虛擬儀器技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

秦鑫，高鳳梅，龍?jiān)屏?/p>

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)系，河南新鄉(xiāng) 453003

虛擬儀器技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

秦鑫，高鳳梅，龍?jiān)屏?/p>

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)系，河南新鄉(xiāng) 453003

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是目前國際上發(fā)展極為迅速的交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科，根據(jù)該專業(yè)本科教育的特點(diǎn)及課程設(shè)置，針對(duì)目前課程教學(xué)存在的不足，引入虛擬儀器技術(shù)，并以醫(yī)療儀器原理和數(shù)字信號(hào)處理兩門課程為例描述了其在教學(xué)中的應(yīng)用；對(duì)虛擬儀器在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展做了前景展望。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)；教學(xué)應(yīng)用；虛擬儀器技術(shù)

生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，BME）是一門由理、工、醫(yī)相結(jié)合的交叉學(xué)科，是多種工程學(xué)科向生物醫(yī)學(xué)滲透的產(chǎn)物。它是運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，從工程學(xué)的角度，在多層次上研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系，解決生物醫(yī)學(xué)上的檢測(cè)、診斷、治療、管理等問題，以及進(jìn)一步探索生命系統(tǒng)的各種運(yùn)動(dòng)形式及規(guī)律性的一門綜合性、高技術(shù)的邊緣學(xué)科。目前全國開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的高校不在少數(shù)，關(guān)于這個(gè)學(xué)科的課程體系設(shè)置和教學(xué)模式在理工科院校和醫(yī)學(xué)院校卻不盡相同。

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)＞撸浣虒W(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（Virtual Instrument，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（National Instrument）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。

圖1 呼吸測(cè)量系統(tǒng)前面板

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)代發(fā)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。

[1] 吳凱,吳效明.醫(yī)學(xué)電子儀器課程改革研究與人才培養(yǎng)的探索[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2007,24(6):461-463.

[2] 張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3] 嚴(yán)浩.基于LabVIEW網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2007.

[4] 牛群峰,王威,吳才章.虛擬儀器在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國電力教育,2010,(34):136-138.

[5] 陶玲,王惠南.“生物醫(yī)學(xué)儀器”課程改革的實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(1):11-15.

[6] 趙莉,徐春妹.LabVIEW在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007,(5):91-92.

[7] 步金梅,范林華,肖毅.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在臨床教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009,24(11):47,62-63.

The Application of Virtual Instrument Technology in the Teaching of Biomedical Engineering

QIN Xin, GAO Feng-mei,LONG Yun-ling
Life Science Department, Xinxiang Medical University, Xinxiang Henan 453003, China

This paper introduces the characteristics and design of biomedical engineering course which develops very rapid internationally nowadays as an interdisciplinary discipline, meanwhile, in view of the shortcomings of traditional teaching of the course, brings in the virtual instrument technology and describes its application in teaching with such courses as the principles of medical instruments and digital signal processing for example. Displayed is the prospects of the future development of virtual instruments in the fi eld of biomedical engineering.

biomedical engineering specialty; the teaching application; virtual instrument technology

1674-1633(2012)04-0108-03

2011-10-30

作者郵箱：qinxin307@126.com

R3-4

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.04.038