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(diǎn)，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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)及信息圖像傳輸、處理等有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)以及醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)知識(shí)，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(jī)原理”“生物醫(yī)學(xué)傳感器”“醫(yī)療儀器原理”“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理”“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”等。另外憑借醫(yī)學(xué)院校的優(yōu)勢(shì)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(dá)到教學(xué)效果，所開設(shè)的這些課程基本上都需要做實(shí)驗(yàn)演示，以增強(qiáng)形象性效果和形象性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)教育中是必要手段。幾乎每門課的實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生器等。在傳統(tǒng)教學(xué)中基本上都是使用相對(duì)獨(dú)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(duì)于需要電子計(jì)算機(jī)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(hù)，教學(xué)成本比較高。另外，在醫(yī)學(xué)院校對(duì)于和醫(yī)學(xué)相關(guān)的專業(yè)課程很多實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(dòng)，即使有個(gè)別實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，其教學(xué)效果也不理想。在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)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(cái)力難以支付。這樣容易造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新及實(shí)踐能力都有一定影響。隨著現(xiàn)代測(cè)試功能和計(jì)算機(jī)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(bǔ)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(jì)算機(jī)為主的硬件基礎(chǔ)上，由用戶自己設(shè)計(jì)定義虛擬的操作面板，測(cè)試功能由軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[2]。其實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件融合，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的由硬件電路完成的功能，利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制端，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來管理儀器系統(tǒng)，完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)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(yùn)行提供信號(hào)I/O接口設(shè)備來完成不同要求的測(cè)試。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器沒有的性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)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(shí)際問題。所以，虛擬儀器自誕生以來就在測(cè)量、航空航天、自動(dòng)化、遠(yuǎn)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(qiáng)大的圖形化設(shè)計(jì)平臺(tái)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(shí)際有效結(jié)合，幫助學(xué)生完成從理論到實(shí)踐的學(xué)習(xí)。LabVIEW軟件平臺(tái)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(hào)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(hù)麻煩等缺點(diǎn)[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(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、傳感器技術(shù)等方面的知識(shí)，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)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(jì)高水平的醫(yī)療電子儀器的素質(zhì)[5]。因此做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平和綜合能力的關(guān)鍵。醫(yī)學(xué)儀器原理實(shí)驗(yàn)主要將人體生理信號(hào)的檢測(cè)及處理分析作為教學(xué)內(nèi)容，包括了人體血壓信號(hào)、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數(shù)的測(cè)量。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，因?yàn)槿梭w生理信號(hào)比較微弱要先經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波等預(yù)處理，再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)上以后，利用LabVIEW的圖像化語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)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(jì)結(jié)合LabVIEW軟件編程構(gòu)建了一個(gè)人體呼吸測(cè)量系統(tǒng)，采用阻抗式呼吸測(cè)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(xì)說明了。圖1為基于LabVIEW平臺(tái)搭建的呼吸測(cè)量面板圖，針對(duì)學(xué)生教學(xué)取得了很好的效果，同學(xué)們一致反映對(duì)呼吸測(cè)量的原理有了更透徹的認(rèn)識(shí)，并且能學(xué)習(xí)新的軟件技術(shù)，擴(kuò)展知識(shí)面。在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)只需要根據(jù)實(shí)際情況，比如是呼吸測(cè)量還是心電測(cè)量等，通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，即節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，又利于實(shí)驗(yàn)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(cè)試需要，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試測(cè)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(hào)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(hào)處理類課程主要有：“數(shù)字信號(hào)處理”“信號(hào)與系統(tǒng)”“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)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(shí)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(shí)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(hào)處理”課程為例作一簡單介紹。“數(shù)字信號(hào)處理”是一門理論性很強(qiáng)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證那些理論。LabVIEW軟件平臺(tái)的特點(diǎn)之一就是具有豐富的運(yùn)算且靈活高效的信號(hào)處理功能，LabVIEW圖形化信號(hào)處理平臺(tái)由多個(gè)信號(hào)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(jì)、時(shí)頻分析、圖像處理等工具包，將信號(hào)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(hào)處理。學(xué)生能一目了然地看到程序的運(yùn)行情況，也可以比較不同的參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中濾波器是重點(diǎn)知識(shí)，也是教學(xué)難點(diǎn)。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍對(duì)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(shí)怎樣設(shè)計(jì)出有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的數(shù)字濾波器也不清楚。在講授濾波器時(shí)，在LabVIEW中信號(hào)處理函數(shù)面板中的濾波基本函數(shù)欄進(jìn)行選擇，在虛擬儀器前面板上放置多個(gè)圖形顯示控件，完成對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)，還可以同時(shí)顯示多個(gè)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(shí)。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學(xué)生在比較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出相對(duì)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)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(qiáng)大的功能可以使其對(duì)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(huì)抽象的理論知識(shí)，扎實(shí)掌握所學(xué)知識(shí)，同時(shí)還可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到最佳教學(xué)效果。

3小結(jié)

虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)試領(lǐng)域的一次革命，是儀器領(lǐng)域一個(gè)新的風(fēng)向標(biāo)，它使現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，且更加的靈活高效、經(jīng)濟(jì)，高等教育領(lǐng)域也正在汲取著這種優(yōu)勢(shì)，壯大著它的發(fā)展。實(shí)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(shí)展、科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，而且可以有效促進(jìn)師生的教學(xué)互動(dòng)，給學(xué)生極大地參與感，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)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(yuǎn)，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。