí)物圖如圖8所示。

圖8　預(yù)處理電路實(shí)物圖

對(duì)輸入標(biāo)準(zhǔn)方波進(jìn)行測(cè)試如圖9所示。

圖9　輸入方波測(cè)試圖

輸入腦電信號(hào)測(cè)試圖如圖10、圖11所示。

圖10　腦電測(cè)試圖

圖11　腦電測(cè)試圖

2　排序熵算法分析仿真

排序熵是一種非線性算法，在基于EEG的麻醉深度檢測(cè)中近年有較多的運(yùn)用。算法的臨床驗(yàn)證說明算法的可靠性和國外唯一得到美國FDA(美國食品和藥物管理局)的產(chǎn)品BIS有很好的相關(guān)性。

2．1排序熵算法

假設(shè)對(duì)于一個(gè)信號(hào)的原始數(shù)據(jù)序列，將其按照某種規(guī)則分成若干個(gè)子信號(hào)段。對(duì)于其中的任何一個(gè)字信號(hào)段，記為{ x(i)，i= 1，2，3，…N}，N為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。按照下列排序熵算法計(jì)算子信號(hào)段的排序熵:

(1)將序列按照順序組成m維的矢量，其中m為嵌入的維數(shù)，L為遲滯時(shí)間:

(2)對(duì)序列

Xi=［x(i)，x(i+L)，…，x(i+(m－1) L)］，i = 1，2，…，N－m+1中的元素按照增序進(jìn)行排列:

其中，當(dāng)有數(shù)相等的時(shí)候，即

那么x就按照相應(yīng)的j順序排列，即如果ji1＜ji2，則

鄭成川伸手?jǐn)r住一位準(zhǔn)備上前的黑旗會(huì)灰衣殺手迎向武成龍，話也不說雙手就指天畫地，緊接著右手掌向前一翻，因?yàn)樗擅两襁€沒有人敢公然在他面前蔑視地勾動(dòng)食指。一股旋轉(zhuǎn)的勁氣向武成龍沖擊的同時(shí)鄭成川左手幻動(dòng)，五縷指風(fēng)在嘯聲中勁射。人隨掌進(jìn)，一擊必殺！

故任意一個(gè)向量Xi都可以得到一組符號(hào)序列:

(3)對(duì)于m個(gè)符號(hào)(j1，j2，j3，…，jm)一共有m!種不同的排列，也就是說有m!種不同的符號(hào)，那么符號(hào)序列F(g)是其中的一種排列。將所有排列相同的F(g)聚到一組在N－m+1組序列中比較得出他的概率Pk，每組序列的個(gè)數(shù)分別為NUM1，NUM2，NUM3，…，NUMk，其中，j≤m!。

(4)根據(jù)公式計(jì)算排序熵:

Hp值越小，時(shí)間序列越規(guī)律;換句話說就是Hp越小麻醉程度越深。N不能取得太小，否側(cè)失去了其統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義，一般N的取值范圍為: 1 000≤N≤10 000; m的取值范圍為: 3≤m≤15。為了保證仿真盡可能的減小誤差，遲滯時(shí)間L一般取1或2。

2．2排序熵算法仿真

為理論驗(yàn)證熵算法效果，對(duì)100 Hz正弦信號(hào)進(jìn)行了算法仿真。

(1)當(dāng)不加載隨機(jī)噪聲信號(hào)，m=6，L=1時(shí)仿真熵值為21左右，如圖12所示。

圖12　未加噪聲仿真

(2)當(dāng)加載少量隨機(jī)噪聲信號(hào)，m=6，L=1時(shí)仿真熵值為57左右，如圖13所示。

圖13　加載少量噪聲仿真圖

(3)當(dāng)加載大量隨機(jī)噪聲信號(hào)，m=6，L=1時(shí)仿真熵值為95左右，如圖14所示。

圖14　加載大量噪聲信號(hào)仿真圖

通過對(duì)排序熵算法初步仿真，基本能說明排序熵值同信號(hào)的隨機(jī)程度有很大的相關(guān)性。

3　數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理是基于STM32單片機(jī)完成，其采用的ARM Cortex－M3內(nèi)核具有價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大、硬件資源豐富、功率損耗小的特點(diǎn)，能滿足設(shè)計(jì)需要。

依據(jù)排序熵算法，設(shè)計(jì)算法流程圖如圖15所示。

數(shù)據(jù)處理電路總圖如圖16所示。其中包含: RS－485通信電路、上位機(jī)通信電路原理圖、網(wǎng)絡(luò)地址配置電路、stm32F103RC最小系統(tǒng)電路等。

圖15　排序算法流程圖

圖16　數(shù)據(jù)處理電路總圖

4　人機(jī)交互軟件

人機(jī)交互界面是用于醫(yī)生對(duì)患者狀態(tài)的把握，要求有明確，及時(shí)的反應(yīng)患者當(dāng)時(shí)狀態(tài)。其包括EEG顯示窗、熵值顯示變化圖、測(cè)試信息記錄窗和患者信息記錄窗等。

人機(jī)交互軟件如圖17所示。

該軟件可實(shí)驗(yàn)測(cè)試調(diào)試記錄等功能。

圖17　人機(jī)交互軟件界面圖

5　聯(lián)調(diào)測(cè)試

由于人腦是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在正常情況下，EEG信號(hào)會(huì)受到外界環(huán)境影響和自身大腦活動(dòng)影響，通常是一個(gè)較為無序的波形，所以熵值較高，而處于深度麻醉狀況時(shí)，大腦活動(dòng)減少，EEG信號(hào)則為一個(gè)較為有序的狀態(tài)，熵值較低。所以對(duì)麻醉深度的判斷可以根據(jù)EEG信號(hào)的熵值的高低來進(jìn)行。

由于目前實(shí)驗(yàn)室條件所限，只能進(jìn)行清醒時(shí)EEG信號(hào)的測(cè)量，而麻醉狀況的EEG信號(hào)只能用有序信號(hào)來代替，所以聯(lián)調(diào)時(shí)測(cè)量了清醒時(shí)人腦EEG信號(hào)和有序方波信號(hào)對(duì)比，說明了該系統(tǒng)和算法能正常工作。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將會(huì)同醫(yī)院合作，進(jìn)入手術(shù)病房采集。并根據(jù)臨床麻醉狀況進(jìn)行算法參數(shù)的調(diào)整或修改。

首先，加入腦電信號(hào)后如圖18、圖19所示。在清醒時(shí)，腦電信號(hào)熵值大約在4．5以上。加入有序方波信號(hào)時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖20所示。其熵值為2．1左右，說明該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量是能正常工作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為下一步手術(shù)測(cè)試做好了準(zhǔn)備。

圖18　腦電信號(hào)顯示圖1

圖19　腦電信號(hào)顯示圖2

圖20　有序信號(hào)顯示圖

6　結(jié)束語

全麻是外科手術(shù)必不可少的步驟之一，全麻過程中，醫(yī)生只能根據(jù)病人的體征反應(yīng)和自己的經(jīng)驗(yàn)來判斷病人的麻醉狀態(tài)，因而在麻醉過程中很容易出現(xiàn)術(shù)中知曉和因麻醉不當(dāng)帶來的各種并發(fā)癥。目前，研究表明腦電對(duì)麻醉深度估計(jì)具有不可代替的作用。文章相關(guān)項(xiàng)目還在進(jìn)行中，系統(tǒng)硬件電路和算法上還有許多需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行完善和改進(jìn)的地方。

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陳　丹(1979－)，男，漢族，四川富順人，四川理工學(xué)院講師，碩士畢業(yè)于成都電子科技大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)，現(xiàn)從事通信相關(guān)專業(yè)工作，wwaawwaa@ yeah．net。

A Design of Timing Simulation Test System for Launch Vehicle

MA Xuesong1，YAO Jingbo2*，XIE Weiqi1，PEI Shanshan3
(1．Company of Postgraduate Management of Equipment Academy，Beijing 101416，China; 2．Department of Space Equipment of Equipment Academy，Beijing 101416，China; 3．The School of Business Administration Dongbei University of Finance and Economics，Dalian Liaoning 116023，China)

Abstract:To solve the test problems of launch vehicles ground test equipment such as long calibration cycle，complex and various test methods，a timing simulation test system is designed based on SOPC and USB 3．0 (CYUSB3014) for launch vehicle．64-channels of timing timing sequence and timing bunchs can be produced to test launch vehicles ground test equipment with different test requirements．This system has advantages easy to approach，versatility，high precision and a large number of channels which can improve the test efficiency．

Key words:launch vehicles; test; USB 3．0; CYUSB3014; SOPC

doi:EEACC: 7210; 795010．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．041

收稿日期:2014－05－16修改日期: 2014－06－11

中圖分類號(hào):TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 02－0429－07

項(xiàng)目來源:人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2012RYY10，2012RYY11) ;四川理工學(xué)院項(xiàng)目(JG－1203)