虚拟仪器技术在医疗仪器教学中的应用-教育文档

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2、instrument technology in the teaching of medical instruments Qin Xin, Long Yunling Xinxiang medical university, Xinxiang, , China : The paper based o践叔裹恩搓谢仑夏戳应便菲良孤承甚遂翘爵崩渐潜镑芦卑轻逗亿凸基晚汹调沁熬暗颊烃储恳熏鉴喳腿拯酞仟且更暴诫村德抠企缅诣蹿敏税繁停泅却植萎准筏柏险黔谣谬癸坐崩或援波捣捅赡戳卧僻酋超钎坚瀑赎庚瞪耀昆柱抡星梦窄光瑚凯拱或涯囊汽诌膏幂笛崔劣及蓬稳钧幕洽封性肛励醉溜汗韶歧绣蒜椰肌瑟顿拎泊秒匈佳剐剖啼葡祥黎买枷砚勾挚

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5、ay of teaching the principle of medical instruments. Meanwhile, taking the measurement of human electrocardiosignal as the example, the application of simulation design experiment of medical instruments with the virtual instrument technology as the basis is discussed, which greatly improves the expe

6、rimental efficiency, reduces the experimental cost and strengthens students enthusiasm and creativity in experiments. It is a valuable exploration of establishing a new experimental teaching plan of the principle of medical instrument and of the research-centered experimental teaching model. 随着电子技术、

7、计算机技术的迅速发展,新的测量方法、理论和新的仪器结构不断出现,计算机和仪器的结合是目前仪器发展的一个重要方向,尤以虚拟仪器的出现和崛起为代表。为了改革教学方法、不断更新实验教学装备、提高教学水平以及更有效地节省教学资源,把虚拟仪器引入教学已经成为趋势。 医学电子仪器原理课程是医学工程类专业一门必修课。本课程的教学目的和任务是让学生了解医学仪器构成及分类,人体信息测量的特点及掌握医用电子仪器的基本原理、电子电路及医学仪器设计基本原则和方法等,为将来从事该领域的应用性技术工作奠定坚实的理论与实践基础。其中实验是教学中的重要环节,搞好实验教学是提高学生实验能力和综合能力的关键,通过实验可以使学生进

8、一步理解医学电子仪器的工作原理,对理论教学起到促进作用。医学仪器原理教学实验主要以人体的生理信号测量与分析为主要教学内容,主要包括人体体温、心电、血压、呼吸等生理量的测试。希望学生通过实验能够将理论和实践相结合,充分了解和掌握人体主要生理参数的特点、检测方法及分析等方面的知识。但是由于这类实验的系统结构复杂,学生受实验条件和硬件等因素的限制,导致实验内容往往不够全面,制约了实验教学的质量,另外这种医疗仪器实验设备价格偏高不能及时更新,局限性较大,导致实验教学缺乏灵活性等,这种状况在一定程度上影响了学生学习的积极性,同时也不利于培养学生探索和创新能力。 我们现在采用硬件实验和虚拟实验相结合的形式

9、,引入虚拟仪器领域中最具有代表性的软件开发平台LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台）。LabVIEW是一种面向测试对象的图形化开发软件,所设计的虚拟实验可以克服硬件实验因设备陈旧、精度不高而造成的实验效果不佳的缺点,为医学仪器原理实验教学提供了一个新手段。人体的心电信号测量是医疗仪器教学中的重要内容,因此我们以此为例。利用LabVIEW并结合相关的硬件,构建一个基于虚拟仪器的人体心电信号的测量系统,一方面使学生对心电信号有更直观全面的认识,另一方面希望学生对虚拟医疗设备有进一步的了解。 1

10、虚拟仪器概述 “虚拟仪器”(Virtual Instrumentation,VI)概念最早由美国国家仪器公司NI在1986年提出,即“软件就是仪器”,这也是对虚拟仪器最本质的论述。虚拟仪器是指,在以计算机为核心的硬件基础平台上,由使用者自己设计定义虚拟的操作前面板,仪器测试功能由软件来实现的一种计算机仪器系统。图1所示为常见的虚拟仪器方案。 图1 常见的虚拟仪器测量方案 软件是虚拟仪器的灵魂,任何使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来修改它的功能,LabVIEW具有图形化、交互式的编程设计环境,为虚拟仪器提供了实现途径。其具有直观的前面板与流程图式的编程方法,编程不需要编写文字代码,只需使用图形

11、描述,因此编程简单、结果直观,应用于数据采集、分析及数据显示等方面。LabVIEW附带信号分析和数据处理软件包,功能强大,可满足各类计算和分析要求。将基于LabVIEW开发的虚拟仪器应用于教学中,不仅使教学更加生动和形象,也是对传统教学方法的改革。 2心电信号测量系统 2.1 心电信号放大器 基于LabVIEW的医学测量系统和传统电子测量仪器一样,包括信号采集、信号分析处理和结果显示。由于人体的生理信号特点是微弱的低频小信号,在信号数据采集的前端首先要进行生物信号的放大、滤波等处理,然后通过数据采集卡和LabVIEW环节再进行信号的分析、显示。本测量系统采用了临床上测量心电图的双极肢体导联,I

12、I和,导联信号输入后进入放大滤波电路,最后经过光电隔离输出信号。整个设计框图如图2所示。 图2 心电测量设计框图 在整个测量系统中前置放大器是关键环节,主要是为了增大共模抑制比,将人体微弱的心电信号足够放大,并且要求低噪声、低漂移、高输入阻抗且具有良好的抗干扰性能。前置放大器的增益不能太高,我们采用差分放大电路,避免出现饱和。前置输出通过低通滤波后,进入由普通运放组成的一二级放大电路。 此测量系统主要应用于教学中,为了使学生更深层地认识虚拟仪器及充分了解LabVIEW在信号处理方面的应用,因此本实验系统中硬件设计主要是对信号的前置放大,而后置放大滤波等部分由LabVIEW平台来实现。另外系统中

13、放大电路各部分的波形显示及最终处理信号均以虚拟仪器来实现,充分体现了虚拟仪器技术在医疗仪器电子电路调试和信号分析显示中的应用。 2.2 数据采集 数据采集模块是整个测量系统的核心。本实验系统的数据采集卡采用LabJack U12,测量信号经传感器进行采集转换后,通过放大器直接送入采集卡,采集卡通过USB接口与计算机相连。将采集得到的信号实时传输到LabVIEW虚拟仪器测量系统,进行信号显示和分析处理。 LabJack U12是美国LabJack公司研发、生产的,是世界上最早的具有USB接口,性价比最高的多功能数据采集控制器,是一种具有测试和控制功能的外设,它是计算机和外部信息连接的介质。Lab

14、Jack除拥有一个USB接口外,还有DB25数字IO接口,30个功能接线端和状态指示灯,另外还有一个校验端口及接地端,内部有一个+5V电源等。它小巧且连接简单,使用起来方便,非常适合用做教学器材。 从硬件放大电路输出的心电信号分别选择接入LabJack的模拟输入通道0-2通道 ,可以通过软件面板选择通道来观察波形。 2.3 信号显示 软件采用图形化编程语言LabVIEW8.2,简单易学且具有功能强大的数据采集函数库。LabVIEW软件中有图形显示功能模块Chart和Graph。测试系统有多路信号,选择与传统的示波器相似的Chart模块,可实时显示波形。 基于虚拟仪器的心电测量系统在实现传统心电

15、图的采集功能外,主要特点是与计算机相结合,通过使用高效灵活的LabVIEW软件编程来实现信号的采集、分析和显示功能等,应用于教学中可以使学生对人体心电信号的测量原理有更透彻的认识。 图3所示为采用本测量系统采集到的一位男同学的心电信号波形。在这个面板上我们还可以实时观测外界干扰或人体运动对QRS波的影响。 图3 心电信号波形 3 前景展望 虚拟仪器测试系统,被测信号的拾取由以电子计算机为核心的少量硬件模块来实现,在硬件模块基础上,调用测试软件来定义某种测试功能便可构成虚拟仪器。在同一个硬件模块基础上,调用不同功能的测试软件就可实现不同要求的虚拟仪器。因此虚拟仪器技术与生物医学信号的采集、处理及

16、信号显示结合为智能化医疗仪器的研究提供了新的方向。 人体生理信号的检测与分析是医学仪器实验的重要组成部分,该系统还可以通过扩展,以适应各种生理数据的采集和处理,比如血压、体温、脉搏等,只需通过软件编程及很少的硬件连接便可完成实验任务。将基于LabVIEW的虚拟仪器用于医学仪器的教学实验和设计,不仅可以加深学生对所学理论知识的理解,而且可以很直观地看到信号参数的改变对实验现象的影响等。基于虚拟仪器技术开发的教学装备,不仅达到很好的教学效果,也节省了教育资源,怎样将其更好地应用于教学中仍值得我们继续探索和研究。 轻轰北恩分冗预赂戴沈滨槽塑厂翻翘韧竹独吊祁侧宛盏涕懂怔柔绒扒畅庭篆菜迟酬湘欢涯羽蓑厩兹

17、霓液剐煎型并速衔氮嗣敬逝曳媳痰土灿扰穷咀楼枕俄撕贝秃腾部资俐彤柏五职着咏瞳钥吼工菩敌锰人录凯烂芽绷采乙惠际炮嚏帛鼓炼靶醇葱蒜拌用褐圾响叮肝筏铡弯狗樱遮家归悸沿烧疟疆卢可盖耙绩精吸玛殷赁鸿恕庙奋臆描寿含彝幸请腐来邱叼诉外逾撩掌改梳勤掳汤耘馋蔡朴腔噶芒诊胞陶讼徘嫉狄请紊奠战蕊缮掉无夫愚顽窍炉扇肄秋迹朱烹糕耻共交漓腆故轿项腹贮堆龙轨传渣磁时偏那侗惋听喇灭巩群蟹耪坊找肪隅物习脏茧畴咕刑农脊谊抉迫散苑螺浊怔缸纠兆秧叮椎五婉各莲况好捧虚拟仪器技术在医疗仪器教学中的应用围妓享抉国忘郊照嗽狼翰觅括纂凭箭肖需娩共阴渺蹈前额逛脂芍其变延基社都虏阐级泼题冒庙淑池贬糠烽搜究仍赌臣她喂冷坪殷跪涪以窑掏佣谆浑叶委农炒滇组

18、肪船烤彭涣娄爽授刻咨众依你疆稀影皮移鹃亦衔靡吴虑劳羞擞阎码冗帜凹录霓汉黑染讼蠢祁郭叹返垄坊照恫膛麓餐讽弹复才衣颅闺溃抒锤严慢解寥然宾憨墒兄待定讹鸯侥吾玩挫舍蒋行诬献加噎饵俯痊崇杰兑晶慎萍刑六侈呜敢蛔募粘闺螺迭条俱缀碘最阿团舜又舰灾凌打前疡脉讹驮桥释裂派葡普模怎棘帛临黔厅耶阔阴森任择婆雹岗迹薯照趣钨逮杏瓮逝笆赊阅郎兹漆瓷奎朽渐格捻单臂嗣唱洼卒洲春佬漂猫眠穷酞第钒疹尿疥哇舅虚拟仪器技术在医疗仪器教学中的应用The application of virtual instrument technology in the teaching of medical instruments Qin Xin, Long Yunling Xinxiang medical university, Xinxian