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1、虚拟仪器在医学中的应用综述 摘要：本文介绍了虚拟仪器在医学应用方面的概况及虚拟仪器在医学领域应用的一般结构 和各组成部分的功能。在介绍虚拟仪器结构的基础上，本文对医用虚拟仪器和传统的医学仪 器进行了比较，最后，本文分别介绍了虚拟仪器在医学方面的应用实例，如：脑电信号的提 取，心电图的分析以及远程治疗的实现。关键词：虚拟仪器 脑电信号 心电图 远程治疗Application Of Virtual Instrument In Medicine ReviewAbstract:This paper introduces an overview of virtual instruments in the
2、 medical applications and the general structure of virtual instrumentation in the medical application and functions of the various components. Based on the introduction of the structure virtual instrument in this paper, we have compared virtual instruments with traditional medical medical apparatus
3、Finally, this paper introduced the application of virtual instrument in the medical aspects, such as: extraction of EEG, ECG analysis, and achieve long-range treatment Key words: Virtual Instruments ECG EEG remote treatment1 引言虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的 个人计算机仪器:也就是在通用计算机上假 上一组软件和域硬件，使得使用者在操作这 台计算机时,就象是在操作一台他自
4、己设计 的专用传统电子仪器。它由通用个人计算 机、模块化功能硬件和控制软件所成。操作 人员通过友好的图形用户界面以及图形化 编程语言来控制仪器的运行，完成对被测试 量的采集、分析、判断、显示、存储以及数 据生成。虚拟仪器是微电子技术、计算机软硬件 技术、现代信号处理技术、虚拟现实技术等 高新技术与测试技术、仪器技术密切结合共 同孕育出的一项新成果。将虚拟仪器技术引 入生物医,学仪器领域从而诞生了一个新兴 的仪器领域生物医学虚拟仪器，而将 网络的应用引入生物医疗仪器中组成虚拟 生物医疗仪器系统。生物医学信号属于强噪声背景下的低频 微弱信号，是由复杂的生命体发出的不稳定 的自然信号。由于人体多种生
5、物电信号和各 种噪声的交织，以及测量系统本身的影响， 使得信号的处理是复杂和困难的。应用计算 机分析生物电信号，能有效降低信号处理的 复杂性和困难度。特别是应用虚拟仪器技术 分析生物医学信号，将使心脏功能检查、心 电监护等变得灵活，高效。基于虚拟仪器技术的生物医学仪器也开 始 得 到 发 展 ， 如 美 国 的 GEMarquette Medical systems 公司生产的动态心电图仪 就是新一代虚拟化生物医学仪器，这种仪器采用一个数据采集器对患者进行 24 小时心 电信号监护与采集，然后采用 Marquette 分 析软件进行心电分析和自动测量，具有快速 检索、回放、人工修改、辅助分析等
6、功能， 并具有很强的辅助心电图诊断功能，目前已 在国内一些大医院采用。如北京 301 医院， 第三军医大学大坪医院，华西医科大学附属 医院等。安捷伦公司也先后推出了两种类似 于虚拟仪器技术的心电图分析系统:和惠普 zymedHolter 动 态 心 电 分 析 系 统 (2010/1810)。惠普 M266lAPC 心电图系统是 一个具有 12 导联同步、实时心电图的仪 器，具有强大的存储功能，可存储 10 万份 以上心电图波形及报告，能快速检索、回放、 对比、自动测量，辅助分析，人工修改，重 建心电向量辅助心电图诊断等功能。2.医用虚拟仪器的一般结构 医用虚拟仪器的信号采集与处理系统 由硬件
7、和软件两部分构成。硬件部分包括信 号调理电路，数据采集卡和 PC 机部分等， 主要实现信号的采集，检测和数字化；软件 是整个系统的关键，主要实现采样数据的实 时显示，处理，存储，回放和传输等。系统 结构图如图 1 所示。信号调理电路数据采集卡数据采集T计算机生理信号存储数据S硬盘远程传 输读取数据七n数据处理L|数据显示图 1 系统结构框图2.1 系统硬件部分(1) 信号调理电路医学生理信号是由生命体发出的不稳 定连续信号。它的最大特点是信号幅度弱噪 声强。因此在数据采集卡对其进行数字化之 前，必须经过适当的模拟电路放大和预处 理，这需要用到信号调理电路，它具有放大， 整形和滤波等功能，解决了
8、对医学信号进行 检测是遇到的信号微弱，工频干扰等难题。(2) 数据采集卡 虚拟仪器系统中主要的输入 /输出设备 是数据采集卡，数据采集卡作为仪器硬件系 统的主要部分，是外界电信号进入 PC 机的 桥梁。2.2 系统软件部分 软件主要包括用户界面和功能程序设定两 个部分。用户界面有 Labwindowst/CVI 中的 控件及菜单组成，通过操作用户界面上的控 件来启动，停止采样，控制采样速率大小， 各通道波形的基线等；功能程序(数据采集， 实时波形的显示，数据处理，数据存储和回 放)用来完成系统各项测试功能。(1)仪器软面板的设计 系统包括三个用户面板：Q参数设置面板：不同的生理信号需要不 同的
9、采样频率，根据输入的采样频率，到数 据总线上读入数据。Q主面板包括：装载菜单，按钮和图形显 示控件。Q通道选择及增益面板：在采样的同时根 据需要选择，进行多通道实时显示信号波 形，在实时显示的同时，允许用户对各通道 的基线(position),振幅，增益进行调节。(2)功能程序Q数据采集数据采集是通过“开始采集”按钮的回调 函数 Acquire 实现的。另外，为了不丢失数 据，实现连续采集，系统采用了数据采集卡 的双缓冲模式，当环形缓冲器中的数据准备好后，就将A/D转换结果传送至用户缓冲区， 为了能在扫描时间控制下不断刷新显示屏， 必须把绘图和时钟控件进行结合。Q数据处理基于计算机的生物信号采
10、集与处理系统 常用的处理方法有：微分和积分，迭加平均 和频谱分析等。Q数据的存储机回放数据的存储是通过“开始保存”按钮实现 的。数据采集过程中，如果需要在硬盘上保 存数据，可以按下次按钮将采集数据保存到 指定硬盘目录下的文件中，文件名为开始采 集的时间。查看以前保存的数据，可以打开“文件” 菜单中的子菜单“打开”，实现数据的回放 功能。3 医用虚拟仪器的优点（1）用户可自定义，而不是由厂商定义。用户可根据自己的需求，自己定义.使用户 的测量和控制系统使用更加灵活，功能更强 大，而且很容易同网络、外设及其它应用连 接.（2）虚拟仪器技术使用了图形编辑语言， 采用了“所见即所得”的可视化技术建立人
11、 机界面，为没有有编程经验的科技人员铺平 了道路，只要会操作计算机，就可以设计、 组建、研制和使用虚拟仪器系统。（3）利用了计算机丰富的软、硬件资源， 大大地突破了传统仪器在数据处理、表达、 传递、存储等方面的限制.达到了传统仪器 无法比拟的效果.（4）性能价格比高，设备可以重复使用， 任意组合，减少了开放费用和时间，降低了 整个仪器系统的成本，并且可以随着计算机 软件、硬件的发展，不断地更新仪器系统.（5）医用虚拟仪器与传统的医学仪器相比， 成本大大降低，一方面可以为医院节省一批 宝贵的资金，另一方面可以为病人节省一些 看病的费用，另外，可以对一些心脏病患者 进行远程实时的观察，及时做出医疗
12、指导。（6）可以实现远程治疗，可以部分解决广 大边远农村农民看病难，看病贵的问题。由 于我国城乡差距仍存在，医疗资源分布不 均，广大农村缺少医生，通过远程医疗可以 是农村的病人足不出户就可以得到医生的 医疗指导。同时还可以同医生进行在线或者 离线的交流。4. 虚拟仪器在医学应用中的应用实 例4.1 脑电信号的获取（1）用于精神病障碍的治疗 大脑是人类活动的控制中枢，人类所有行 为 都 是 由 大 脑 发 出 的 脑 电 信 号 （Electroencephalogram 缩写为 EEG）控制 周围神经及肌肉产生， 1924 年，法国学者首 次用头皮电极记录到脑电波以来，人们便探 讨用控制脑电的
13、方法治疗神经性疾病。脑电 生物反馈是一种用于解除心理和生理不适 的一种全新的方法，它通过采集受试者的脑 电信号并以某种方法显示出来，以训练受试 者的有意识地控制自身脑电波模式，达到解 除心理和生理不适的目的。研究者和医疗工 作者们都致力于该项技术用于解除认的焦 虑和紧张情绪，并用于治疗脑内伤，酗酒， 精神障碍等疾病。EEG 生物反馈的研究者们认为，通过不断 地训练，受试者们能够随意调节脑电波的节 律的增加或减少，这种反馈医疗的目的就是 诱导出两种与神经放松相关的两种节律脑 电波，并通过反复训练产生持久效应，使大 脑形成一种“习惯”，自此以后，它就能不 断地产生健康的脑电波模式。运用上述原 理，
14、用虚拟仪器技术制作的脑电生物反馈治 疗仪，用来对精神病障碍患者进行治疗，为 精神病障碍患者的治疗开辟了一条新途径， 使精神病障碍患者从长期服药的痛苦中解 脱出来，同时也避免了由于长期服药带来的 负面效应，在一定程度上为精神病障碍患者 节省了医药费用。（2）分析人的睡眠过程睡眠是一种复杂的生理过程，人类对睡眠 本质的认识，得益于脑电图的开发和应用。 人在清醒与睡眠状态具有不一样的脑电图 波形，一个人的睡深度也可以从脑电图上反 映出来，但由于睡眠脑电图的复杂性及对外 界干扰过于敏感，人们对睡眠脑电图活动机 理还没有一个整体宏观的认识。近来各种时 频分析方法和非线性分析方法的引入使得 睡眠脑电图的研
15、究取得了一定的进展。但由 于各种时频分析方法本身的局限性，简单地 用某种信号分析方法很难有效地进行睡眠 脑电图分析，因此，可应用基于小波包变换 和短时傅里叶变换的多分辨率时频分析方 法实现了睡眠分阶的自分析。4.2 心电图的分析心电图是临床上非常实用的一种无创 伤检查手段，是记录心脏电活动简单而实用 的方法，也是心血管病科最常用的检测诊断 技术。在美国和欧盟两地，每年用常规诊断 和筛检目的的心电图检查超过 1 亿次。经过 大量的临床研究，心电图经成为心血管疾病 诊断的重要方法，对许多病人，它能准确诊 断患者在解剖、代谢、电解质以及血流动力 学等方面的异常。例如结合临床病理资料， 它对心脏肥大、
16、心肌梗塞及其梗塞部位具有 决定性的诊断价值。对某些心脏疾病，如心 肌、心包炎、药物中毒等引起心脏病变的疾 病具有辅助诊断意义。而对某些心脏病，它 是诊断的特异性指标。心电图的变化常常预 示着心脏病变的发展变化，医也常常根据心 电图的变化来调整治疗方案。对心律失常病 人，心电图还是诊断金指标。临床心电图数据信息管理系统是庞大医 学信息库的重要组成部分，是医师在临床医 疗工作中以患者或可能成为患者的人群为 对象，以疾病的病因、诊断、治疗、预后等 临床现象为内容的疾病认识过程的系统总 结。这些总结是临床医学科研的信息来源， 又为医学科研提供佐证。系统中收录患者的 心电图数据信息及其相关病史、症状、体征 客观地展现了特定疾病状态或不同疾病状 态下的各种心电图特征和表现，通过这些表 现: 可以评估心电图在预测冠
