虚拟仪器的发展

虚拟仪器也称计算机个人仪器,是当今计算机辅助测试领域的重要技术。虚拟仪器利用强大的图形环境和接口通信功能,建立虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析和显示,代替了传统的仪器并改变了传统仪器的使用方法,用户可以根据自己的需求定义仪器功能,提高仪器的使用功能和效率,大幅降低了仪器的价格和研发周期。虚拟仪器技术灵活性强,可重用度高,可以使测试系统规模最小化,易于升级和维护,可以使用现有硬件组成另一套测试系统,从而减少不必要的重复投资,降低系统的开发成本。

  虚拟仪器技术主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域,而且由于其成本较低,升级容易换代快,维护简单,特别是数据的采集、分析、管理做到了智能化,大大提高了工作效率,在科研、计量、工控、自控等应用领域中尤其受到青睐,在发展势头上己将传统仪器远远抛在了后面,并将持续下去。

1. 虚拟仪器的特点

虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC的测试和控制解决方案,其4大优势在于:性能高、扩展性强、开发时间少,以及出色的集成功能。

  1)性能高

  虚拟仪器是在PC技术的基础上发展起来的,所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的技术优点,包括功能卓越的处理器和文件I/O,在数据导入磁盘的同时能实时地进行复杂的分析。随着数据传输到硬驱功能的不断加强,以及与PC总线的结合,高速数据记录已经较少依赖大容量的本地内存。以一台60G的示波器为例,在采用虚拟仪器技术的情况下,构建这样一台示波器是相当简单的,只要将一台基于PC的数字转换器放置在PC机中,就能以高达每秒IOOMB的速度将数据导入磁盘。

  2)扩展性强

  NI开发软件极为灵活,只需更新计算机或测试硬件,就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候可以把它们集成到现有的测试设备,最终以较少的成本加速产品上市的时间。

  3)开发周期短

  在驱动和应用两个层面上,NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表特点,可轻松地配置、创建、部署、维护和修改高性能、低成本的测试和控制解决方案。

  4)完美的集成

  虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂,工程师们通常需要集成多个测试设备来满足完整的测试需求,但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费大量时间,不是轻易可以完成的。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口,例如数据采集、视觉、分布式YO等等,帮助用户轻松地将多个测试设备集成到单个系统,减少了任务的复杂性。为了获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调,这些不同的设备必须保持其独立性,同时还要紧密地集成在一起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统,并随着要求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构架带来的好处,所开发的系统更具竞争性,因为可以更高效地设计和测试高质量的产品,并将它们更快速地投入市场。

2. 虚拟仪器在医学电子仪器中的应用

近年来,虚拟仪器技术得到了快速的发展,特别是其在医学中的应用更是与日俱增。最早在医学领域使用虚拟仪器技术的是美国的GE Marquette Medical System公司,其生产的动态心电图仪器正是利用了虚拟仪器技术,并取得了非常好的效果。这种心电图仪器中有一个能够采集患者24 h心电波的收集仪器,在收集了患者多日心电信息之后,公司再利用分析软件对这些心电信息进行分析处理,从而能够更加准确地确定患者的问题所在[6-7]。目前这种仪器已经全面地被用于世界各大医院中,成了诊断心脏疾病的极佳设备。随后安捷伦公司也将虚拟仪器技术应用于医学领域中,推出了Agilent M2661A心电图系统和Zymed Holter心电分析系统。这两个系统的开发可以视为对GE Marquette Medical System公司产品的改进,其功能更加的强大,尤其在存储功能上得到了很大的改进,Agilent M2661A心电图系统能够存储超过10万份以上的心电图波形信息,并且能够 快速地将各心电图信号进行对比分析,功能更加强大、诊断结果更加准确。这两个案例标志着虚拟仪器技术被正式地引入医学领域,近些年来,虚拟仪器系统在医学领域的 应用方面被不断地扩大,目前主要被用于以下几个方面[8]。

2.1  在医学信号采集系统领域的应用

在医学信号采集工作中,目前已经大量应用 LabVIEW开发平台进行相关医学信号的采集和处理。在这项工作中, LabVIEW开发平台需要结合高性能的硬件采集卡作为支撑。 LabVIEW开发平台目前提供了丰富的数据信息采集程序,但是从目前来看,由于公司的版权与技术问题,这些数据 采集程序仅能够支持NI公司制造的数据采集卡和其他极少数的非NI公司生产的数据采集卡。从目前虚拟仪器技术在医学信号采集的发展来看,我国目前已经设计出了一套成体系的虚拟心电信息采集系统和装置,并且能够采用自行制造的信息采集卡来完成整套的信息采集、分析工作,摆脱了其他国外公司的技术垄断。这套心电采集系统以信息采集卡作为设备的核心,通过串行连接通信、USB 接口连接等方式将两个设备进行连接通信,系统将收集到的心电信息传递至分析设备上,利用LabVIEW的开发环境对信息进行安全测试和数字信号转换,从而完成整套数据信息的处理、分析和显示。这种方法降低了心电信息处理的成本,并且提高了信息处理的准确性、安全性。是我国在医学信号采集领域利用虚拟仪器技术的先导和突破。

2.2  在医学信号处理系统领域的应用

在传统的医学信号处理流程中主要分为两个阶段,即信息的预处理和信号处理。医学中对于处理生理信号一直以来都十分困难,因为生理信号较弱,而且频率、波动和幅度都较低,生理传出的信号多数时候低于空间磁场,因此很容易受到其他信号的干扰而变得不清晰,而医学中对于信号的识别要求又极高,信号如果不能被准确地收集和反映,其效果不但没有益处反而有害。因此,这种空间磁场对于生理信号的干扰一直是医学信号处理领域的难题。 从医学信号处理的过程来看,预处理的过程通常是对生理信号进行分析、记录、存储等操作之前预先进行的一些处理, 包括放大、滤波等过程。而整个信息处理过程的核心是信 号处理,一般先通过特定的转换过程将信号放大后转换成模拟信号,然后将转换后的数字信号直接输入计算机系统中进行分析。在这个过程之中,医学界引入了LabVIEW 平台,利用其高效、灵活的数据处理功能来分析这些已经转换为数字信号的生理信息。LabVIEW中带有的波形测量、信号处理等功能目前已经被大量用于这一领域。其中,平台提供了高级数学分析智能库,能够对三维信息进行全方位处理,强大的数学功能使得经过 LabVIEW平台处理的数据更 加准确和全面。徐秋磊和赵兴群[9]已经利用LabVIEW设计了生理信号的数字过滤模块系统,基本解决了生理信号过弱而易受其他信号影响的问题,他们设计的系统能够实现对心电信息的插值、高通等滤波处理,最终能够计算出心率的各项变化,利用一系列的高级函数,起到了增强信号的效果。

2.3  在医学信息数据库管理领域的应用

经过信号采集、信号处理过程之后,形成了大量的数据信息需要储存以便日后加以利用。这些信息包括患者的各项生理参数、个人资料等,这些重要的信息往往需要长时间保存。但是,传统的数据存储方法(包括手工管理、 文件信息系统管理等)都不能准确反映各类不同的数据之间的关联,不能合理构建数据、文件之间的组织结构。这些都表明了基于虚拟仪器技术的数据管理信息系统是未来医学信息管理的发展趋势。LabVIEW 平台内嵌了SQL 语言库,又自带了多种结构模式和关系图,便于将各类的数据建立关系,同时LabVIEW平台支持在Windows系统中得到广泛利用的ODBC数据库,该数据库中的各类子数据库能够实现跨库、跨平台的数据检索与存储功能。可见,相比于传统的基于语言进行编辑、查询的数据库管理系统而言, 利用LabSQL数据管理平台可以对任何形式的数据库进行访问,能够实现各种类型的查询、检索功能,这就是基于关系图、结构图的数据管理平台最大的优点。   

同时,这种数据库系统能够轻易、简洁地对各种记录进行增删改查操作,仅需要简单的编程过程就可以实现同LabVIEW系统的全面对接。而且,LabVIEW 平台目前是开源的,其为用户提供了更广泛的使用机会和BUG修复、功能强化机会。谭新[10]已经基于这一数据管理平台,设计了一种远程医疗监护中心数据库,该数据库正是利用LabSQL平台对整个医学数据库进行访问,能够大量、准确地存储各类医学生理信息,并且能够通过LabVIEW平台设计出最 合适的查询界面。

2.4  在远程医疗诊断系统领域的应用

远程医疗诊断系统是利用计算机技术与通信技术相结合,能够实现对患者的远程观测和检查,使患者不需要亲自前往医院来就诊。这种技术的发展对于资源的合理分配起到了十分巨大的作用。传统的非远程诊断技术中,一个国家乃至一个城市往往需要大量相同的设备放置于不同的医院中,昂贵的诊疗设备购置,对于医疗机构是一笔极大地开支,这大大提高了患者就诊的成本,使众多患者无力支付医疗费用。而远程医疗诊断系统的发展可以最大程度 地节省资源,降低诊疗成本,同时加快诊疗的速度,大大的提高了医疗效率。LabVIEW平台提供了强大的通信功能, 包括TCP,UDP,NET,DataSocket等各类协议、远程面板等。这些功能都能对远程通信功能的实现和效率的提高起到重要作用。倪艳[11]和陈家胜[12]研发出了一种远程医疗诊断的模型,正是利用LabVIEW平台来实现的,这种模型由多台个人电脑和相关的硬件仪器组成,硬件仪器根据具体不同的诊疗内容来决定,而这套远程医疗诊断模型对于各类疾病的诊疗都是有效的。这套模型运用LabVIEW进行前端的 数据采集和传输,同时利用 VB6.0 设计了诊断数据的中端服务器,之间的通信工作则由DataSocket完成。该模型基于网 络的形式提供诊疗业务,能够使得医师可以随时利用个人电脑通过 Internet 网络对患者进行远程诊断,而患者则可以在 家中利用个人电脑接收专业医师的诊断[13]。到目前为止,该模型已经被运用于心率、血氧饱和度、体温等基础生理数据的检测,未来将会实现更为复杂的生理数据的检测,未来的发展趋势将是向着全面的远程医疗诊断发展[14]。

2.5  在传统仪器功能扩展领域的应用

采用虚拟仪器技术能够更为方便的扩展各类仪器的功能,从而去提高传统仪器的各项水平指标和功能,使得传统的仪器更加智能化、自动化,同时降低设备的成本。王皓宇等[15]提出了一种新型的基于LabVIEW的心电实时监 测系统,在普通的心电图仪器功能之上,对原有的功能进行了扩充,配合微型计算机和数据采集卡,大大提升了传统心电图仪器的功能。对其功能进行了扩展之后能够更加方便地对心电信号实施监测,同时,在LabVIEW平台之上能够更加灵活的设计硬件的功能,王皓宇等[15]已经成功地在该软件平台上使用了小波变换信号处理方法,提高了R波峰监测的准确程度,实现了心电信号的变异性分析,最终能够使得仪器输出的监测数据更加直观、方便的被医师阅读,使得结果更加的准确无误。

 

参考

崔艳斌,陈俊梅。医疗装备杂志,2017-02-16