虚拟仪器和LabVIEW在生物医学信号检测处理中的应用

1 虚拟仪器简介

所有的测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和结果显示等三大部组成。其中数据分析和结果显示完全能用PC机的软件系统来完成，因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可用PC机组成测量仪器。基于PC机的测量仪器就称之为虚拟仪器。

在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可实现功能完全不同的测量仪器。软件系统是虚拟仪器的核心，软件定义仪器，因此说“软件就是仪器”。

由于虚拟仪器的具体功能都是通过软件编程控制或定义的，一方面用户完全可根据需要定制仪器功能，另一方面，使用相同的硬件就可得到多种测量仪器；虚拟仪器都采用可视化的图形编程语言和平台，提供非常丰富、功能强大的数据处理软件包，因此，虚拟仪器具有经济、编程简单快速、使用方便等突出的特点。  

2 利用虚拟仪器进行生物医学信号采集与分析的技术方法

2.1 可行性分析

医学测量系统同样由数据采集、数据分析和结果显示等三部分组成，但由于其测量的对象是人体(人体是相当复杂的生命有机体)，而且测量系统和被测人体间存在明显且复杂的相互作用，所以，又不同于一般的电子测量仪器系统，医学测量系统不仅要求更严格的技术性能，如噪声性能、抗干扰能力、测量精度及可靠性等等，而且还有一些特殊的要求，如安全性等。

从功能模块上分析，实际上只是数据采集部分的前端（称为信号调理器），即信号拾取、放大部分及其供电电源|稳压器|稳压器与众不同，尤其是前置放大器的设计很独特，如要求高输入阻抗、浮地隔离、低噪声等等，而其他部分则没有什么两样。

用虚拟仪器组成某种参数或信号的测量仪器，均需用户提供专用的信号调理器，因此，只要提供医学测量放大器，就可利用虚拟仪器进行生物医学信号的采集和分析。

2.2 具体的技术方案

如前所述，利用虚拟仪器进行生物医学信号的采集与分析时，需自行设计专用的生物信号放大器，实际上亦可利用已有的医学仪器作为放大器，只要该仪器能提供所需的模拟信号的接口。

由放大器或医学仪器拾取、预处理（如放大、工频滤波等）生物信号，然后利用虚拟仪器厂家提供的信号采集板（DAQ）和LabVIEW进行信号的采集、显示和分析，其中放大器或医学仪器通过NI公司的BNC适配器同DAQ板进行接口，BNC适配器提供同时与多种信号接口的能力。  
可用上述的虚拟仪器系统（以后简称为虚拟医学仪器）监测任何类型的生物医学参数或信号，如ECG、EEG、EMG、EOG、ERG、生理压力（血压等）、流量、温度及生物力等等。

2.3 虚拟医学仪器的特点

虚拟医学仪器充分利用PC机的资源（尤其是其软件资源）及灵活性，使医学仪器的设计变得简单、灵活富有弹性、更加模块化、易维护、可重复利用性好、省时经济等等，而且增强了医学仪器的功能，如分析处理、存储管理等能力，同时仪器的用户界面更加美观、友好，操作使用非常简便。

虚拟医学仪器不仅能用于临床监护，更适合于医学研究。使用虚拟医学仪器进行医学研究，首先，可大大缩短课题所需的专用仪器的研制时间，而且能重复利用，省时经济，可把时间、人力和物力重点投入到研究的主题上。传统的研究用医学测量仪器往往是专用的，随着研究项目的完成其生命期亦终结，基本不能用于新的研究课题，因此耗时且不经济；其次，由于采用易学易用的图形语言LabWindows，且提供非常丰富、功能强大的信号或数据处理软件库，仪器及信号（或数据）分析处理的程序设计都很简单，即使是没有计算机软件设计方面知识和经验的医务工作者亦能编程，直接参与仪器的设计，如定制数据分析功能等，甚至可独立进行一些仪器的设计，这样设计出来的医学仪器将更有意义；再者，其易修改、易扩展及易维护性特别适合于科研或新型医学仪器的开发阶段。  

3 虚拟仪器在麻醉深度自动检测研究中的应用

麻醉事故时有发生，这主要是由于目前缺乏对麻醉深度进行量化检测的有效方法，临床中麻醉剂的剂量控制主要靠麻醉师的经验。因此，研究解决手术时麻醉深度的定量自动检测问题就非常必要。

拟采用通过测量听觉诱发电位间接检测麻醉深度的技术路线和方法。其中主要包括两个问题，即听觉诱发电位的快速提取、建立诱发电位与麻醉深度间的关系模型。它要求所用的医学测量系统须有如下功能，即：能输出刺激脉冲信号，且波形、幅度、脉冲个数和时间可控（即可修改）；实时同步的数据采集及数据存储的功能；数据采集时间可程控；方便进行数据的分析与处理；系统功能可扩展性；系统的控制和操作简便等。由于现有的医学仪器都不能兼顾以上各方面的要求，很不便于研究工作的进行，而自行开发又费时费力，经费投入也大，因此，采用了虚拟仪器+LabVIEW开发语言的方案，问题得到理想的解决。

系统的具体设计如下：

①硬件系统：前置放大器采用自行研制的放大器（是在自行研制并生产的数字脑电图机前置放大器的基础上开发出来的）、数据采集卡采用NI公司PCI-MIO-16XE-50型号的16位DAQ卡,以及型号为BNC-2090的带屏蔽连接电缆的信号适配器；同时利用DAQ卡产生刺激信号（DAQ卡提供了产生信号所需的基本组件），供给自行设计的刺激电极驱动器。

②软件系统：软件开发采用图形编程语言LabVIEW，但由于LabVIEW提供的信号或数据处理软件库不能完全满足研究的需要，因此，还采用了C++语言来研究开发麻醉深度检测的专用处理软件包，该软件包封装成DLL，提供给LabVIEW(因LabVIEW支持DLL)。该设计方案简化了软件系统的设计，而且使其具有更好的模块性、可维护和修改性。

由于虚拟仪器系统具有非常好的可修改性和开放性，即能很方便地修改其功能或往系统中添加新的功能模块，因此，采用虚拟仪器技术，还能很好地解决随着研究的不断深入所需系统升级的问题。因研究的最终目标是实现手术麻醉自动化，即自动注入麻醉剂并自动控制注入的剂量，这就要求能往该系统中添加新的自动控制功能模块。现由于采用了虚拟仪器技术，将来只要再增添一块控制卡，适当编程就可完成所需的控制功能。  

4 结论

医学仪器虽有其特殊性，但仍是一种测量仪器系统，只要能提供适当的前端部件，就可利用虚拟仪器组成标准的虚拟医学仪器。这种虚拟医学仪器系统尤其适合于医学或生物医学工程的研究，省时省力，节约研究经费。