摘要 設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器技術(shù)的食管動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)食管動(dòng)力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示以及數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄與分析處理等功能，用于消化道動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)和LabVIEW環(huán)境下的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 食管動(dòng)力 USB 單片機(jī) LabVIEW SPCE061A PDIUSBID12

引 言
    消化道的動(dòng)力功能是消化系統(tǒng)重要的生理功能，消化道的動(dòng)力活動(dòng)是消化和吸收的基礎(chǔ)。近年來，由于社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)力障礙性疾病(DGIM)發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。2006年，功能性胃腸病(FGDs)的羅馬III標(biāo)準(zhǔn)的問世，加深了人們對(duì)消化道動(dòng)力的認(rèn)識(shí)。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(jī)理解釋癥狀。因此，消化道動(dòng)力檢測(cè)作為消化道疾病其他檢查方法的補(bǔ)充，對(duì)于研究和診斷胃腸動(dòng)力障礙性疾病，有較高的臨床意義。
    本系統(tǒng)由下位機(jī)與上位機(jī)組成。下位機(jī)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的顯示、分析等工作。上位機(jī)軟件采用LabVIEW開發(fā)。LabVIEW作為圖形化編程環(huán)境的引領(lǐng)者，不僅直觀易學(xué)、開發(fā)功能強(qiáng)，而且程序的可重用性高，儀器驅(qū)動(dòng)功能強(qiáng)大，能與第三方軟件輕松連接。使用LabVIEW進(jìn)行軟件開發(fā)，可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力及LabVIEW提供的大量擴(kuò)展功能庫(kù)和軟件工具包，大大豐富和增強(qiáng)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(xì)管液壓灌注法進(jìn)行食管動(dòng)力檢測(cè)。四通道測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)注滿蒸餾水后插入食管中，測(cè)壓導(dǎo)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(cè)得食管4個(gè)不同位置的壓力信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理后，接到下位機(jī)的模擬量輸入口。由下位機(jī)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(jī)。由上位機(jī)軟件設(shè)定灌注壓力，通過USB接口傳送給下位機(jī)，下位機(jī)輸出脈寬調(diào)制輸出信號(hào)控制檢測(cè)儀中的電機(jī)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)
    下位機(jī)主要由凌陽(yáng)公司16位單片機(jī)SPCE061A和Philips公司的USB接口芯片PDIU／SBDl2(簡(jiǎn)稱D12)組成。SPCE06lA擁有32位可編程的多功能I／O端口和2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)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(fù)位／監(jiān)測(cè)功能。SPCE061A的模擬量輸入口IOA[O～3]接檢測(cè)儀4路壓力信號(hào)，脈寬調(diào)制輸出口IO138接檢測(cè)儀的電機(jī)，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(shí)鐘設(shè)置、D12初始化、D12芯片的軟連接和模擬輸入通道初始化。定時(shí)器TimeA的時(shí)鐘源A選擇4 096 Hz，定時(shí)100 ms后，打開IRQl_TMA中斷。中斷發(fā)生后，中斷服務(wù)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U(xiǎn)SB端點(diǎn)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(gè)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(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    采用LabVIEW8．2專業(yè)版開發(fā)軟件，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用ACC2ESS 2003。采用模塊化設(shè)計(jì)方法將軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)操作模塊的設(shè)計(jì)
    使用ACCESS 2003創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)文件patient．mdb，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫(kù)需求分析，建立如下6個(gè)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(yǔ)詞庫(kù)表和解釋與評(píng)議詞庫(kù)表。
    LabVIEW訪問上述的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，需要安裝數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)工具包。數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)工具包通過使用ADO技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接。ADO是通過Mi-crosoft OLE DB與數(shù)據(jù)庫(kù)通信的?；贠LE DB的通信是通過一個(gè)類似于數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序的Provider實(shí)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(kù)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(kù)建立連接的API。如果一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)具有ODBC驅(qū)動(dòng)，則可以通過使用“Microsoft OLE DB Provider for ODBC”(實(shí)現(xiàn)了從0LE DB到ODBC的轉(zhuǎn)換功能)與數(shù)據(jù)庫(kù)連接。
    創(chuàng)建Microsoft Data Link文件并對(duì)UDL文件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，即可利用LabVIEW的數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)工具包中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。
    數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊包括以下幾個(gè)部分：
    ①用戶及密碼管理部分，負(fù)責(zé)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(yǔ)詞庫(kù)管理部分，是為了方便醫(yī)生在撰寫病人病例時(shí)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(píng)議詞庫(kù)管理部分，是為了方便醫(yī)生撰寫檢查報(bào)告時(shí)輸入解釋與評(píng)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(píng)議詞匯。
    ④病人數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分，負(fù)責(zé)病人數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，包括病人信息的瀏覽、修改、刪除以及病人各個(gè)時(shí)期檢查波形的查看。
    病人數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)線程。線程1具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下：
    ①獲得UDL文件的相對(duì)路徑，再用DB Tools Open COnnection函數(shù)打開與這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。
    ②使用DB Tools Execute Query函數(shù)，利用SQL語(yǔ)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(kù)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(kù)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(xiàng)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(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集與顯示模塊是醫(yī)生操作檢測(cè)儀的平臺(tái)，主要完成食管壓力數(shù)據(jù)的讀取和顯示、圖標(biāo)的標(biāo)記以及數(shù)據(jù)的保存。
    每100 ms下位機(jī)將食管壓力數(shù)據(jù)寫到USB端點(diǎn)2上。要正確讀取USB接口的數(shù)據(jù)，涉及對(duì)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。在LabVIEW環(huán)境下，可以采用傳統(tǒng)的開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序方法對(duì)D12芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如先用windowsDDK開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序，然后用Visual C++編寫DLL，最后在LabVIEW中調(diào)用DLL來操作USB設(shè)備。這里介紹一種在LabVIEW環(huán)境下使用VISA進(jìn)行快速開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的方法。
    NI-VISA是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API)，且支持USB通信。使用VISA的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)向?qū)閁SB設(shè)備創(chuàng)建并安裝INF文檔，只需在相應(yīng)欄內(nèi)輸入設(shè)備的供應(yīng)商ID(0X0471)、產(chǎn)品ID(0X0666)、制造商名稱(Philips Semiconductors)和型號(hào)名稱(PDILISBD12)。本設(shè)計(jì)中D12的VISA儀器描述符為USB0：：0x0471：：0x0666：：NI-VISA-O：：RAw，在測(cè)量與自動(dòng)化瀏覽器中可找到設(shè)備及其資源名稱，并可使用VI-SA Interactive Control測(cè)試通信情況。
    LabVIEW中使用VISA中的函數(shù)與USB設(shè)備進(jìn)行通信。圖5為從USB設(shè)備端點(diǎn)2中讀取指定字節(jié)數(shù)的程序代碼。具體實(shí)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(shè)備。
    ②用VISAOPEN函數(shù)打開VISA資源名稱控件所指定的設(shè)備。
    ③用USB Raw的屬性節(jié)點(diǎn)USB Settings：Bulk-InPipe，將端點(diǎn)2設(shè)置為批量輸入端點(diǎn)。
    ④用VISARead函數(shù)從USB端點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)食管壓力數(shù)據(jù)的顯示。
    在采集過程中，應(yīng)根據(jù)需要在波形圖表上設(shè)置基線和標(biāo)記圖標(biāo)。例如，當(dāng)確定測(cè)壓導(dǎo)管所有通道均插入胃中，應(yīng)點(diǎn)擊工具欄相應(yīng)圖標(biāo)設(shè)置胃基線；當(dāng)確定導(dǎo)管處于食管下括約肌中時(shí)，應(yīng)點(diǎn)擊工具欄相應(yīng)圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記。這些圖標(biāo)都會(huì)標(biāo)記在波形圖表上，以便今后的計(jì)算和分析。采集過程中，還應(yīng)將食管壓力數(shù)據(jù)以及圖標(biāo)標(biāo)記的時(shí)間和種類分別保存到二進(jìn)制文件中，最后將文件作為oLE對(duì)象保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
3．3 數(shù)據(jù)分析模塊的設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)分析模塊主要負(fù)責(zé)分析患者食管壓力數(shù)據(jù)，并完成對(duì)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(jìn)行過標(biāo)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(shí)現(xiàn)這些功能，故使用圖片控件進(jìn)行顯示的工作?？墒褂美L制波形圖函數(shù)將保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)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(duì)應(yīng)區(qū)域繪制正確的標(biāo)志圖像。
    對(duì)圖像進(jìn)行操作時(shí)還需進(jìn)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(dòng)滾動(dòng)條時(shí)，LabVIEW將通過擦除對(duì)象的內(nèi)容并重繪新數(shù)據(jù)的方式來更新某個(gè)對(duì)象，但這樣會(huì)導(dǎo)致可覺察的閃爍。通過設(shè)置圖片控件快捷菜單中的平滑更新屬性，LabVIEW會(huì)自動(dòng)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(shí)所作的標(biāo)記選擇相應(yīng)的區(qū)域，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算各種功能參數(shù)，如LES靜息壓、殘余壓、松弛率以及吞咽時(shí)食管的收縮壓力。
    分析結(jié)果會(huì)以報(bào)告的形式反饋給醫(yī)生，并且會(huì)被重新保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。最后，分析結(jié)果以報(bào)表形式輸出。

4 食管壓力檢查結(jié)果分析
    上位機(jī)軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)測(cè)量食管不同部位在靜息狀態(tài)與吞咽時(shí)的壓力，并實(shí)時(shí)顯示給醫(yī)生。對(duì)歷史數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)波形與采集時(shí)的標(biāo)記，從彈出的快捷菜單中選擇對(duì)應(yīng)的菜單項(xiàng)，然后選擇波形區(qū)域，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算各種食管壓力參數(shù)，以方便醫(yī)生進(jìn)行診斷。
4．1 食管下括約肌壓力及松弛功能檢測(cè)
    四通道測(cè)壓導(dǎo)管經(jīng)鼻腔插入胃腔，用緩慢定點(diǎn)牽拉法，當(dāng)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(shí)，說明測(cè)壓通道已進(jìn)入LES；同時(shí)點(diǎn)擊工具欄圖標(biāo)，以在壓力波形的相應(yīng)通道上進(jìn)行LES標(biāo)記。選擇區(qū)域后可測(cè)得LES靜息壓，如圖6所示。

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

4．2 食管體部壓力測(cè)定
    繼續(xù)緩慢向外牽拉測(cè)壓導(dǎo)管，使四通道導(dǎo)管都離開LES進(jìn)入食道體部。每隔20～30 s囑患者濕咽數(shù)次，同時(shí)在第一通道上標(biāo)記濕咽圖標(biāo)。濕咽時(shí)，食道會(huì)發(fā)生收縮，壓力波形上會(huì)升高。選擇區(qū)域后可測(cè)得食管蠕動(dòng)波幅，如圖8所示。

4．3 食管上括約肌(UES)檢測(cè)
    繼續(xù)緩慢向外牽拉測(cè)壓導(dǎo)管，當(dāng)壓力波形出現(xiàn)一個(gè)增高的平臺(tái)時(shí)，表明導(dǎo)管進(jìn)入食管上括約肌，同時(shí)應(yīng)在壓力波形上標(biāo)記UES圖標(biāo)。平臺(tái)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(tái)會(huì)突然下降又上升，下降的最低點(diǎn)至食管基線的壓力差即為UES松弛壓。

結(jié) 語(yǔ)
    利用LabVIEW強(qiáng)大的儀器驅(qū)動(dòng)功能，快速、高效地開發(fā)了USB驅(qū)動(dòng)程序。利用LabVIEW的工具包實(shí)現(xiàn)了與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的輕松連接。通過對(duì)人體食管壓力數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，得到了可供輔助診斷的壓力參數(shù)，滿足了實(shí)際的醫(yī)用需求。