虚拟仪器技术在生物医学工程专业教学中的应用

秦鑫，高凤梅，龙云玲

新乡医学院 生命科学技术系，河南新乡 453003

虚拟仪器技术在生物医学工程专业教学中的应用

秦鑫，高凤梅，龙云玲

新乡医学院 生命科学技术系，河南新乡 453003

生物医学工程专业是目前国际上发展极为迅速的交叉学科和边缘学科，根据该专业本科教育的特点及课程设置，针对目前课程教学存在的不足，引入虚拟仪器技术，并以医疗仪器原理和数字信号处理两门课程为例描述了其在教学中的应用；对虚拟仪器在生物医学工程专业领域的发展做了前景展望。

生物医学工程专业；教学应用；虚拟仪器技术

生物医学工程（Biomedical Engineering，BME）是一门由理、工、医相结合的交叉学科，是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，解决生物医学上的检测、诊断、治疗、管理等问题，以及进一步探索生命系统的各种运动形式及规律性的一门综合性、高技术的边缘学科。目前全国开设生物医学工程专业的高校不在少数，关于这个学科的课程体系设置和教学模式在理工科院校和医学院校却不尽相同。

1 生物医学工程专业课程设置及教学现状

我校自2003年开办生物医学工程专业以来，根据医科院校特点，以为医疗和医学研究服务为目的，培养能将医学与工程技术相结合，从事医学影像、医疗电子仪器和计算机技术的研发、操作和管理工作，并且能够开展生物医学工程学科研究的人才[1]。该专业主要学习生命科学、电子技术、计算机技术及信息图像传输、处理等有关的基础理论知识以及医学与工程技术相结合的科学知识，设置的主干课程有：“电路原理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“微机原理”“生物医学传感器”“医疗仪器原理”“信号与系统”“数字信号处理”“生物医学信号检测与处理”“单片机原理与接口技术”等。另外凭借医学院校的优势还开设了一些医学方面的基础课，生理学、人体解剖等。

为了提高教学质量，更好的达到教学效果，所开设的这些课程基本上都需要做实验演示，以增强形象性效果和形象性验证。实验教学在大学教育中是必要手段。几乎每门课的实验教学都需要用到各种各样的电子仪器，主要包括示波器、信号发生器等。在传统教学中基本上都是使用相对独立、功能固定的电子仪器，不能够随意更改它们的结构和功能。对于需要电子计算机之类的课程而言，一般都得配备几十套教学仪器来供教学使用，这些仪器设备还需要不断更新维护，教学成本比较高。另外，在医学院校对于和医学相关的专业课程很多实验实际操作比较困难，效果不理想。中国的医学教育资源本身很紧张，另外医院的设备多是大型设备，体积庞大，价格昂贵，操作使用复杂，临床使用要求高，一般院校很难满足大型医疗设备的教学使用需要。因此，在医学院校的教学中就出现很多问题，比如医学实验教学中的人体生理参数采集等演示效果不好，所以，传统的医疗仪器教学只能偏重于理论讲解，不够生动，即使有个别实验模具，其教学效果也不理想。在当前学校经费较少的情况下，如果大量增加常规仪器、仪表的配置，学校财力难以支付。这样容易造成实验教学效果不理想，对提高学生学习兴趣，培养创新及实践能力都有一定影响。随着现代测试功能和计算机技术的密切结合，出现的虚拟仪器技术可以帮助我们克服一些硬件上不能解决的难题，弥补传统仪器教学的不足。

2 虚拟仪器在课程中的应用

2.1 虚拟仪器简介

虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是一种新兴的仪器，一种功能意义上的仪器，在以通用计算机为主的硬件基础上，由用户自己设计定义虚拟的操作面板，测试功能由软件来实现的一种计算机仪器系统[2]。其实质是以计算机为核心的仪器系统与电脑软件技术的密切结合，将仪器装入计算机。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件融合，通过软件编程来实现传统仪器中的由硬件电路完成的功能，利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制端，利用计算机强大的软件功能来管理仪器系统，完成对信号数据的运算、分析处理等，可以多种形式输出结果，少量的硬件模块则为虚拟仪器的正常运行提供信号I/O接口设备来完成不同要求的测试。

虚拟仪器具有传统仪器没有的性能高、扩展性强、开发时间短、开发成本低等优点，具有很强的灵活开放性。不同领域的科学家和工程师都借助虚拟仪器来解决工作与课题中的实际问题。所以，虚拟仪器自诞生以来就在测量、航空航天、自动化、远程教学和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用[3]。

LabVIEW是美国NI（National Instrument）公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具，将功能强大的图形化设计平台LabVIEW与相关硬件结合应用于教学上，能够使传统理论教学与实际有效结合，帮助学生完成从理论到实践的学习。LabVIEW软件平台结合数据采集卡等相关硬件可以开发出示波器、信号发生器等常用的电子仪器，不仅可以代替传统仪器且摆脱了传统电子仪器功能单一、更换维护麻烦等缺点[4]。将基于LabVIEW的虚拟仪器应用在教学中极大提高了教学效率，已经逐渐成为一种新的手段。

2.2 在医疗仪器教学中应用

“医学仪器原理”是生物医学工程专业的一门专业必修课。该课程涉及了医学和电子学、计算机、信号处理、传感器技术等方面的知识，是一门实践性很强的科目。作为生物医学工程专业的学生，要掌握常见的医疗仪器的基本结构、工作原理，而且还要具有一定的创新思想和科研水平，有开发和设计高水平的医疗电子仪器的素质[5]。因此做好实验教学是学生提高学生实验水平和综合能力的关键。医学仪器原理实验主要将人体生理信号的检测及处理分析作为教学内容，包括了人体血压信号、心电、体温、呼吸、脉搏等生理参数的测量。

生物医学信号由传感器转变成电信号，因为人体生理信号比较微弱要先经过信号的放大、滤波等预处理，再进入数据采集卡。信号通过数据采集卡采集到计算机上以后，利用LabVIEW的图像化语言进行编程，实现对数据的各种分析，包括数值分析、频谱分析等，再通过仪器软面板把结果显示在电脑上。我们以人体呼吸测量为例，这种设备一般只在医院常见，用于教学中的仪器基本上没有。因此讲过理论原理后，学生不能够真正透彻的明白，无法满足教学上的需要。我们利用少量硬件设计结合LabVIEW软件编程构建了一个人体呼吸测量系统，采用阻抗式呼吸测量原理，硬件电路主要涉及放大和滤波环节，限于篇幅就不详细说明了。图1为基于LabVIEW平台搭建的呼吸测量面板图，针对学生教学取得了很好的效果，同学们一致反映对呼吸测量的原理有了更透彻的认识，并且能学习新的软件技术，扩展知识面。

图1 呼吸测量系统前面板

在LabVIEW环境下进行实验教学只需要根据实际情况，比如是呼吸测量还是心电测量等，通过软件编程及很少的硬件连接便可完成实验任务，即节省了实验成本，又利于实验设备更新，让教师和学生脱离了传统教学仪器功能单一的框框，更重要的是可以充分提高学生积极性和发挥创造性，像搭积木一样，根据不同的测试需要，在计算机上构建一个基于虚拟仪器技术的测试测量装备，这样做还能够充分的节省高校技术资源[6]。

2.3 在信号处理类课程教学中应用

生物医学工程专业设置的信号处理类课程主要有：“数字信号处理”“信号与系统”“生物医学信号检测与处理”等。这些课程中往往涉及大量抽象的概念、公式，老师上课的时候也只是讲解推导公式或证明算法，学生没有直观印象，无法把函数公式与实际波形相联系，理解起来非常困难，从而很大程度的影响了教学效果。

我们以“数字信号处理”课程为例作一简单介绍。“数字信号处理”是一门理论性很强的，以算法为核心的科目。为了使学生深入理解教材上提到的理论算法，需要通过仿真实验来验证那些理论。LabVIEW软件平台的特点之一就是具有丰富的运算且灵活高效的信号处理功能，LabVIEW图形化信号处理平台由多个信号处理与数学函数库组成，包含小波变换、滤波器设计、时频分析、图像处理等工具包，将信号处理的各种功能转化为VI函数，给使用者提供了方便、简单的编程途径，从函数库调用这些现成的VI函数就可以迅速完成信号处理。学生能一目了然地看到程序的运行情况，也可以比较不同的参数对结果的影响。在数字信号处理教学中滤波器是重点知识，也是教学难点。在以往的教学中发现学生普遍对于滤波器的作用弄不明白，另外根据学习的理论知识怎样设计出有实际应用价值的数字滤波器也不清楚。在讲授滤波器时，在LabVIEW中信号处理函数面板中的滤波基本函数栏进行选择，在虚拟仪器前面板上放置多个图形显示控件，完成对滤波器的设计，还可以同时显示多个滤波器的滤波结果，这种学习方式简单明了，学生很容易理解抽象的概念从而掌握所学知识。另外LabVIEW图形化的编程语言有助于学生在比较短的时间内开发出相对复杂的数字信号处理程序，增加了同学们的自信，提高了其学习积极性。

虚拟仪器技术强大的功能可以使其对学生开展形象、直观的教学方式，灵活的应用于教学中，不仅可以帮助学生深刻领会抽象的理论知识，扎实掌握所学知识，同时还可以提高他们的学习兴趣，达到最佳教学效果。

3 小结

虚拟仪器的出现是测试领域的一次革命，是仪器领域一个新的风向标，它使现代测试测量系统功能越来越强大，且更加的灵活高效、经济，高等教育领域也正在汲取着这种优势，壮大着它的发展。实践证明在生物医学工程专业的教学中引入虚拟仪器技术，不仅能够使教学内容和时代发展、科学技术紧密结合，而且可以有效促进师生的教学互动，给学生极大地参与感，对培养学生的创新意识和动手综合能力都有帮助。随着生物医学和电子信息技术、虚拟技术的不断发展，生物医学工程专业的教学改革与研究任重而道远，如何使高校培养出具有创新能力的高素质人才需要我们不断努力探索。

[1] 吴凯,吴效明.医学电子仪器课程改革研究与人才培养的探索[J].中国医学物理学杂志,2007,24(6):461-463.

[2] 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2008.

[3] 严浩.基于LabVIEW网络虚拟仪器在实验教学中的应用研究[D].武汉:华中科技大学,2007.

[4] 牛群峰,王威,吴才章.虚拟仪器在测控技术与仪器专业教学中的应用探讨[J].中国电力教育,2010,(34):136-138.

[5] 陶玲,王惠南.“生物医学仪器”课程改革的实践[J].电气电子教学学报,2007,29(1):11-15.

[6] 赵莉,徐春妹.LabVIEW在实验教学中应用[J].中国现代教育装备,2007,(5):91-92.

[7] 步金梅,范林华,肖毅.计算机仿真技术在临床教学中的应用研究[J].中国医疗设备,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

作者邮箱：qinxin307@126.com

R3-4

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.04.038