生物医学信号处理中的MATLAB 应用

白冰，赵添羽

（齐齐哈尔医学院医学技术学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

0 引言

作为医学研究的交叉学科，生物医学工程对生命科学发展具有强大挖掘潜力。尤其是生物医学信号处理，是数字化、信息化的结合，同时也是生物学研究理论基础。生物医学信号分析中应用MATLAB技术，简化生理信号处理技术，并且提高生物医学信号处理的实用性，褪去复杂的数学运算步骤，以命令输入的方式迅速得到生物医学信号处理结果，进一步提高生理信号处理效率。

1 MATLAB 概述

医疗仪器产品的应用主要负责采集医疗信号转换成医疗信息。多数医疗仪器产品主要通过USB、RS-232C 等接口将连接硬件电路，同时将采集到的医疗信号传输到计算机中，利用计算机完成后续操作。这期间软件编程必须承受巨大工作量。加上新型医疗器械产品正处于开发研究阶段，因为很多功能没有定型，尤其是数据处理方法方面，所以需要频繁修改软件编写程序，或者添加各种功能。反复研究中，选择科学、恰当的编程环境，对于软件编写程序完善十分关键。正常情况下，数据处理、分析、显示等都可以通过图形用户界面编程语言完成（GUI）[1]。但是即便编程语言所形成的软件，在信息处理与执行方面效率很高，同时不管是数据分析还是统计速度都十分快，依然在很多方面与生物医学信号处理相矛盾。小波理论、人工神经网络等处理阶段，涉及到的编程语言非常复杂，在此基础上还需要进一步细化与完善。

必须将软件研究重点置于生物医学信号处理方面，慎重考虑研究，选择MATLAB 语言加以应用。之所以选择MATLAB 语言，主要因为其囊括矩阵运算软件、图形用户界面（GUI）、数据处理工具箱等。首先MATLAB 语言作为信息处理软件，其延伸于矩阵运算，不管是二维亦或是三维，都能够迅速绘制图形，尤其是生物医学复杂的信息内容。例强噪声背景下的生物信息处理或者干扰信号嘈杂环境中的生物信息处理。其次GUI 编程中，其编程能力较强，操作便利，为编程人员减轻了工作压力。应用程序中功能强大，即便工程类非专业人士，依然能够操作简便的程序。MATLAB 语言应用，对环境要求严格，GUI对环境更为敏感，与医学工程研究十分匹配。最后是数据处理工具箱，其数据处理、分析功能，帮助生物医学研究有效处理数据信息。尤其是信号处理工具箱、时频分析工具箱、统计工具箱等，完成生物医学研究信息的获取与处理，利用对应设备操控工具箱，提高生物医学工程研究效率。以USB 总线接口等医疗设备为基础，选择适当的接口线，并且及时与MATLAB 语言连接，做到生物医学工程研究数据的实时互传，并且及时发挥出储备、分析、统计、显示等优势[2]。

2 生物医学信号处理中的MATLAB 应用

MATLAB 在生物医学信号处理中的具体应用，文章以人体呼出的CO2采集、消化道信号处理等方面详细分析研究。

2.1 GUI 对CO2 浓度采集处理

对CO2采集处理，生物医学研究中，以MATLAB语言编写为基础，运用图形用户界面方式，将人体呼出的CO2以气体敏感元件加以处理，规划为两路电信号，分别为参考信号、CO2浓度曲线。根据CO2采集处理所得框图，利用MATLAB 语言划分为几个板块，分别为A/D 转换器、单片机、CO2气体、计算机处理、MATLAB 信号处理。具体分析图如图1 所示。

图1 MATLAB 对CO2 浓度采集处理分析图

将采集到的CO2气体进行敏感处理，放大电路，由着微弱的电信号，在放大之后及时进入到A/D 采样阶段，由此利用转换器加以处理，随即以单片机的方式，将生物医学信息传输到计算机中。当然期间必须进行数字信号与模拟信号的转换，确保RS-232C 接口传输功能的正常，确保数字信号传输的准确无误。计算机根据MATLAB 语言程序，对数字信号科学处理。主要应用GUI，通过数据控制工具箱，根据串行通信类分析功能，准确接收单机片信号，通过平滑滤波一系列处理，获得人体呼出CO2浓度曲线。

结合CO2浓度曲线形成过程，其中涉及到串口号、通信波特率，MATLAB 语言程序拥有自行设置权利，选择SendFF 按钮，给单片机发送十六进制0xFF，帮助单片机在生物医学信息采集中，能够实现实时模拟信号采集，同时将串口及时在图形用户界面加以反馈，并且以图形形式展示出来。这期间及时计算CO2浓度信号采集的最大、最小均值、峰值，进而准确计算浓度数值。MATLAB 语言程序中还包含Load Data 按钮，其功能主要是打开本地系统中存储的相关数据文件。

2.2 GUI 对人体消化道生物医学信号处理

消化道问题是最常见的人体机能问题，同时也是生物医学研究的重点。MATLAB 在人体消化道信号处理方面的应用，主要以人体消化道为对象，通过微型介入式的方式，采集与记录人体消化道运行中所产生的生理参数[3]。具体包括运行速度、消化道面临的压力、消化道温度变化等。当然基于MATLAB语言程序，通过微型介入式遥测胶囊设备，在介入式监测系统的推动与支持下，联合便携式体外数据记录器、体外数据处理站、体外超声探测定位装置，及时对人体消化道信号加以采集。当然MATLAB 语言系统模式下，人体消化道信号采集处理程序如下：

以微型胶囊为载体，将其送入到消化道管腔中。将胶囊放置于口腔，通过开水送服的方式将其送入到要求位置。其次胶囊进入到管腔中，顺着管腔运行方向不断蠕动前行，前行的过程也是胶囊采集信息的过程。最后胶囊顺利通过肛门安全排除。整个监测过程经由上述步骤形成一个闭环，并且实现消化道全过程的监测与信息采集。这期间，系统会接收到语音信号，MATLAB 以语音读入的方式打开，并且绘制语音信号波形频谱图。

程序运行及时根据声音分析得到的图形。

3 结束语

综上所述，科学技术发展，生物医学研究不断出现新技术。尤其是计算机在生活中的普及，将生物医学研究中的新技术与日常生活紧密联系，创新生物医学研究模式，以MATLAB 系统为中心，更好的处理生物医学研究信号，进一步提高采集、处理速度与准确性。