生物醫(yī)學(xué)虛擬儀器技術(shù)分析

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1生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程設(shè)置及教學(xué)現(xiàn)狀

我校自2003年開辦生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)以來，根據(jù)醫(yī)科院校特點，以為醫(yī)療和醫(yī)學(xué)研究服務(wù)為目的，培養(yǎng)能將醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合，從事醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)療電子儀器和計算機技術(shù)的研發(fā)、操作和管理工作，并且能夠開展生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的人才[1]。該專業(yè)主要學(xué)習(xí)生命科學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)及信息圖像傳輸、處理等有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識以及醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)知識，設(shè)置的主干課程有：“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“微機原理”“生物醫(yī)學(xué)傳感器”“醫(yī)療儀器原理”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理”“單片機原理與接口技術(shù)”等。另外憑借醫(yī)學(xué)院校的優(yōu)勢還開設(shè)了一些醫(yī)學(xué)方面的基礎(chǔ)課，生理學(xué)、人體解剖等。為了提高教學(xué)質(zhì)量，更好的達到教學(xué)效果，所開設(shè)的這些課程基本上都需要做實驗演示，以增強形象性效果和形象性驗證。實驗教學(xué)在大學(xué)教育中是必要手段。幾乎每門課的實驗教學(xué)都需要用到各種各樣的電子儀器，主要包括示波器、信號發(fā)生器等。在傳統(tǒng)教學(xué)中基本上都是使用相對獨立、功能固定的電子儀器，不能夠隨意更改它們的結(jié)構(gòu)和功能。對于需要電子計算機之類的課程而言，一般都得配備幾十套教學(xué)儀器來供教學(xué)使用，這些儀器設(shè)備還需要不斷更新維護，教學(xué)成本比較高。另外，在醫(yī)學(xué)院校對于和醫(yī)學(xué)相關(guān)的專業(yè)課程很多實驗實際操作比較困難，效果不理想。中國的醫(yī)學(xué)教育資源本身很緊張，另外醫(yī)院的設(shè)備多是大型設(shè)備，體積龐大，價格昂貴，操作使用復(fù)雜，臨床使用要求高，一般院校很難滿足大型醫(yī)療設(shè)備的教學(xué)使用需要。因此，在醫(yī)學(xué)院校的教學(xué)中就出現(xiàn)很多問題，比如醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中的人體生理參數(shù)采集等演示效果不好，所以，傳統(tǒng)的醫(yī)療儀器教學(xué)只能偏重于理論講解，不夠生動，即使有個別實驗?zāi)＞?，其教學(xué)效果也不理想。在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費較少的情況下，如果大量增加常規(guī)儀器、儀表的配置，學(xué)校財力難以支付。這樣容易造成實驗教學(xué)效果不理想，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新及實踐能力都有一定影響。隨著現(xiàn)代測試功能和計算機技術(shù)的密切結(jié)合，出現(xiàn)的虛擬儀器技術(shù)可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題，彌補傳統(tǒng)儀器教學(xué)的不足。

2虛擬儀器在課程中的應(yīng)用

2.1虛擬儀器簡介

虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）是一種新興的儀器，一種功能意義上的儀器，在以通用計算機為主的硬件基礎(chǔ)上，由用戶自己設(shè)計定義虛擬的操作面板，測試功能由軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)[2]。其實質(zhì)是以計算機為核心的儀器系統(tǒng)與電腦軟件技術(shù)的密切結(jié)合，將儀器裝入計算機。通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件融合，通過軟件編程來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的由硬件電路完成的功能，利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制端，利用計算機強大的軟件功能來管理儀器系統(tǒng)，完成對信號數(shù)據(jù)的運算、分析處理等，可以多種形式輸出結(jié)果，少量的硬件模塊則為虛擬儀器的正常運行提供信號I/O接口設(shè)備來完成不同要求的測試。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器沒有的性能高、擴展性強、開發(fā)時間短、開發(fā)成本低等優(yōu)點，具有很強的靈活開放性。不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都借助虛擬儀器來解決工作與課題中的實際問題。所以，虛擬儀器自誕生以來就在測量、航空航天、自動化、遠程教學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[3]。LabVIEW是美國NI（NationalInstrument）公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發(fā)工具，將功能強大的圖形化設(shè)計平臺LabVIEW與相關(guān)硬件結(jié)合應(yīng)用于教學(xué)上，能夠使傳統(tǒng)理論教學(xué)與實際有效結(jié)合，幫助學(xué)生完成從理論到實踐的學(xué)習(xí)。LabVIEW軟件平臺結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡等相關(guān)硬件可以開發(fā)出示波器、信號發(fā)生器等常用的電子儀器，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器且擺脫了傳統(tǒng)電子儀器功能單一、更換維護麻煩等缺點[4]。將基于LabVIEW的虛擬儀器應(yīng)用在教學(xué)中極大提高了教學(xué)效率，已經(jīng)逐漸成為一種新的手段。

2.2在醫(yī)療儀器教學(xué)中應(yīng)用

“醫(yī)學(xué)儀器原理”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。該課程涉及了醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、計算機、信號處理、傳感器技術(shù)等方面的知識，是一門實踐性很強的科目。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，要掌握常見的醫(yī)療儀器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，而且還要具有一定的創(chuàng)新思想和科研水平，有開發(fā)和設(shè)計高水平的醫(yī)療電子儀器的素質(zhì)[5]。因此做好實驗教學(xué)是學(xué)生提高學(xué)生實驗水平和綜合能力的關(guān)鍵。醫(yī)學(xué)儀器原理實驗主要將人體生理信號的檢測及處理分析作為教學(xué)內(nèi)容，包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數(shù)的測量。生物醫(yī)學(xué)信號由傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，因為人體生理信號比較微弱要先經(jīng)過信號的放大、濾波等預(yù)處理，再進入數(shù)據(jù)采集卡。信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機上以后，利用LabVIEW的圖像化語言進行編程，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的各種分析，包括數(shù)值分析、頻譜分析等，再通過儀器軟面板把結(jié)果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例，這種設(shè)備一般只在醫(yī)院常見，用于教學(xué)中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后，學(xué)生不能夠真正透徹的明白，無法滿足教學(xué)上的需要。我們利用少量硬件設(shè)計結(jié)合LabVIEW軟件編程構(gòu)建了一個人體呼吸測量系統(tǒng)，采用阻抗式呼吸測量原理，硬件電路主要涉及放大和濾波環(huán)節(jié)，限于篇幅就不詳細說明了。圖1為基于LabVIEW平臺搭建的呼吸測量面板圖，針對學(xué)生教學(xué)取得了很好的效果，同學(xué)們一致反映對呼吸測量的原理有了更透徹的認識，并且能學(xué)習(xí)新的軟件技術(shù)，擴展知識面。在LabVIEW環(huán)境下進行實驗教學(xué)只需要根據(jù)實際情況，比如是呼吸測量還是心電測量等，通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實驗任務(wù)，即節(jié)省了實驗成本，又利于實驗設(shè)備更新，讓教師和學(xué)生脫離了傳統(tǒng)教學(xué)儀器功能單一的框框，更重要的是可以充分提高學(xué)生積極性和發(fā)揮創(chuàng)造性，像搭積木一樣，根據(jù)不同的測試需要，在計算機上構(gòu)建一個基于虛擬儀器技術(shù)的測試測量裝備，這樣做還能夠充分的節(jié)省高校技術(shù)資源[6]。

2.3在信號處理類課程教學(xué)中應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)設(shè)置的信號處理類課程主要有：“數(shù)字信號處理”“信號與系統(tǒng)”“生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理”等。這些課程中往往涉及大量抽象的概念、公式，老師上課的時候也只是講解推導(dǎo)公式或證明算法，學(xué)生沒有直觀印象，無法把函數(shù)公式與實際波形相聯(lián)系，理解起來非常困難，從而很大程度的影響了教學(xué)效果。我們以“數(shù)字信號處理”課程為例作一簡單介紹?！皵?shù)字信號處理”是一門理論性很強的，以算法為核心的科目。為了使學(xué)生深入理解教材上提到的理論算法，需要通過仿真實驗來驗證那些理論。LabVIEW軟件平臺的特點之一就是具有豐富的運算且靈活高效的信號處理功能，LabVIEW圖形化信號處理平臺由多個信號處理與數(shù)學(xué)函數(shù)庫組成，包含小波變換、濾波器設(shè)計、時頻分析、圖像處理等工具包，將信號處理的各種功能轉(zhuǎn)化為VI函數(shù)，給使用者提供了方便、簡單的編程途徑，從函數(shù)庫調(diào)用這些現(xiàn)成的VI函數(shù)就可以迅速完成信號處理。學(xué)生能一目了然地看到程序的運行情況，也可以比較不同的參數(shù)對結(jié)果的影響。在數(shù)字信號處理教學(xué)中濾波器是重點知識，也是教學(xué)難點。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍對于濾波器的作用弄不明白，另外根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識怎樣設(shè)計出有實際應(yīng)用價值的數(shù)字濾波器也不清楚。在講授濾波器時，在LabVIEW中信號處理函數(shù)面板中的濾波基本函數(shù)欄進行選擇，在虛擬儀器前面板上放置多個圖形顯示控件，完成對濾波器的設(shè)計，還可以同時顯示多個濾波器的濾波結(jié)果，這種學(xué)習(xí)方式簡單明了，學(xué)生很容易理解抽象的概念從而掌握所學(xué)知識。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學(xué)生在比較短的時間內(nèi)開發(fā)出相對復(fù)雜的數(shù)字信號處理程序，增加了同學(xué)們的自信，提高了其學(xué)習(xí)積極性。虛擬儀器技術(shù)強大的功能可以使其對學(xué)生開展形象、直觀的教學(xué)方式，靈活的應(yīng)用于教學(xué)中，不僅可以幫助學(xué)生深刻領(lǐng)會抽象的理論知識，扎實掌握所學(xué)知識，同時還可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣，達到最佳教學(xué)效果。

3小結(jié)

虛擬儀器的出現(xiàn)是測試領(lǐng)域的一次革命，是儀器領(lǐng)域一個新的風(fēng)向標，它使現(xiàn)代測試測量系統(tǒng)功能越來越強大，且更加的靈活高效、經(jīng)濟，高等教育領(lǐng)域也正在汲取著這種優(yōu)勢，壯大著它的發(fā)展。實踐證明在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)，不僅能夠使教學(xué)內(nèi)容和時展、科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，而且可以有效促進師生的教學(xué)互動，給學(xué)生極大地參與感，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手綜合能力都有幫助。隨著生物醫(yī)學(xué)和電子信息技術(shù)、虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)改革與研究任重而道遠，如何使高校培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才需要我們不斷努力探索。