CN104933923A - 一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，包括系统设置模块、医用电子仪器电路分析模块、医用电子仪器性能检测模块、虚拟测试仪器模块和通信接口，所述系统设置模块包括登录权限设置、账号登录、系统关闭等系统功能,通过所述系统设置模块可以登录特定医用电子仪器仿真实验系统；所述医用电子仪器电路分析模块和医用电子仪器性能检测模块可以调用虚拟测试仪器模块中的虚拟仪器并利用所述通信接口采集的实时数据进行运行。本发明创新性的将虚拟仪器技术应用在医疗器械类课程的实训教学环节中，有利于培养学生的创新思维和实践能力，极大的提高了教学效果。

Description

一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台

技术领域

本发明涉及实验教学、科学研究领域，特别是一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台。

背景技术

为了适应现代实验教学的需要,实现现代信息技术改造传统教育教学模式，提高实验的开放性和灵活性。实验实训在高职类专业课程的教学中占有十分重要的基础地位，是教学活动的必要环节，高职类课程的教学都是以实验实训为基础的。实验实训可以增强学生学习的兴趣，加深对理论知识的理解，培养实践动手技能、实验设计技能、在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力及创新探索能力和协作精神。实验条件也是反映一所学校办学水平和科研水平的重要标志之一，近年来各高校大规模持续扩招，学生人数大幅增加，实验室设备规模难以满足众多学生实验需求；基于传统仪器的硬件实验在实验保障、维护、实验组织、实训教学管理等方面存在着诸多实际困难，怎样合理的解决实验室建设与人才培养之间的突出矛盾，是高校自始至终都需要面临的大问题。因此，研发实验仪器，创新实验手段和方式，优化教学目标和模式的整合策略，不断革新专业课实训教学就显得尤其关键。

随着计算机的性价比和易用性的提高，使得虚拟实验室在教学、科普教育和技术研究领域应用成为可能。所谓虚拟实验室，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟仪器技术是信息技术领域中重点研究实践的高新技术，它是利用PC多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础，学生可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面拥有自己的实验室。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室智能化特征，通过网络学生可以身临其境地观察实验现象，并可以观察各实验仪器的详尽情况，不受时间和空间的限制。

虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)的概念，是美国国家仪器公司(NationalInstruments Corp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统；是一种由计算机操纵的模块化仪器系统，它不但可以完成传统仪器的功能，甚至可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench)的简称，是用虚拟仪器技术的图形化应用开发软件。它是一种基于G语言(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具，更准确的说，LabVIEW是一种编程语一言而不仅仅是一个软件开发环境。LabVIEW为本课题提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它，我们可以像搭积木一样轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写。LabVIEW的控件模板中不仅提供了仿真度较高的各种仪器面板、按钮、开关、指示灯、波形显示器等电路器件，还提供了易使用的绘图工具，教学辅助模板中又提供了各种波形信号发生器的仿真程序，在LabVIEW功能模板的布尔运算子模板中，包含着功能齐全的逻辑运算功能，因此可很容易地利用其制作医用电子仪器的功能仿真及电路测试等实验。

发明内容

本发明针对医用电子仪器实验室设备规模难以满足众多学生实验需求、实验设备容易损坏、实验耗材消耗大等问题，提供一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，本发明的技术方案为：

一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，包括系统设置模块、医用电子仪器电路分析模块、医用电子仪器性能检测模块、虚拟测试仪器模块和通信接口，所述系统设置模块包括登录权限设置、账号登录、系统关闭等系统功能,通过所述系统设置模块可以登录特定医用电子仪器仿真实验系统；所述医用电子仪器电路分析模块和医用电子仪器性能检测模块可以调用虚拟测试仪器模块中的虚拟仪器并利用所述通信接口采集的实时数据进行运行。

更进一步地，所述虚拟测试仪器模块包括虚拟示波器、虚拟生理信号发生器、虚拟信号发生器和虚拟万用表等虚拟常用仪器。

更进一步地，所述通信接口包括计算机PCI并行总线接口、USB串行接口和RS232串行接口。

更进一步地，所述医用电子仪器电路分析模块包括一个以上对应于所述特定医用电子仪器的电路分析单元。如心电图机可以设计常用的三要素法分析电路、放大电路分析和滤波电路分析等。有创血压监护仪则设计常用的漏电流测量电路分析、校零校增益电路分析、低通滤波电路分析等。

更进一步地，所述医用电子仪器性能检测模块包括一个以上对应于所述特定医用电子仪器的测试单元。如心电图机可以设计常用的ECG测试、心电图机1mV定标、心电图机走纸速度调节等。有创血压监护仪则设计常用的有创血压测试、传感器校零、频率响应测试、报警功能测试等。

在主系统程序中，主要是依靠运行时菜单设计来调用相应的菜单子程序，当主系统运行后,点击菜单栏中的菜单选项，控件就会将该子菜单载入到当前窗口中，这种方法的优势在于可以很方便的调用任意的功能子菜单，同时简化主界面的UI设计，使界面更简洁。仿真系统的数据源主要有两个，一个是通过通信接口实时采样数据到系统中使用；二是使用平台实验数据库标准数据进行演示和分析。如果采用外部数据源，需要将数据保存为.txt文本文件，在系统界面中通过添加文件路劲控件实现标准数据的加载。

作为本发明进一步说明，所述系统主菜单通过运行菜单设计调用所述系统功能子菜单的主控件是WHILE循环控件及嵌入其中的事件结构控件。在程序设计中，设置事件结构响应菜单时，在事件结构边框上按右键,弹出快捷菜单,选择“编辑本分支所处理的事件”，弹出事件编辑对话框。进行如下选择(1)事件源：<本菜单>；(2)事件“菜单选择(用户)”。然后在该事件结构的事件数据端口上按鼠标左键，选择“项标识符”。(3)在事件结构内放上条件结构，将“项标识符”与条件结构的选择端口相连。(4)将条件结构中的框图标识符内容改为菜单编辑器中菜单项标识符中的内容。再将系统设置模块、主菜单医用电子仪器电路分析模块、子菜单医用电子仪器性能检测模块、虚拟测试仪器模块依次添加到条件结构中，从而实现在主系统中的菜单栏对子程序的调用。

作为本发明进一步说明，还包括学生客户端，所述学生客户端安装运行引擎后打开客户端浏览器并按规定格式输入发布生产的URL，就可以查看和控制各功能子菜单前面板。为了使学生在校园网的任意终端进行远程浏览和操作仿真实验教学平台，自主、灵活地完成实验任务，真正实现实验教学的开放性和设备资源的共享性，基于LabVIEW的Web发布工具使设计的仿真实验教学平台在校园网范围内实现资源共享，学生在校园网范围内就可以通过打开指定的网址就可以实现远程访问和控制。只要主机上打开该菜单程序，客户端才可以通过远程方式查看和控制前面板。学生客户端在浏览实验教学平台网页时不需要安装烦琐的LabVIEW软件，只需要安装一个运行引擎Run-Time Engine即可。打开客户端的浏览器并按规定格式输入发布生产的URL，就能够看到各功能菜单中程序前面板的网页形式，并实现远程的访问和控制。

本发明的优点：

本发明利用LabVIEW软件设计医用电子仪器仿真实验教学平台的方法，创新性的将虚拟仪器技术应用在医疗器械类课程的实训教学环节中，通过仿真训练提高了学生医疗器械维修及检测分析的技能，使教师和学生摆脱了设备单一，固定的现成仪器的束缚，有利于培养学生的创新思维和实践能力。平台多样的数据采集方式也是实训教学的开展更加灵活和多样，可以更好地为教学服务，极大的提高了教学效果。同时平台的运行也降低了试验成本，有利于实验设备的维护和更新。未来可以在该平台的基础上继续拓展常见的医用电子仪器设备，丰富教学实验载体，为拓展虚拟仪器新的应用领域奠定基础。

附图说明

图1为本发明的实施例系统功能菜单框图；

图2为本发明的实施例运行时菜单程序框图；

图3为本发明的实施例三要素法分析电路分析程序效果图；

图4为本发明的实施例1mV定标功能后面板图；

图5为本发明的实施例放大电路后面板图；

图6为本发明的实施例放大电路效果图；

图7为本发明的实施例心电图机走纸功能后面板图；

图8为本发明的实施例远程浏览器预览效果图。

具体实施方式

实施例：

以心电图机产品为例，一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，包括系统设置模块、医用电子仪器电路分析模块、医用电子仪器性能检测模块、虚拟测试仪器模块、通信接口和学生客户端，所述系统设置模块包括登录权限设置、账号登录、系统关闭等系统功能,通过所述系统设置模块登录心电图机仿真实验系统；所述医用电子仪器电路分析模块和医用电子仪器性能检测模块可以调用虚拟测试仪器模块中的虚拟仪器并利用所述通信接口采集的实时数据进行运行；所述虚拟测试仪器模块包括虚拟示波器、虚拟生理信号发生器、虚拟信号发生器和虚拟万用表等虚拟常用仪器；所述通信接口包括计算机PCI并行总线接口、USB串行接口和RS232串行接口；所述医用电子仪器电路分析模块包括三要素法分析电路、放大电路分析和滤波电路分析；所述医用电子仪器性能检测模块包括ECG测试、心电图机1mV定标、心电图机走纸速度调节等常见功能；所述学生客户端安装运行引擎后打开客户端浏览器并按规定格式输入发布生产的URL，就可以查看和控制各功能子菜单前面板。

为了实现课程的实训需求，系统菜单模块主要功能包括系统的登录权限设置、账号登录、系统关闭等功能。电路故障分析模块包含了3个不同子菜单分别完成三要素法分析电路实验、放大电路测试实验、滤波电路实训等常见实验。功能检测模块包括心电图机扫描、1mV定标等操作。

本实验教学平台中的功能检测程序主要是虚拟仿真目前主流心电图机的操作功能界面，使学生在使用该平台的时候能直观的了解心电图机产品的使用方法以及操作流程等，有效的提高教学质量。

心电图机功能检测程序主要包括心电测试、1mV定标、25mm/s和50mm/s走纸速度调节等常见功能。在程序界面设计上使用了美观的布尔按钮作为1mV定标、开始和停止的图标，用文本下拉列表控件设计走纸速度的调节。

该心电图机仿真系统的心电数据源主要有两个，一个是通过NI公司的采集卡通过实时并行串口实时采样心电数据到系统中使用；二是使用平台实验数据库中麻省理工学院标准心电数据库中的数据进行演示和分析。如果采用外部心电数据源，需要将MIT数据库中的数据保存为.txt文本文件，在系统界面中通过添加文件路劲控件实现心电数据的加载。

在心电数据检测中，用WHILE循环和事件结构控件就可以实现功能的控制。先通过读取文本文件控件将数据文件中的数据读出为一组字符串，用电子表格字符串至数组转换控件将字符串数据格式化为拥有时间轴和幅度轴数据的二维数组，再用索引数组控件将生成的二维数组中的幅度数据逐点检索出来发送到波形图控件，通过波形图控件对数据点进行逐个扫描，从而模拟出心电测试过程中的走纸效果。

MIT心电数据库中的心电数据可以对数据的时间长度进行选择，一般有10s、1min、1hour等数据长度选择，本系统统一采用的是时间长度为10s的数据源，通过数据循环显示达到长时间测试的需要。因此，在设计走纸速度调节的功能时，利用等待(ms)控件就可以实现。以25mm/s走纸速度记录为例，心电图坐标纸是由1mm宽和1mm高的小格组成。横坐标表示时间，纵坐标表示电压。1数据点＝1mm＝0.04秒，及需要用25数据点/s的走纸速度在10s内扫描完所有数据点。首先用用电子表格字符串至数组转换控件将字符串数据格式化为拥有时间轴和幅度轴数据的二维数组，再使用索引数组控件索引出数据轴的一位数组，利用数组大小控件及可得到数据点个数。根据数据点个数即可根据以下公式计算出等待控件的ms值。

f(t)＝n/t；

其中f(t)为扫描1个数据点需要的时间，及等待的ms值；

n为数据点个数；

t为时间值，如过走纸速度为25mm/s该值为10s，50mm/s该值为5s。

将计算出的值连接到等待控件的输入端从而模拟出精确的走纸速度。

使用相同的设计方法，也可以实现1mV定标的功能操作，只需要将发送到波形图控件的数据变为为0，当点击1mV定标布尔控件时，触发事件结构控件，使发送到波形图控件的数据变为1并循环发送50次继而模拟出1mV定标方波的产生。

在电路故障分析菜单中提供了3个子菜单分别是三要素法分析电路实验、放大电路测试实验、滤波电路实验。

由于三要素法分析电路实验菜单程序已有现成公式计算，所以利用公式节点控件输入运算公式，并确定公式节点的输入和输出，从而实现电路中电阻、电容、电流和电压之间的关系，并通过绘制电流的指数型衰减(增长)曲线快速直观的呈现出三要素法在实际电路中的应用，提高了学生的学生兴趣也丰富了实训教学手段。

心电图机后级放大电路分析程序实现的是对输入心电波形的放大作用，利用同相输入放大器，通过调整电路中的反馈电阻R3，并用R2分压后反馈给放大器实现放大倍数的调节。该程序利用波形比例和偏移控件实现心电波形的放大和偏移的功能。由于该控件是基于波形数据进行运算的，因此需要将心电数据源文件中的字符串数据转换为波形数据，利用创建波形控件可以实现数据的转换

心电图机后级放大电路分析实验步骤及内容：

1、点击主界面菜单调用心电图机后级放大电路分析程序，选择需要用于测试分析的心电数据源数据，设置好反馈电阻及分压电阻的阻值。

2、点击“开始分析”按钮控件，运行分析仿真电路，根据学生计算的结果与实验分析的实际结果进行比对，并可随时调整阻值大小观察心电信号的放大效果，填写实验记录。

为了使学生在校园网的任意终端进行远程浏览和操作仿真实验教学平台，自主、灵活地完成实验任务，真正实现实验教学的开放性和设备资源的共享性，基于LabVIEW的Web发布工具使设计的仿真实验教学平台在校园网范围内实现资源共享，学生在校园网范围内就可以通过打开指定的网址就可以实现远程访问和控制。

需要注意将要被发布的程序必须在主机的内存中，换句话说就是只有主机上打开该菜单程序，客户端才可以通过远程方式查看和控制前面板。

学生客户端在浏览实验教学平台网页时不需要安装烦琐的LabVIEW软件，只需要安装一个运行引擎Run-Time Engine即可。打开客户端的浏览器并按规定格式输入发布生产的URL，就能够看到各功能菜单中程序前面板的网页形式，并实现远程的访问和控制。

Claims (8)

1.一种基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：包括系统设置模块、医用电子仪器电路分析模块、医用电子仪器性能检测模块、虚拟测试仪器模块和通信接口，所述系统设置模块包括登录权限设置、账号登录、系统关闭等系统功能,通过所述系统设置模块可以登录特定医用电子仪器仿真实验系统；所述医用电子仪器电路分析模块和医用电子仪器性能检测模块可以调用虚拟测试仪器模块中的虚拟仪器并利用所述通信接口采集的实时数据进行运行。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：所述虚拟测试仪器模块包括虚拟示波器、虚拟生理信号发生器、虚拟信号发生器和虚拟万用表等虚拟常用仪器。

3.根据权利要求1或2所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：所述通信接口包括计算机PCI并行总线接口、USB串行接口和RS232串行接口。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：所述医用电子仪器电路分析模块包括一个以上对应于所述特定医用电子仪器的电路分析单元。

5.根据权利要求3所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：所述医用电子仪器性能检测模块包括一个以上对应于所述特定医用电子仪器的测试单元。

6.根据权利要求3所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：在主系统程序中，采用运行菜单设计来调用相应的菜单子程序，当主系统运行后,点击菜单栏中的菜单选项，控件就会将该子菜单载入到当前窗口中。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：所述控件是WHILE循环控件及嵌入其中的事件结构控件。

8.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的医用电子仪器仿真实验教学平台，其特征在于：还包括学生客户端，所述学生客户端安装运行引擎后打开客户端浏览器并按规定格式输入发布生产的URL，可以查看和控制各功能子菜单前面板。