虛擬儀器和LabVIEW在生物醫學(xué)信號檢測處理中的應用

　　所有的測量?jì)x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(lái)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?jì)x器?；赑C機的測量?jì)x器就稱(chēng)之為虛擬儀器。

　　在虛擬儀器中，使用相同的硬件系統，通過(guò)不同的軟件編程，就可實(shí)現功能完全不同的測量?jì)x器。軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件定義儀器，因此說(shuō)“軟件就是儀器”。

　　由于虛擬儀器的具體功能都是通過(guò)軟件編程控制或定義的，一方面用戶(hù)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?jì)x器；虛擬儀器都采用可視化的圖形編程語(yǔ)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(jīng)濟、編程簡(jiǎn)單快速、使用方便等突出的特點(diǎn)。

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

2.1　可行性分析

　　醫學(xué)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?jì)x器系統，醫學(xué)測量系統不僅要求更嚴格的技術(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)際上只是數據采集部分的前端（稱(chēng)為信號調理器），即信號拾取、放大部分及其供電電源|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(méi)有什么兩樣。

　　用虛擬儀器組成某種參數或信號的測量?jì)x器，均需用戶(hù)提供專(zhuān)用的信號調理器，因此，只要提供醫學(xué)測量放大器，就可利用虛擬儀器進(jìn)行生物醫學(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)行生物醫學(xué)信號的采集與分析時(shí)，需自行設計專(zhuān)用的生物信號放大器，實(shí)際上亦可利用已有的醫學(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。

　　由放大器或醫學(xué)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(chǎng)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，其中放大器或醫學(xué)儀器通過(guò)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（以后簡(jiǎn)稱(chēng)為虛擬醫學(xué)儀器）監測任何類(lèi)型的生物醫學(xué)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(xué)儀器的特點(diǎn)

　　虛擬醫學(xué)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(xué)儀器的設計變得簡(jiǎn)單、靈活富有彈性、更加模塊化、易維護、可重復利用性好、省時(shí)經(jīng)濟等等，而且增強了醫學(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(hù)界面更加美觀(guān)、友好，操作使用非常簡(jiǎn)便。

　　虛擬醫學(xué)儀器不僅能用于臨床監護，更適合于醫學(xué)研究。使用虛擬醫學(xué)儀器進(jìn)行醫學(xué)研究，首先，可大大縮短課題所需的專(zhuān)用儀器的研制時(shí)間，而且能重復利用，省時(shí)經(jīng)濟，可把時(shí)間、人力和物力重點(diǎn)投入到研究的主題上。傳統的研究用醫學(xué)測量?jì)x器往往是專(zhuān)用的，隨著(zhù)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(shí)且不經(jīng)濟；其次，由于采用易學(xué)易用的圖形語(yǔ)言L(fǎng)abWindows，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(jiǎn)單，即使是沒(méi)有計算機軟件設計方面知識和經(jīng)驗的醫務(wù)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(jìn)行一些儀器的設計，這樣設計出來(lái)的醫學(xué)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(xué)儀器的開(kāi)發(fā)階段。

3　虛擬儀器在麻醉深度自動(dòng)檢測研究中的應用

　　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。因此，研究解決手術(shù)時(shí)麻醉深度的定量自動(dòng)檢測問(wèn)題就非常必要。

　　擬采用通過(guò)測量聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位間接檢測麻醉深度的技術(shù)路線(xiàn)和方法。其中主要包括兩個(gè)問(wèn)題，即聽(tīng)覺(jué)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。它要求所用的醫學(xué)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(gè)數和時(shí)間可控（即可修改）；實(shí)時(shí)同步的數據采集及數據存儲的功能；數據采集時(shí)間可程控；方便進(jìn)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(jiǎn)便等。由于現有的醫學(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(kāi)發(fā)又費時(shí)費力，經(jīng)費投入也大，因此，采用了虛擬儀器+LabVIEW開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的方案，問(wèn)題得到理想的解決。

　　系統的具體設計如下：

　?、儆布到y：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)的數字腦電圖機前置放大器的基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)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(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），供給自行設計的刺激電極驅動(dòng)器。

　?、谲浖到y：軟件開(kāi)發(fā)采用圖形編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW，但由于LabVIEW提供的信號或數據處理軟件庫不能完全滿(mǎn)足研究的需要，因此，還采用了C++語(yǔ)言來(lái)研究開(kāi)發(fā)麻醉深度檢測的專(zhuān)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(jiǎn)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(kāi)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(shù)，還能很好地解決隨著(zhù)研究的不斷深入所需系統升級的問(wèn)題。因研究的最終目標是實(shí)現手術(shù)麻醉自動(dòng)化，即自動(dòng)注入麻醉劑并自動(dòng)控制注入的劑量，這就要求能往該系統中添加新的自動(dòng)控制功能模塊?，F由于采用了虛擬儀器技術(shù)，將來(lái)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(xué)儀器雖有其特殊性，但仍是一種測量?jì)x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(xué)儀器。這種虛擬醫學(xué)儀器系統尤其適合于醫學(xué)或生物醫學(xué)工程的研究，省時(shí)省力，節約研究經(jīng)費。