虛擬儀器技術在生物醫學工程專業教學中的應用

秦鑫，高鳳梅，龍云玲

新鄉醫學院 生命科學技術系，河南新鄉 453003

虛擬儀器技術在生物醫學工程專業教學中的應用

秦鑫，高鳳梅，龍云玲

新鄉醫學院 生命科學技術系，河南新鄉 453003

生物醫學工程專業是目前國際上發展極為迅速的交叉學科和邊緣學科，根據該專業本科教育的特點及課程設置，針對目前課程教學存在的不足，引入虛擬儀器技術，并以醫療儀器原理和數字信號處理兩門課程為例描述了其在教學中的應用；對虛擬儀器在生物醫學工程專業領域的發展做了前景展望。

生物醫學工程專業；教學應用；虛擬儀器技術

生物醫學工程（Biomedical Engineering，BME）是一門由理、工、醫相結合的交叉學科，是多種工程學科向生物醫學滲透的產物。它是運用現代自然科學和工程技術的原理和方法，從工程學的角度，在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系，解決生物醫學上的檢測、診斷、治療、管理等問題，以及進一步探索生命系統的各種運動形式及規律性的一門綜合性、高技術的邊緣學科。目前全國開設生物醫學工程專業的高校不在少數，關于這個學科的課程體系設置和教學模式在理工科院校和醫學院校卻不盡相同。

1 生物醫學工程專業課程設置及教學現狀

我校自2003年開辦生物醫學工程專業以來，根據醫科院校特點，以為醫療和醫學研究服務為目的，培養能將醫學與工程技術相結合，從事醫學影像、醫療電子儀器和計算機技術的研發、操作和管理工作，并且能夠開展生物醫學工程學科研究的人才[1]。該專業主要學習生命科學、電子技術、計算機技術及信息圖像傳輸、處理等有關的基礎理論知識以及醫學與工程技術相結合的科學知識，設置的主干課程有：“電路原理”“模擬電子技術”“數字電子技術”“微機原理”“生物醫學傳感器”“醫療儀器原理”“信號與系統”“數字信號處理”“生物醫學信號檢測與處理”“單片機原理與接口技術”等。另外憑借醫學院校的優勢還開設了一些醫學方面的基礎課，生理學、人體解剖等。

為了提高教學質量，更好的達到教學效果，所開設的這些課程基本上都需要做實驗演示，以增強形象性效果和形象性驗證。實驗教學在大學教育中是必要手段。幾乎每門課的實驗教學都需要用到各種各樣的電子儀器，主要包括示波器、信號發生器等。在傳統教學中基本上都是使用相對獨立、功能固定的電子儀器，不能夠隨意更改它們的結構和功能。對于需要電子計算機之類的課程而言，一般都得配備幾十套教學儀器來供教學使用，這些儀器設備還需要不斷更新維護，教學成本比較高。另外，在醫學院校對于和醫學相關的專業課程很多實驗實際操作比較困難，效果不理想。中國的醫學教育資源本身很緊張，另外醫院的設備多是大型設備，體積龐大，價格昂貴，操作使用復雜，臨床使用要求高，一般院校很難滿足大型醫療設備的教學使用需要。因此，在醫學院校的教學中就出現很多問題，比如醫學實驗教學中的人體生理參數采集等演示效果不好，所以，傳統的醫療儀器教學只能偏重于理論講解，不夠生動，即使有個別實驗模具，其教學效果也不理想。在當前學校經費較少的情況下，如果大量增加常規儀器、儀表的配置，學校財力難以支付。這樣容易造成實驗教學效果不理想，對提高學生學習興趣，培養創新及實踐能力都有一定影響。隨著現代測試功能和計算機技術的密切結合，出現的虛擬儀器技術可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題，彌補傳統儀器教學的不足。

2 虛擬儀器在課程中的應用

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，在以通用計算機為主的硬件基礎上，由用戶自己設計定義虛擬的操作面板，測試功能由軟件來實現的一種計算機儀器系統[2]。其實質是以計算機為核心的儀器系統與電腦軟件技術的密切結合，將儀器裝入計算機。通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件融合，通過軟件編程來實現傳統儀器中的由硬件電路完成的功能，利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制端，利用計算機強大的軟件功能來管理儀器系統，完成對信號數據的運算、分析處理等，可以多種形式輸出結果，少量的硬件模塊則為虛擬儀器的正常運行提供信號I/O接口設備來完成不同要求的測試。

虛擬儀器具有傳統儀器沒有的性能高、擴展性強、開發時間短、開發成本低等優點，具有很強的靈活開放性。不同領域的科學家和工程師都借助虛擬儀器來解決工作與課題中的實際問題。所以，虛擬儀器自誕生以來就在測量、航空航天、自動化、遠程教學和生物醫學等世界范圍的眾多領域內得到了廣泛應用[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工具，將功能強大的圖形化設計平臺LabVIEW與相關硬件結合應用于教學上，能夠使傳統理論教學與實際有效結合，幫助學生完成從理論到實踐的學習。LabVIEW軟件平臺結合數據采集卡等相關硬件可以開發出示波器、信號發生器等常用的電子儀器，不僅可以代替傳統儀器且擺脫了傳統電子儀器功能單一、更換維護麻煩等缺點[4]。將基于LabVIEW的虛擬儀器應用在教學中極大提高了教學效率，已經逐漸成為一種新的手段。

2.2 在醫療儀器教學中應用

“醫學儀器原理”是生物醫學工程專業的一門專業必修課。該課程涉及了醫學和電子學、計算機、信號處理、傳感器技術等方面的知識，是一門實踐性很強的科目。作為生物醫學工程專業的學生，要掌握常見的醫療儀器的基本結構、工作原理，而且還要具有一定的創新思想和科研水平，有開發和設計高水平的醫療電子儀器的素質[5]。因此做好實驗教學是學生提高學生實驗水平和綜合能力的關鍵。醫學儀器原理實驗主要將人體生理信號的檢測及處理分析作為教學內容，包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數的測量。

生物醫學信號由傳感器轉變成電信號，因為人體生理信號比較微弱要先經過信號的放大、濾波等預處理，再進入數據采集卡。信號通過數據采集卡采集到計算機上以后，利用LabVIEW的圖像化語言進行編程，實現對數據的各種分析，包括數值分析、頻譜分析等，再通過儀器軟面板把結果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例，這種設備一般只在醫院常見，用于教學中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后，學生不能夠真正透徹的明白，無法滿足教學上的需要。我們利用少量硬件設計結合LabVIEW軟件編程構建了一個人體呼吸測量系統，采用阻抗式呼吸測量原理，硬件電路主要涉及放大和濾波環節，限于篇幅就不詳細說明了。圖1為基于LabVIEW平臺搭建的呼吸測量面板圖，針對學生教學取得了很好的效果，同學們一致反映對呼吸測量的原理有了更透徹的認識，并且能學習新的軟件技術，擴展知識面。

圖1 呼吸測量系統前面板

在LabVIEW環境下進行實驗教學只需要根據實際情況，比如是呼吸測量還是心電測量等，通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實驗任務，即節省了實驗成本，又利于實驗設備更新，讓教師和學生脫離了傳統教學儀器功能單一的框框，更重要的是可以充分提高學生積極性和發揮創造性，像搭積木一樣，根據不同的測試需要，在計算機上構建一個基于虛擬儀器技術的測試測量裝備，這樣做還能夠充分的節省高校技術資源[6]。

2.3 在信號處理類課程教學中應用

生物醫學工程專業設置的信號處理類課程主要有：“數字信號處理”“信號與系統”“生物醫學信號檢測與處理”等。這些課程中往往涉及大量抽象的概念、公式，老師上課的時候也只是講解推導公式或證明算法，學生沒有直觀印象，無法把函數公式與實際波形相聯系，理解起來非常困難，從而很大程度的影響了教學效果。

我們以“數字信號處理”課程為例作一簡單介紹。“數字信號處理”是一門理論性很強的，以算法為核心的科目。為了使學生深入理解教材上提到的理論算法，需要通過仿真實驗來驗證那些理論。LabVIEW軟件平臺的特點之一就是具有豐富的運算且靈活高效的信號處理功能，LabVIEW圖形化信號處理平臺由多個信號處理與數學函數庫組成，包含小波變換、濾波器設計、時頻分析、圖像處理等工具包，將信號處理的各種功能轉化為VI函數，給使用者提供了方便、簡單的編程途徑，從函數庫調用這些現成的VI函數就可以迅速完成信號處理。學生能一目了然地看到程序的運行情況，也可以比較不同的參數對結果的影響。在數字信號處理教學中濾波器是重點知識，也是教學難點。在以往的教學中發現學生普遍對于濾波器的作用弄不明白，另外根據學習的理論知識怎樣設計出有實際應用價值的數字濾波器也不清楚。在講授濾波器時，在LabVIEW中信號處理函數面板中的濾波基本函數欄進行選擇，在虛擬儀器前面板上放置多個圖形顯示控件，完成對濾波器的設計，還可以同時顯示多個濾波器的濾波結果，這種學習方式簡單明了，學生很容易理解抽象的概念從而掌握所學知識。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學生在比較短的時間內開發出相對復雜的數字信號處理程序，增加了同學們的自信，提高了其學習積極性。

虛擬儀器技術強大的功能可以使其對學生開展形象、直觀的教學方式，靈活的應用于教學中，不僅可以幫助學生深刻領會抽象的理論知識，扎實掌握所學知識，同時還可以提高他們的學習興趣，達到最佳教學效果。

3 小結

虛擬儀器的出現是測試領域的一次革命，是儀器領域一個新的風向標，它使現代測試測量系統功能越來越強大，且更加的靈活高效、經濟，高等教育領域也正在汲取著這種優勢，壯大著它的發展。實踐證明在生物醫學工程專業的教學中引入虛擬儀器技術，不僅能夠使教學內容和時代發展、科學技術緊密結合，而且可以有效促進師生的教學互動，給學生極大地參與感，對培養學生的創新意識和動手綜合能力都有幫助。隨著生物醫學和電子信息技術、虛擬技術的不斷發展，生物醫學工程專業的教學改革與研究任重而道遠，如何使高校培養出具有創新能力的高素質人才需要我們不斷努力探索。

[1] 吳凱,吳效明.醫學電子儀器課程改革研究與人才培養的探索[J].中國醫學物理學雜志,2007,24(6):461-463.

[2] 張重雄.虛擬儀器技術分析與設計[M].北京:電子工業出版社,2008.

[3] 嚴浩.基于LabVIEW網絡虛擬儀器在實驗教學中的應用研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

[4] 牛群峰,王威,吳才章.虛擬儀器在測控技術與儀器專業教學中的應用探討[J].中國電力教育,2010,(34):136-138.

[5] 陶玲,王惠南.“生物醫學儀器”課程改革的實踐[J].電氣電子教學學報,2007,29(1):11-15.

[6] 趙莉,徐春妹.LabVIEW在實驗教學中應用[J].中國現代教育裝備,2007,(5):91-92.

[7] 步金梅,范林華,肖毅.計算機仿真技術在臨床教學中的應用研究[J].中國醫療設備,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