毕业论文——氩氦刀治疗中的远程监控技术研究

河北工业大学硕士学位论文氩氦刀治疗中的远程监控技术研究摘 要远程监控技术在国内外的许多行业和领域已经得到了相当广泛的应用，但是在医学领域的应用目前并不是很广泛，将该技术应用到氩氦刀手术治疗过程中，具有很大的应用前景。本文在深入分析远程监控系统结构和系统功能以及远程监控相关技术的基础之上，基于虚拟仪器开发平台将远程监控技术应用到氩氦刀手术治疗过程中，在临床实验中推广和使用了实时适形监控，监控手术消融状态，保证氩氦刀手术系统治疗的效果；同时实时监测患者的多项生命体征，保证手术的安全进行。主要研究内容如下：1. 对计算机监控系统的相关概念及功能特点做了较为深入的分析研究，在此基础上分析设计远程监控系统的结构和功能，讨论了该系统所涉及的主要关键技术；2. 在了解氩氦刀治疗中监控实现过程的基础上，深入研究了前端数据采集技术以及数据分析处理技术(主要是图像压缩)，并对图像压缩效果进行了研究；3. 针对监控系统的远程技术问题进行了探讨，分析了网络通信技术并重点讨论研究了基于 LabVIEW 网络通信方式；4. 具体介绍了氩氦刀治疗中远程监控系统的开发设计过程，包括主程序面板的设计以及各子功能模块的设计思路和程序编写，实现了手术治疗中远程监控功能。此项研究采用 LabVIEW 作为软件开发平台，充分利用了计算机网络的丰富资源和该软件本身强大的图形化编程功能，设计了氩氦刀治疗中远程监控系统，实现了主要的监控功能，具有实际的应用价值。关键词：远程监控，虚拟仪器，数据采集，图像压缩，远程技术，网络通信i氩氦刀治疗中的远程监控技术研究RESEARCH REMOTE ONITORING ECHNOLOGYDURING CYROCARE THERAPYABSTRACTThe remote monitoring technology has already obtained the quite widespread application in many professions and domains during the domestic and foreign range, in the medicine domain application at present is not very widespread, applying the technology to the process of cyrocare therapy will have very large application prospect.On the base of deeply analysis on remote monitoring system configuration and system function and remote monitoring technology, this thesis applied the remote monitoring technology to process of cyrocare therapy using virtual instrument development system .The real-time suitable monitoring was promoted and used in the clinical experiment ,monitoring surgery ablation condition ,guaranteeing the treatment effect of cyrocare therapy system; simultaneously real-timely monitoring patients many life symptom, guaranteeing the surgery carried on safely.The thesis main contents are as follows:1. Thorough the deeply analysis on the related concept and the function characteristic of computer monitoring system ,based on this we analysis and design structure and function of remote monitoring system, discussing the main key technologies which this system involves.2. Under the foundation of understanding the Monitoring realization process in the cyrocare therapy treatment ,we had deeply studied the front data acquisition technology as well as the data analysis processing technology thoroughly(main image compression technology),and conducted the research to the image compression effect.3. With the remote technical problem in view of the monitoring system carried on the discussion, we had analyzed the network communication technology and the key discussion based on the LabVIEW network communication mode.4. Specifically introduced the development design process during the remote monitoring system in process of cyrocare therapy, contained the main program board design and each sub-function module design technique and programming ,realized the remote monitoring function during the cyrocare surgery.This research adopts LabVIEW as the software development platform, makes full use of computer and network abundant resources and formidable present functions in figures and diagrams programming ,has designed the remote monitoring system during cyrocare therapy, realizes the main monitoring function, has the actual application value.KEY WORDS: remote monitoring, virtual instrument, data acquisition, image compression，remote technology，network correspondii河北工业大学硕士学位论文目录第一章 绪 论.11-1课题提出的背景和意义.11-2远程监控技术的国内外发展现状.11-3远程监控技术发展趋势.21-4课题主要内容.3第二章 系统总体研究设计及关键技术.42-1 计算机监控系统.42-1-1 计算机监控系统的主要功能.42-1-2 计算机监控系统的特点.52-1-3 计算机监测控制系统的分类.52-1-4 监测控制系统设计的基本要求 .62-1-5 监测控制系统设计的主要步骤 .62-2 远程监控技术的实现方式.72-2-1 C/S 结构与 B/S 结构.72-2-2 基本的 C/S 结构.72-2-3 B/S 结构.82-2-4 本课题采用的方式.92-3 远程监控系统的分析和设计.92-3-1 远程监控的原理.92-3-2 系统功能及结构分析.92-4 远程监控关键技术研究.122-4-1 数据采集技术.122-4-2 图像压缩技术.122-4-3 网络通信技术.122-4-4 远程技术.122-4-5 监控技术.122-5 远程监控系统的可行性研究.132-5-1 对 CT 图像的实时监控.132-5-2 对温度、心电及视频图像的监控 .132-6 课题实现的应用平台.142-7本章小结.15第三章 数据采集及数据压缩技术.163-1 数据采集技术研究.163-1-1 数据采集概述.163-1-2 实时 CT 图像的采集.16iii氩氦刀治疗中的远程监控技术研究3-1-3 温度数据的采集.183-1-4 心电信号的采集.193-1-5 现场视频图像的采集.193-2 数据压缩技术研究.193-2-1 医学图像压缩的必要性和可能性.193-2-2 医学图像压缩的性能评价.203-2-3 医学图像压缩的基本框架.213-2-4 常用的经典图像压缩技术编码方法.213-2-5 目前较为流行的图像压缩新方法.223-2-6 基于 DWT_DCT 的医学图像感兴趣区域压缩方法.243-3 本章小结.27第四章 远程技术及网络通信.284-1远程技术的主要实现方式及进展研究.284-1-1 基于 LabVIEW 的远程技术.284-1-2 基于 Internet 的远程技术.284-1-3 基于 GPRS 的远程技术.294-1-4 基于 web 的远程技术.304-1-5 远程技术的其他实现方式.314-2网络通信的应用研究.314-2-1 网络通讯协议.314-2-2 TCP/IP 协议传输层的分析.324-3 基于 LabVIEW 的网络通信技术.324-3-1 几种主要实现方式.324-3-2 TCP 与 UDP 通信.334-3-3 DataSocket 通信.344-4 本章小结.36第五章 氩氦刀治疗中远程监控的系统研发.375-1氩氦刀治疗中远程监控方案的设计.375-1-1 本地端的设计思路.375-1-2 远程通信部分的设计思路.395-1-3 远程监控端的设计思路.405-1-4 监控功能的总体实现.415-2远程监控系统主程序设计.425-3远程监控各模块设计及功能实现.435-3-1 CT 图像监控功能的设计及实现.435-3-2 温度监控功能的设计及实现.475-3-3 心电信号监控功能的设计及实现.505-3-4 报警功能模块的设计及实现.525-3-5 远程控制模块的设计及实现.555-4本章小结.59第六章 结论与展望.60iv河北工业大学硕士学位论文参考文献61致 谢64v河北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论1-1 课题提出的背景和意义远程监控技术主要是指远端的监控系统通过通信系统对现场的系统进行监测与控制 , 其目的在于突破地域和环境上的限制, 实现集中和高层监控, 最终实现生产资源和社会资源的优化配置。现代远程监控技术是计算机技术、通信技术、网络技术和监控技术的结合, 是信息技术与控制技术的集成，有远大的发展前景1。远程监控技术在国内外的许多行业和领域已经得到了相当广泛的应用，但是在医学领域的应用目前并不是很广泛，而在氩氦刀冷冻消融治疗肿瘤的领域应用也比较有限。不过对氩氦刀手术过程，在临床实验中推广和使用了实时适形监控，对冰球的形成和消融过程能够通过影像学的方法进行精确测定评价。对于重要组织结构边缘可以进行手术中计算机监控，精确确定冷冻时间，靶区消融范围。良好的监测手段可确保获得对肿瘤细胞达到最大限度杀灭，并尽量减少对正常组织的损伤。术后对治疗靶区的监测和随访对准确地评价疗效，选择综合治疗方案有很大的意义。局部靶区治疗的监控和评价是保证氩氦手术系统治疗效果的关键，使氩氦手术系统能在临床得到普遍认同 2。在影像技术的引导下实施氩氦刀肿瘤靶区穿刺定位是临床比较成熟的技术，由于氩氦刀消融靶区清楚的影像特征和氩氦刀灵敏的温度显示为术中准确引导和有效监测创造了条件。CT 技术的发展为肿瘤微创靶向治疗的发展奠定了基础。目前临床监测手段主要依赖于影像学提供的信息，CT 引导定位精确度较高,可以有效的对手术进行适时监测，低温的图像分布能较好的反映肿瘤组织被冷冻杀伤的情况；测温探针正确使用可为手术提供适时的靶区界定信息。特别是靠近重要组织器官部位的肿瘤治疗时，适时监测准确测温是有效治疗和防止残留的有效方法。此外，术中监测还包括血压、脉搏、呼吸、体温等生命体征的监测，使其保持在正常范围之内。根据术前讨论预测可能发生的并发症准备器械、药物，严密观察患者神志，持续心电监护，监测呼吸、血压、脉搏变化，必要时给予鼻导管吸氧，便于手术顺利进行，防止意外发生。一旦发生意外要及时采取有效的医护措施，必要时停止手术 3,4。总之，美国氩氦刀靶向治疗是一种以直接摧毁肿瘤组织的局部物理治疗技术，显著特点是能快速、准确地灭活肿瘤细胞，消除肿瘤负荷。氩氦刀消融靶区清楚的影像特征和氩氦刀灵敏的温度显示为术中准确引导和有效监测创造了条件。由于氩氦超低温冷冻对损毁细胞无选择性，冷冻靶区选择必须准确无误，因此必须避免不正确的操作对正常组织结构造成的冷冻损伤。本课题就是基于以上背景而提出，将远程监控的相关技术应用到氩氦刀手术过程之中，临床实验中推广和使用了实时适形监控，利用 CT 影像技术实时监测氩氦刀形成的冰球，对冰球的形成和消融过程能够通过影像学的方法进行精确测定评价，保证冰球全部覆盖肿瘤，避免肿瘤残留，对保证氩氦手术系统治疗效果起到关键作用；对于重要组织结构边缘可以进行手术中计算机监控，精确确定冷冻时间以及靶区消融范围，良好的监测手段可确保获得对肿瘤细胞达到最大限度杀灭，并尽量减少对正常组织的损伤。同时实时监测患者的多项生命体征（血压、脉搏、呼吸、体温、心电等），保证手术的安全进行。1-2 远程监控技术的国内外发展现状随着生产和社会的发展 , 生产和社会资源的交换范围越来越广泛, 在科技的发展和新技术广泛应1氩氦刀治疗中的远程监控技术研究用的推动下, 远程监控技术取得了突飞猛进的发展, 其监控内容和方式以及应用范围都发生了根本变化, 不再仅仅局限于工业生产领域。现代远程监控技术在电力、制造、金融业、能源、管理 (如仓储、物流)、航空航天、医疗、教育、家庭和个人应用等社会各领域得到了越来越广泛的应用。在该项技术迅速发展与不断成熟的同时,对社会发展和人类生活产生了重要影响 5。天津大学自动化学院的万健如、禹华军、许莉、林志强利用 8051 单片机将远程监控技术应用到电梯中，通过电话线或专用线路，由设在电梯维修服务中心的计算机对分布在各地的电梯进行远程监视和操作，对电梯的运行状态和故障进行监测统计等。电梯远程监控在减少维修管理人员的同时，可即时发现故障，缩短故障停梯时间，实现管理自动化，提高服务质量 6。同济大学土木工程学院的刘涛、刘国彬将远程监控技术应用在庞大而复杂的轨道交通建设工程中，运用数据库技术以及网络技术开发出工程管理信息平台，快速而准确地获得各种数据和信息，随时了解工程动态和进展，方便快捷地查询历史资料以及工程结束后资料整理、归档、利用等工作，用以建设过程中把握工程进度、保证工程质量、控制工程风险，确保工程的安全进行 7。沈阳工业大学工程学院的庄殿铮、王可将远程监控技术应用在当代数控机床中，利用数控装备的网络化技术在机床中加入远程监控功能，通过网络实现远程在线技术咨询、设备使用和维护方面的技术支持和远程培训并对潜在的设备故障进行远程的诊断、监测、维护，缩短设备维修故障的响应时间，降低设备非计划停机带来的损失，具有巨大的经济效益和社会效益 8。兰州理工大学李战明、瞿华、丁磊利用 GSM 网络将远程监控技术应用于监控人体生命体征，监测并及时正确地记录人体体温、脉搏、血压等生命体征，借助移动网的短信平台将被监护人的生命体征传给上位机或手机；当机体收到伤害时，体温、脉搏和血压首先出现不同程度的异常，反应出疾病发生、发展的动态变化，为临床正确诊断、及时治疗及护理提供了第一手资料和依据 9。在国外，远程监控技术也得到了相当广泛的应用。美国的 Richard Perez , Marek Kmiecik , Christy Herig and David Renne 利用卫星远程传感的功能来监控基于地面的光电部署的运行状况10；日本 Toyo 大学工程学系的 Toshiaki Kimura, Yuichi Kanda 利用远程监控系统在日本的中小企业之中对夜里无人值守的分布式的制造系统进行操作和维护 11；墨西哥机械工程系的 Joshua Mendoza-Jasso, Gerardo Ornelas-Vargas 等人利用远程监控技术对大范围区域内的农作物的本地环境状态和生长状态进行监控，以便获得可靠的和及时的收获和土壤状态的信息12；加拿大的 Lihui Wang, Peter Orban 将传统的计算机数控机床在线工具与监测和控制技术相结合，应用到加工各种小批量小尺寸零件过程中，增强了可行性并能对生产功能的迅速变化做出及时响应13。远程监控技术在国内外的许多行业和领域已经得到了相当广泛的应用，随着社会经济和科学技术的飞速发展, 特别是计算机网络的发展, 人们对安全保险及工作环境的要求不断提高, 远程监控系统在越来越多的领域中发挥着重要作用, 它广泛应用于对分散场所实施远程监控及报警的领域中。本课题将远程监控技术应用到氩氦刀冷冻消融治疗肿瘤的领域，扩展了远程监控技术的应用范围。1-3 远程监控技术发展趋势随着计算机和网络通讯技术的发展，远程监控技术在电力、化工、石油等行业的应用，获得了良好的社会和经济效益。远程监控在管理生产过程具有广阔的应用前景和研究价值 ,它对企业运营管理方式的改变具有巨大的推动作用,再加上 Internet 的广泛应用,加速了这一进程的发展,它为企业的远程监控和管理提供了一个基本环境和技术支撑。如何利用这一先进的环境和技术进行创新,使之应用于某一具体领域,是目前各行各业不断努力的方向,尤其是现场总线技术的大力发展和主流成熟的网络技术、软件技术如 OPC、Ethernet、Ac2tiveX、Internet 技术、Web 技术、网络安全技术、实时数据库等融入自动化系统,使得工业自动化系统的体系结构和运行管理方式发生了巨大变化,出现了生产过程监控系统、企业生产管理系统和企业经营管理系统融合为一体的解决方案,使得企业生产过程远程监控的内容也发生了巨大变化 ,2河北工业大学硕士学位论文从生产过程运行参数的监督,到现场生产过程的远程诊断、远程调试、远程控制,再到现场测量控制设备功能的远程组态、远程整定、远程故障诊断和预测性维护,直至现场生产过程的远程图像传输(遥视) , 等等。这些功能的实现主要取决于网络技术和软件技术的发展,同时它对现场测控设备的智能化程度的要求也越来越高。在远程监控系统在过程开发中,充分利用这些技术建立了一个企业测控管一体化的应用平台是一个很关键的环节14。随着生产和社会的发展 , 生产和社会资源的交换范围越来越广泛 , 在科技的发展和新技术广泛应用的推动下, 远程监控技术取得了突飞猛进的发展, 其监控内容和方式已经应用范围都发生了根本变化, 不再仅仅局限于工业生产领域 , 现代远程监控技术在电力、制造、金融业、能源、管理、航空航天 、医疗、教育、庭和个人应用等社会各领域得到了越来越广泛应用 ; 远程多媒体监控应用范围不断拓展。随着信息技术的飞速发展, 随着信息技术的飞速发展, 随着新技术(多媒体技术、嵌入式技术、蓝牙技术、人工智能等)的广泛应用, 在社会生活和生产的实践和需求的推动下, 远程监必将以前所未有的广度和深度渗透到社会生产和生活的方方面面15。1-4 课题主要内容论文的主要工作：分析了有关氩氦刀手术治疗肿瘤的相关医学应用进展，远程监控技术的国内外发展状况和趋势，以及远程监控技术在氩氦刀手术中的临床应用研究。1. 分析了计算机监控系统的概念、功能及特点，分析远程监控的实现方式、结构设计以及主要关键技术，并进行了相关的可行性分析。2. 对关键技术中的数据采集技术以及数据压缩技术进行的相关研究，介绍了主要监控对象的采集方式及采集原理，并讨论了图像压缩技术的主要实现方法及图像压缩功能的实现。3. 研究网络了通信技术，对远程技术的各类方法进行了对比分析，重点讨论了基于 LabVIEW 的远程通信技术。4. 对氩氦刀手术中远程监控系统进行了研发，设计了各功能模块的具体实现。本课题的内容结构图如图 1.1 所示：远程监控技术研究总体结构方案设计主要关键技术研究LabVIEW 系统平台构建氩氦刀手术远程监控系统图 1.1 课题内容结构Fig. 1.1 The structure of this thesis3氩氦刀治疗中的远程监控技术研究第二章 系统总体研究设计及关键技术远程监控系统是指通过网络系统实现对远程工业生产过程控制系统的监测和控制的计算机软硬件系统，本文所讲的远程监控系统是把工业领域应用的系统和技术应用到手术现场，实现对氩氦刀治疗过程的远程监控，即利用远程技术实现对计算机监控系统的功能。要实现远程监控系统,首先要进行系统总体设计及相应的技术可行性分析，其次是系统软硬件选型，然后设计出完整的实现方案及开放环境。本章将从以下几个方面介绍有关内容。2-1 计算机监控系统远程监控就是在计算机监控系统的基础上结合网络通信和远程技术实现的，所以本节对计算机监控系统的相关概念及功能做相应的介绍，这是设计系统及实现监控功能的基础。2-1-1 计算机监控系统的主要功能计算机监测控制系统（简称计算机监控系统），是以监测控制计算机为主题，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体，图 2.1 示出了一个典型的计算机监测控制系统。运行人员通信外部设备人机接口系统软件支持软件电源主机通信控制应用软件监测控制过程数据过程数据视频处理计算机输出输入控制检测执行机构测量变送图像检测加工过程图 2.1 计算机监测控制系统示意图Fig. 2.1 Computer monitoring system schematic drawing4河北工业大学硕士学位论文在这个系统中，计算机直接参与生产过程的检测（monitor）、监督（supervise）和控制（control），或者说应具有下述三方面的功能：（1）采集和处理功能主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输出，为生产人员提供详实的数据，以便于他们分析、了解生产情况，监视生产过程的进行。（2）监督功能将监测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以储存。根据实际生产过程的需要及生产进程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情预测，并以图、文、声等多种形式及时做出根本报告，以进行操作指导、事故报警。（3）控制功能在检测的基