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1 虛擬儀器簡介 所有的測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和結果顯示等三大部組成。其中數據分析和結果顯示完全能用PC機的軟件系統來完成，因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可用PC機組成測量儀器。基于PC機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，通過不同的軟件編程，就可實現功能完全不同的測量儀器。軟件系統是虛擬儀器的核心，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、功能強大的數據處理軟件包，因此，虛擬儀器具有經濟、編程簡單快速、使用方便等突出的特點。 2 利用虛擬儀器進行生物醫學信號采集與分析的技術方法 2.1 可行性分析 醫學測量系統同樣由數據采集、數據分析和結果顯示等三部分組成，但由于其測量的對象是人體(人體是相當復雜的生命有機體)，而且測量系統和被測人體間存在明顯且復雜的相互作用，所以，又不同于一般的電子測量儀器系統，醫學測量系統不僅要求更嚴格的技術性能，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，實際上只是數據采集部分的前端（稱為信號調理器），即信號拾取、放大部分及其供電電源|穩壓器|穩壓器與眾不同，尤其是前置放大器的設計很獨特，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或信號的測量儀器，均需用戶提供專用的信號調理器，因此，只要提供醫學測量放大器，就可利用虛擬儀器進行生物醫學信號的采集和分析。 2.2 具體的技術方案 如前所述，利用虛擬儀器進行生物醫學信號的采集與分析時，需自行設計專用的生物信號放大器，實際上亦可利用已有的醫學儀器作為放大器，只要該儀器能提供所需的模擬信號的接口。 由放大器或醫學儀器拾取、預處理（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進行信號的采集、顯示和分析，其中放大器或醫學儀器通過NI公司的BNC適配器同DAQ板進行接口，BNC適配器提供同時與多種信號接口的能力。 可用上述的虛擬儀器系統（以后簡稱為虛擬醫學儀器）監測任何類型的生物醫學參數或信號，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 虛擬醫學儀器的特點 虛擬醫學儀器充分利用PC機的資源（尤其是其軟件資源）及靈活性，使醫學儀器的設計變得簡單、靈活富有彈性、更加模塊化、易維護、可重復利用性好、省時經濟等等，而且增強了醫學儀器的功能，如分析處理、存儲管理等能力，同時儀器的用戶界面更加美觀、友好，操作使用非常簡便。 虛擬醫學儀器不僅能用于臨床監護，更適合于醫學研究。使用虛擬醫學儀器進行醫學研究，首先，可大大縮短課題所需的專用儀器的研制時間，而且能重復利用，省時經濟，可把時間、人力和物力重點投入到研究的主題上。傳統的研究用醫學測量儀器往往是專用的，隨著研究項目的完成其生命期亦終結，基本不能用于新的研究課題，因此耗時且不經濟；其次，由于采用易學易用的圖形語言LabWindows，且提供非常豐富、功能強大的信號或數據處理軟件庫，儀器及信號（或數據）分析處理的程序設計都很簡單，即使是沒有計算機軟件設計方面知識和經驗的醫務工作者亦能編程，直接參與儀器的設計，如定制數據分析功能等，甚至可獨立進行一些儀器的設計，這樣設計出來的醫學儀器將更有意義；再者，其易修改、易擴展及易維護性特別適合于科研或新型醫學儀器的開發階段。 3 虛擬儀器在麻醉深度自動檢測研究中的應用 麻醉事故時有發生，這主要是由于目前缺乏對麻醉深度進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驗。因此，研究解決手術時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電位間接檢測麻醉深度的技術路線和方法。其中主要包括兩個問題，即聽覺誘發電位的快速提取、建立誘發電位與麻醉深度間的關系模型。它要求所用的醫學測量系統須有如下功能，即：能輸出刺激脈沖信號，且波形、幅度、脈沖個數和時間可控（即可修改）；實時同步的數據采集及數據存儲的功能；數據采集時間可程控；方便進行數據的分析與處理；系統功能可擴展性；系統的控制和操作簡便等。由于現有的醫學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行，而自行開發又費時費力，經費投入也大，因此，采用了虛擬儀器+LabVIEW開發語言的方案，問題得到理想的解決。 系統的具體設計如下： ①硬件系統：前置放大器采用自行研制的放大器（是在自行研制并生產的數字腦電圖機前置放大器的基礎上開發出來的）、數據采集卡采用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；同時利用DAQ卡產生刺激信號（DAQ卡提供了產生信號所需的基本組件），供給自行設計的刺激電極驅動器。 ②軟件系統：軟件開發采用圖形編程語言LabVIEW，但由于LabVIEW提供的信號或數據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)。該設計方案簡化了軟件系統的設計，而且使其具有更好的模塊性、可維護和修改性。 由于虛擬儀器系統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中添加新的功能模塊，因此，采用虛擬儀器技術，還能很好地解決隨著研究的不斷深入所需系統升級的問題。因研究的最終目標是實現手術麻醉自動化，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中添加新的自動控制功能模塊。現由于采用了虛擬儀器技術，將來只要再增添一塊控制卡，適當編程就可完成所需的控制功能。 4 結論 醫學儀器雖有其特殊性，但仍是一種測量儀器系統，只要能提供適當的前端部件，就可利用虛擬儀器組成標準的虛擬醫學儀器。這種虛擬醫學儀器系統尤其適合于醫學或生物醫學工程的研究，省時省力，節約研究經費。 |
