基于排序熵算法的麻醉深度检测系统设计*

陈　丹，文宇桥，谭　希，陈顺铃(．四川理工学院，四川自贡643000; ．自贡市第五人民医院，四川自贡64300)



基于排序熵算法的麻醉深度检测系统设计*

陈丹1*，文宇桥1，谭希2，陈顺铃1
(1．四川理工学院，四川自贡643000; 2．自贡市第五人民医院，四川自贡643020)

摘要:为辅助医生在手术过程中对患者麻醉深度状态的判断，设计了一种基于排序熵算法的麻醉深度检测系统。该系统主要包含3个部分，前端脑电预处理电路、排序熵算法数据处理电路和人机交互软件。前端电路主要包括各类放大电路和滤波电路;排序熵算法数据处理是基于stm32单片机完成;人机交互软件主要用于对测试结果进行记录显示等工作，辅助医生对患者麻醉状况的判断。依据以上方案制作了检测系统，并在实验室环境下进行了测试，能完成相关数据检测。

关键词:脑电信号;麻醉深度;信号采集;排序熵

麻醉是当今临床医学重要的组成部分。合理的麻醉可以在患者无痛觉的情况下进行手术，使患者免受不必要的痛苦，也方便医生正常工作。科学合理的判断并控制合适的麻醉深度已成为临床迫切需要解决的问题。麻醉深度的监测有利于控制麻醉剂量，可利用最少的麻醉药物达到最佳的麻醉医疗效果。本文为基于排序熵算法的麻醉深度检测系统的仿真及设计调试，以供后续实验需要。

1　预处理电路设计

脑电信号是非常微弱的信号，在μV级别，且信号范围为0．1 Hz～100 Hz，考虑到后级信息处理需要电压幅度和外界干扰问题，故设计了三级放大电路，滤波电路及工频陷波电路。其主要电路系统结构图如图1所示。

图1　电路系统结构图

1．1前置放大器设计

生物信号检测中，前置放大器非常重要，需要从大量干扰中提取待测信号。前置放大器性能将会较大的影响后续信号的处理，所以就要求该级电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等。故前置放大器选取差分输入方式AD620，该方式具有较高的共模抑制比，对共模干扰有较高的抑制作用。又因考虑极化电压影响，该级增益选取10倍放大。其电路图如图2所示。

图2　前置放大电路

1．2高通滤波器设计

采用RC无源高通滤波器，隔离极化电压，消除干扰，其截止频率为0．1 Hz。其电路图如图3所示。

图3　RC无源高通滤波器

1．3第2级放大电路设计

考虑系统要求最终输出要达到1．5 V左右，还需放大3 000倍左右，为减小失真，第2级放大电路增益选取100倍，其电路如图4所示。

图4　第2级放大电路

1．4低通滤波器设计

虽然脑电信号可以达到100 Hz，但大多数频率范围都集中在35 Hz以内，而后续分析主要是对脑电信号的非线性分析，所以，低通滤波器截止频率设计为35 Hz左右，采用4阶巴特沃兹低通滤波器，其电路如图5所示。

1．5 50 Hz陷波器设计

采用市电供电均为受到50 Hz工频干扰，使采集到的生物信号淹没在干扰中，为消除工频干扰，故设计工频陷波器，其电路如图6所示。

图5　低通滤波器电路

图6　50 Hz陷波器电路

1．6第3级放大器设计

该级放大器将向后级数据处理芯片输出信号，本项目处理芯片选择德州仪器生产的MSP430F149单片机，其片上ADC为12Bit，输入应到达V级，故第3级放大器选择放大30倍，其电路如图7所示。

图7　第3级放大电路

1．7前端处理电路实物图及测试

前端处理电路实物图如图8所示。

图8　预处理电路实物图

对输入标准方波进行测试如图9所示。

图9　输入方波测试图

输入脑电信号测试图如图10、图11所示。

图10　脑电测试图

图11　脑电测试图

2　排序熵算法分析仿真

排序熵是一种非线性算法，在基于EEG的麻醉深度检测中近年有较多的运用。算法的临床验证说明算法的可靠性和国外唯一得到美国FDA(美国食品和药物管理局)的产品BIS有很好的相关性。

2．1排序熵算法

假设对于一个信号的原始数据序列，将其按照某种规则分成若干个子信号段。对于其中的任何一个字信号段，记为{ x(i)，i= 1，2，3，…N}，N为数据的个数。按照下列排序熵算法计算子信号段的排序熵:

(1)将序列按照顺序组成m维的矢量，其中m为嵌入的维数，L为迟滞时间:

(2)对序列

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

其中，当有数相等的时候，即

那么x就按照相应的j顺序排列，即如果ji1＜ji2，则

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故任意一个向量Xi都可以得到一组符号序列:

(3)对于m个符号(j1，j2，j3，…，jm)一共有m!种不同的排列，也就是说有m!种不同的符号，那么符号序列F(g)是其中的一种排列。将所有排列相同的F(g)聚到一组在N－m+1组序列中比较得出他的概率Pk，每组序列的个数分别为NUM1，NUM2，NUM3，…，NUMk，其中，j≤m!。

(4)根据公式计算排序熵:

Hp值越小，时间序列越规律;换句话说就是Hp越小麻醉程度越深。N不能取得太小，否侧失去了其统计学的意义，一般N的取值范围为: 1 000≤N≤10 000; m的取值范围为: 3≤m≤15。为了保证仿真尽可能的减小误差，迟滞时间L一般取1或2。

2．2排序熵算法仿真

为理论验证熵算法效果，对100 Hz正弦信号进行了算法仿真。

(1)当不加载随机噪声信号，m=6，L=1时仿真熵值为21左右，如图12所示。

图12　未加噪声仿真

(2)当加载少量随机噪声信号，m=6，L=1时仿真熵值为57左右，如图13所示。

图13　加载少量噪声仿真图

(3)当加载大量随机噪声信号，m=6，L=1时仿真熵值为95左右，如图14所示。

图14　加载大量噪声信号仿真图

通过对排序熵算法初步仿真，基本能说明排序熵值同信号的随机程度有很大的相关性。

3　数据处理电路

数据处理是基于STM32单片机完成，其采用的ARM Cortex－M3内核具有价格低廉、功能强大、硬件资源丰富、功率损耗小的特点，能满足设计需要。

依据排序熵算法，设计算法流程图如图15所示。

数据处理电路总图如图16所示。其中包含: RS－485通信电路、上位机通信电路原理图、网络地址配置电路、stm32F103RC最小系统电路等。

图15　排序算法流程图

图16　数据处理电路总图

4　人机交互软件

人机交互界面是用于医生对患者状态的把握，要求有明确，及时的反应患者当时状态。其包括EEG显示窗、熵值显示变化图、测试信息记录窗和患者信息记录窗等。

人机交互软件如图17所示。

该软件可实验测试调试记录等功能。

图17　人机交互软件界面图

5　联调测试

由于人脑是一个复杂的系统，在正常情况下，EEG信号会受到外界环境影响和自身大脑活动影响，通常是一个较为无序的波形，所以熵值较高，而处于深度麻醉状况时，大脑活动减少，EEG信号则为一个较为有序的状态，熵值较低。所以对麻醉深度的判断可以根据EEG信号的熵值的高低来进行。

由于目前实验室条件所限，只能进行清醒时EEG信号的测量，而麻醉状况的EEG信号只能用有序信号来代替，所以联调时测量了清醒时人脑EEG信号和有序方波信号对比，说明了该系统和算法能正常工作。后续实验将会同医院合作，进入手术病房采集。并根据临床麻醉状况进行算法参数的调整或修改。

首先，加入脑电信号后如图18、图19所示。在清醒时，脑电信号熵值大约在4．5以上。加入有序方波信号时，测试结果如图20所示。其熵值为2．1左右，说明该系统在实验室测量是能正常工作，达到设计要求，为下一步手术测试做好了准备。

图18　脑电信号显示图1

图19　脑电信号显示图2

图20　有序信号显示图

6　结束语

全麻是外科手术必不可少的步骤之一，全麻过程中，医生只能根据病人的体征反应和自己的经验来判断病人的麻醉状态，因而在麻醉过程中很容易出现术中知晓和因麻醉不当带来的各种并发症。目前，研究表明脑电对麻醉深度估计具有不可代替的作用。文章相关项目还在进行中，系统硬件电路和算法上还有许多需要根据实际情况进行完善和改进的地方。

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［9］陈丹，谭希．麻醉深度检测脑电信号采集电路设计［J］．中国西部科技，2013，8(8) : 28－29．

陈　丹(1979－)，男，汉族，四川富顺人，四川理工学院讲师，硕士毕业于成都电子科技大学信号与信息处理专业，现从事通信相关专业工作，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

中图分类号:TP29

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 02－0429－07

项目来源:人工智能四川省重点实验室开放基金项目(2012RYY10，2012RYY11) ;四川理工学院项目(JG－1203)