1、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
2、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
3、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 ECHNOLOGY DURING CYROCARE THERAPY ABSTRACT The remote monitoring technology has already obtained the quite widespread application in many professions and domains during the domestic and for
4、eign 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 t
5、echnology, 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
6、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
7、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 acqu
8、isition 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
9、 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
10、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 desig
11、ned 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 correspond ii 河北工业大学硕士学位论文 目录 第一章 绪 论 . 1 1 -1 课题提出的背景和意
12、义 . 1 1 -2 远程监控技术的国内外发展现 状 . 1 1 -3 远程监控技术发展趋势 . 2 1 -4 课题主要内容 . . 3 第二章 系统总体研究设计及关键技术 . 4 2 -1 计算机监控系统 . 4 2-1-1 计算机监控系统的主要功能 . 4 2-1-2 计算机监控系统的特点 . 5 2-1-3 计算机监测控制系统的分类 . 5 2-1-4 监测控制系统设计的基本要求 . 6 2-1-5 监测控制系统设计的主要步骤 . 6 2 -2 远程监控技术的实现方式 . 7 2-2-1 C/S 结构与 B/S 结构 . . 7 2-2-2 基本的 C/S 结构 . 7 2-2-3 B/
13、S 结构 . . 8 2-2-4 本课题采用的方式 . . 9 2 -3 远程监控系统的分析和设计 . 9 2-3-1 远程监控的原理 . 9 2-3-2 系统功能及结构分析 . 9 2 -4 远程监控关键技术研究 . 12 2-4-1 数据采集技术 . 12 2-4-2 图像压缩技术 . 12 2-4-3 网络通信技术 . . 12 2-4-4 远程技术 . . 12 2-4-5 监控技术 . 12 2 -5 远程监控系统的可行性研究 . 13 2-5-1 对 CT 图像的实时监控 . 13 2-5-2 对温度、心电及视频图像的监控 . 13 2 -6 课题实现的应用平台 . 14 2 -7
14、 本章小结 . 15 第三章 数据采集及数据压缩技术 . 16 3 -1 数据采集技术研究 . 16 3-1-1 数据采集概述 . 16 3-1-2 实时 CT 图像的采集 . . 16 iii 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 . 18 3-1-4 心电信号的采集 . 19 3-1-5 现场视频图像的采集 . 19 3 -2 数据压缩技术研究 . 19 3-2-1 医学图像压缩的必要性和可能性 . 19 3-2-2 医学图像压缩的性能评 价 . 20 3-2-3 医学图像压缩的基本框架 . 21 3-2-4 常用的经典图像压缩技术编码方法 . 21 3-2-5 目前
15、较为流行的图像压缩新方法 . 22 3-2-6 基于 DWT_DCT 的医学图像感兴趣区域压缩方法 . 24 3 -3 本章小结 . 27 第四章 远程技术及网络通信 . 28 4 -1 远程技术的主要实现方式及进展研究 . 28 4-1-1 基于 LabVIEW 的远程技术 . 28 4-1-2 基于 Internet 的远程技术 . 28 4-1-3 基于 GPRS 的远程技术 . . 29 4-1-4 基于 web 的远程技术 . 30 4-1-5 远程技术的其他实现方式 . 31 4 -2 网络通信的应用研究 . 31 4-2-1 网络通讯协议 . 31 4-2-2 TCP/IP 协议
16、传输层的分析 . 32 4 -3 基于 LabVIEW 的网络通信技术 . 32 4-3-1 几种主要实现方式 . . 32 4-3-2 TCP 与 UDP 通信 . 33 4-3-3 DataSocke t 通信 . 34 4 -4 本章小结 . 36 第五章 氩氦刀治疗中远程监控的系统研发 . 37 5 -1 氩氦刀治疗中远程监控方案的设计 . 37 5-1-1 本地端的设计思路 . . 37 5-1-2 远程通信部分的设计思路 . 39 5-1-3 远程监控端的设计思路 . 40 5-1-4 监控功能的总体实现 . 41 5 -2 远程监控系统主程序设计 . . 42 5 -3 远程监控
17、各模块设计及功能实现 . 43 5-3-1 CT 图像监控功能的设计及实现 . 43 5-3-2 温度监控功能的设计及实现 . 47 5-3-3 心电信号监控功能的设计及实现 . 50 5-3-4 报警功能模块的设计及实现 . 52 5-3-5 远程控制模块的设计及实现 . . 55 5 -4 本章小结 . . 59 第六章 结论与展望 . 60 iv 河北工业大学硕士学位论文 参考文献 . 61 致 谢 . 64 v 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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、。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
