虛擬醫(yī)學(xué)儀器的特點(diǎn)及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 虛擬儀器簡介

所有的測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示等三大部組成。其中數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示完全能用PC機(jī)的軟件系統(tǒng)來完成，因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可用PC機(jī)組成測量儀器?；赑C機(jī)的測量儀器就稱之為虛擬儀器。

在虛擬儀器中，使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，就可實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測量儀器。軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件定義儀器，因此說“軟件就是儀器”。

由于虛擬儀器的具體功能都是通過軟件編程控制或定義的，一方面用戶完全可根據(jù)需要定制儀器功能，另一方面，使用相同的硬件就可得到多種測量儀器；虛擬儀器都采用可視化的圖形編程語言和平臺，提供非常豐富、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件包，因此，虛擬儀器具有經(jīng)濟(jì)、編程簡單快速、使用方便等突出的特點(diǎn)。

2 利用虛擬儀器進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號采集與分析的技術(shù)方法

2.1 可行性分析

醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)同樣由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示等三部分組成，但由于其測量的對象是人體（人體是相當(dāng)復(fù)雜的生命有機(jī)體），而且測量系統(tǒng)和被測人體間存在明顯且復(fù)雜的相互作用，所以，又不同于一般的電子測量儀器系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)不僅要求更嚴(yán)格的技術(shù)性能，如噪聲性能、抗干擾能力、測量精度及可靠性等等，而且還有一些特殊的要求，如安全性等。

從功能模塊上分析，實(shí)際上只是數(shù)據(jù)采集部分的前端（稱為信號調(diào)理器），即信號拾取、放大部分及其供電電源|穩(wěn)壓器|穩(wěn)壓器與眾不同，尤其是前置放大器的設(shè)計(jì)很獨(dú)特，如要求高輸入阻抗、浮地隔離、低噪聲等等，而其他部分則沒有什么兩樣。

用虛擬儀器組成某種參數(shù)或信號的測量儀器，均需用戶提供專用的信號調(diào)理器，因此，只要提供醫(yī)學(xué)測量放大器，就可利用虛擬儀器進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號的采集和分析。

2.2 具體的技術(shù)方案

如前所述，利用虛擬儀器進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號的采集與分析時(shí)，需自行設(shè)計(jì)專用的生物信號放大器，實(shí)際上亦可利用已有的醫(yī)學(xué)儀器作為放大器，只要該儀器能提供所需的模擬信號的接口。

由放大器或醫(yī)學(xué)儀器拾取、預(yù)處理（如放大、工頻濾波等）生物信號，然后利用虛擬儀器廠家提供的信號采集板（DAQ）和LabVIEW進(jìn)行信號的采集、顯示和分析，其中放大器或醫(yī)學(xué)儀器通過NI公司的BNC適配器同DAQ板進(jìn)行接口，BNC適配器提供同時(shí)與多種信號接口的能力。

可用上述的虛擬儀器系統(tǒng)（以后簡稱為虛擬醫(yī)學(xué)儀器）監(jiān)測任何類型的生物醫(yī)學(xué)參數(shù)或信號，如ECG、EEG、EMG、EOG、ERG、生理壓力（血壓等）、流量、溫度及生物力等等。

2.3 虛擬醫(yī)學(xué)儀器的特點(diǎn)

虛擬醫(yī)學(xué)儀器充分利用PC機(jī)的資源（尤其是其軟件資源）及靈活性，使醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計(jì)變得簡單、靈活富有彈性、更加模塊化、易維護(hù)、可重復(fù)利用性好、省時(shí)經(jīng)濟(jì)等等，而且增強(qiáng)了醫(yī)學(xué)儀器的功能，如分析處理、存儲管理等能力，同時(shí)儀器的用戶界面更加美觀、友好，操作使用非常簡便。

虛擬醫(yī)學(xué)儀器不僅能用于臨床監(jiān)護(hù)，更適合于醫(yī)學(xué)研究。使用虛擬醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究，首先，可大大縮短課題所需的專用儀器的研制時(shí)間，而且能重復(fù)利用，省時(shí)經(jīng)濟(jì)，可把時(shí)間、人力和物力重點(diǎn)投入到研究的主題上。傳統(tǒng)的研究用醫(yī)學(xué)測量儀器往往是專用的，隨著研究項(xiàng)目的完成其生命期亦終結(jié)，基本不能用于新的研究課題，因此耗時(shí)且不經(jīng)濟(jì)；其次，由于采用易學(xué)易用的圖形語言LabWindows，且提供非常豐富、功能強(qiáng)大的信號或數(shù)據(jù)處理軟件庫，儀器及信號（或數(shù)據(jù)）分析處理的程序設(shè)計(jì)都很簡單，即使是沒有計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)方面知識和經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)務(wù)工作者亦能編程，直接參與儀器的設(shè)計(jì)，如定制數(shù)據(jù)分析功能等，甚至可獨(dú)立進(jìn)行一些儀器的設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出來的醫(yī)學(xué)儀器將更有意義；再者，其易修改、易擴(kuò)展及易維護(hù)性特別適合于科研或新型醫(yī)學(xué)儀器的開發(fā)階段。

3 虛擬儀器在麻醉深度自動檢測研究中的應(yīng)用

麻醉事故時(shí)有發(fā)生，這主要是由于目前缺乏對麻醉深度進(jìn)行量化檢測的有效方法，臨床中麻醉劑的劑量控制主要靠麻醉師的經(jīng)驗(yàn)。因此，研究解決手術(shù)時(shí)麻醉深度的定量自動檢測問題就非常必要。

擬采用通過測量聽覺誘發(fā)電位間接檢測麻醉深度的技術(shù)路線和方法。其中主要包括兩個(gè)問題，即聽覺誘發(fā)電位的快速提取、建立誘發(fā)電位與麻醉深度間的關(guān)系模型。它要求所用的醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)須有如下功能，即：能輸出刺激脈沖信號，且波形、幅度、脈沖個(gè)數(shù)和時(shí)間可控（即可修改）；實(shí)時(shí)同步的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲的功能；數(shù)據(jù)采集時(shí)間可程控；方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理；系統(tǒng)功能可擴(kuò)展性；系統(tǒng)的控制和操作簡便等。由于現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)儀器都不能兼顧以上各方面的要求，很不便于研究工作的進(jìn)行，而自行開發(fā)又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)費(fèi)投入也大，因此，采用了虛擬儀器+LabVIEW開發(fā)語言的方案，問題得到理想的解決。

系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)如下：

①硬件系統(tǒng)：前置放大器采用自行研制的放大器（是在自行研制并生產(chǎn)的數(shù)字腦電圖機(jī)前置放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的）、數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司PCI-MIO-16XE-50型號的16位DAQ卡，以及型號為BNC-2090的帶屏蔽連接電纜的信號適配器；同時(shí)利用DAQ卡產(chǎn)生刺激信號（DAQ卡提供了產(chǎn)生信號所需的基本組件），供給自行設(shè)計(jì)的刺激電極驅(qū)動器。

②軟件系統(tǒng)：軟件開發(fā)采用圖形編程語言LabVIEW，但由于LabVIEW提供的信號或數(shù)據(jù)處理軟件庫不能完全滿足研究的需要，因此，還采用了C++語言來研究開發(fā)麻醉深度檢測的專用處理軟件包，該軟件包封裝成DLL，提供給LabVIEW（因LabVIEW支持DLL）。該設(shè)計(jì)方案簡化了軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且使其具有更好的模塊性、可維護(hù)和修改性。

由于虛擬儀器系統(tǒng)具有非常好的可修改性和開放性，即能很方便地修改其功能或往系統(tǒng)中添加新的功能模塊，因此，采用虛擬儀器技術(shù)，還能很好地解決隨著研究的不斷深入所需系統(tǒng)升級的問題。因研究的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)手術(shù)麻醉自動化，即自動注入麻醉劑并自動控制注入的劑量，這就要求能往該系統(tǒng)中添加新的自動控制功能模塊。現(xiàn)由于采用了虛擬儀器技術(shù)，將來只要再增添一塊控制卡，適當(dāng)編程就可完成所需的控制功能。

4 結(jié)論

醫(yī)學(xué)儀器雖有其特殊性，但仍是一種測量儀器系統(tǒng)，只要能提供適當(dāng)?shù)那岸瞬考?，就可利用虛擬儀器組成標(biāo)準(zhǔn)的虛擬醫(yī)學(xué)儀器。這種虛擬醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)尤其適合于醫(yī)學(xué)或生物醫(yī)學(xué)工程的研究，省時(shí)省力，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)。

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