概述

　　全球醫(yī)療電子市場規(guī)模龐大并且近年來急速增長。醫(yī)療電子器械涵蓋極其復雜的醫(yī)療影像系統(tǒng)（如MRI：磁共振成像設備）到簡易的家用電子血壓計,。

　　從事醫(yī)療電子器械生產(chǎn)的廠商當然希望醫(yī)療設備測量精度越高越好,，但是現(xiàn)實情況是精確測量人體的各項指標本身就極富挑戰(zhàn),。

　　在實驗條件下進行電子器件測試時，工程師往往會對器件輸入已知的測試信號,，測試信號本身是模擬的真實信號,，然后觀察被測器件的響應輸出。這種方法同樣適用于測試醫(yī)療電子器件或設備,，但是,，當醫(yī)療電子設備應用于實際測試場合時，需要從人體本身獲取信號,，問題就變得復雜了,。問題在于：1、沒有嚴格重復（周期性）的信號源,，例如,，每一次心臟脈沖和每一次神經(jīng)元電脈沖都與前一次有少許不同，沒辦法完全重復,。2,、通常情況下，人體信號的SNR（信噪比）沒有其他類型的電信號那么理想,。然而,，在醫(yī)療設備中，測量的精確性又是至關重要的。以測試測量的觀點來看,，在噪聲水平較大時,，測試儀器最好能夠十分精確得抓取和測量 “單次”信號（而非多次信號的平均值，因為信號并非重復的）,。

　　生成測試信號

　　在醫(yī)療儀器產(chǎn)品真正應用于臨床之前,，在它的研發(fā)階段都會經(jīng)過一系列的測試，甚至在產(chǎn)品的設計階段,，就需要模擬一些信號對儀器進行測試，這些信號都是儀器最終將要捕獲的模擬的人體信號,，以保證醫(yī)療儀器在交付最終用戶之前能夠工作正常,。圖1中上面的一條波形顯示了一種測試信號。該信號是由數(shù)字示波器（DSO）采集的,，信號中包含一些列的脈沖,，每一個較大幅值的脈沖之前和之后都有一個小幅值的脈沖，整個波形重現(xiàn)了一段心電圖（EKG）檢測儀的輸出波形,。其中較大的脈沖稱為“R波”,，R波之前的較小的脈沖稱為“P波”，整個脈沖的序列是加載于緩慢變化的調(diào)制信號之上的,。這段信號是由示波器采集之后,，再由 Teledyne LeCroy提供的ArbStudio任意波形發(fā)生器輸出的，在ArbStudio上幾乎可以生成任何任意波形或標準函數(shù)波形（正弦,、三角,、斜坡等）。

　　圖 1： 上面一條曲線是ArbStudio任意波形發(fā)生器生成的一段由8bit示波器采集的波形,，下面一段是對上面波形的放大

　　在ArbStudio上,，波形可以選擇單次，多次,，或者循環(huán)連續(xù)輸出,。用戶也可以對真實的波形進行編輯和修改：例如，增加或刪減噪聲信號,、增加毛刺信號等等,。ArbStudio非常適合于應用在復雜波形的生成，或是需要模擬真實采集的波形（回放采集波形）的場合,。Teledyne LeCroy提供了兩種任意波形發(fā)生器-ArbStudio適用于需要長存儲,、復雜波形的應用場合；WaveStation適用于較短存儲,，生成簡單函數(shù)波形的應用場合,。

　　進行測量工作

　　如果假設上文中的心電圖信號小的“脈沖”（P波）是我們感興趣需要測量的部分，圖1中下部的曲線是P波進行放大之后的波形，也就是上部波形高亮顯示的部分,。如果是想要測量信號中噪聲對于該突起的水平,，那么這個信號很典型。并且,，示波器提供了測量峰-峰值和噪聲RMS值的參數(shù),。但是，如果想要測量的部分是信號的基值本身,，或是信號的基線已經(jīng)被淹沒在噪聲之中了,，我們又該如何測量？由于信號本身是非周期的,，所以使用平均濾波的方法肯定不行了,。另一種減低噪聲的方法是使用濾波器。在該例中,，噪聲信號的頻率遠高于我們感興趣的信號部分的頻率,，所以可以應用低通濾波器。很多數(shù)字示波器都自帶有低通濾波器,。 Teledyne LeCroy提供了數(shù)字濾波器工具包（Digital Filter Package-DFP）,，用戶可以選擇使用低通、高通,、帶通,、帶阻等不同類型的濾波器，可以自定義截止頻率,。另外,，用戶可以使用力科示波器本身自帶的數(shù)學算法，它本身也是一種有限沖擊響應數(shù)字濾波器,，成為ERES（Enhanced Resolution）,，可以幫助我們?nèi)コ盘栔械母哳l成分。其他廠商的示波器也提供了一種內(nèi)置的濾波器,，通常成為Hi-Res模式,，但是在該模式下用戶無法控制濾波器的參數(shù)。圖2中的信號與圖1中完全一樣,，但是使用了Hi-Res模式,，噪聲水平大大降低。但是,，波形的大致形狀也有很大改變,。所以，這種 “簡單粗暴”的濾除噪聲的方式并不適用于該信號,。

　　圖 2： 圖中的信號與圖1一樣是使用8bit示波器采集的信號,，但是采用了Hi-Res模式，降低了信號的噪聲水平，但是也給信號帶來了很大的失真

　　圖3中的信號是使用更高分辨率的示波器采集的,，HDO（High Definition Oscilloscope）,。HDO使用了更低噪聲的前端放大器，降低了示波器本身引入信號的噪聲,，而且使用了12bit分辨率的ADC量化信號,。

　　圖 3： 相同的信號使用HDO示波器進行采集，放大波形后的噪聲水平明顯低于8bit示波器

　　與傳統(tǒng)的8bit分辨率示波器相比,，盡管圖3中的波形看起來還是帶有噪聲,，但是噪聲水平已經(jīng)遠遠低于圖1中的信號，圖3中的信號已經(jīng)非常接近于原始信號的形狀,。而在圖1中我們看到的噪聲大部分是由于使用低分辨率示波器帶來的,。在圖4中我們對于采集的信號進一步使用濾波器降低噪聲，使用戶可以看到信號本身的 “基線”,，之后我們可以發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的現(xiàn)象是，在P波形結束的地方有一個明顯的下沖,，而這個下沖對于臨床的醫(yī)學診斷非常有意義,。

　　圖 4： 使用高分辨率的HDO示波器可以使我們看到信號本身的“基線”

　　總結

　　測試醫(yī)療電子設備往往需要采集和測量單次捕獲的信號，而這些信號一般都包含大量的噪聲,，當我們?nèi)ズ饬窟@些設備的指標時,，我們需要確切的知道信號本身的噪聲水平，而不是在采集過程中加入的噪聲,?；诖耍琓eledyne LeCroy提供了12bit高分辨率示波器HDO,，非常適合于這類應用,。而且任意波形發(fā)生器ArbStudio也非常適用于模擬真實的人體信號，工程師甚至可以通過HDO采集真實的人體信號之后,，再使用ArbStudio將這些信號回放出來,。