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1、基于实时采集医电信号的医疗电子系统的设计摘 要： 论介绍了创新的图形化医疗电子设计平台NI ELVIS，并分析了其优势。该设计平台可帮助设计人员完成医电信号的采集、前置调理电路的设计、高级信号处理算法的开发与分析、软硬件集成测试以及原型化系统实现等全部生物医电系统开发。“在医疗电子领域，中国越来越世界化，世界越来越中国化的趋势十分明显，中国的医疗电子厂商要把握好当前的机遇，在技术与市场两个方面取得突破。”在日前由创意时代主办的第三届中国国际医疗电子技术大会（CMET2010）上，来自医疗电子分析机构、整机、IC及元器件、工业设计、制造工业等多方面的专家齐聚一堂，共同为中国医疗电子产业的发展献言
2、进策。医疗电子系统开发所面临的困难如何将创新的思想转化为研究成果或专利？如何快速地设计出满足市场需求的产品？如何在有限的时间内完成产品的测试，缩短上市时间，这些问题都成为医疗电子行业工程师所面临的巨大挑战。而且，挑战不仅仅来自市场的需求，更主要的是，医疗电子系统的开发涉及众多学科与研究领域，例如测试测量、电子电路、计算编程、信号处理、光学或图像处理、机械电子等，其独特的跨领域特性意味着工程师在开发过程中需跨越多个开发平台，从而完成项目设计中的不同阶段，并且在各部分完成独立开发之后，再做一定的整合与集成。而各个开发阶段有不同的任务与需求。复杂的医学电子系统开发过程不仅对工程师提出了要求，更对集成
3、的设计平台提出了挑战。由于各个开发阶段需要不同的设计平台，硬件与软件开发的集成也成为医电系统设计的瓶颈，所以医电系统的设计平台需要兼顾这两部分的结合，并保证有足够的灵活性、兼容性以及强大的算法开发能力。除此之外，由于目前医电系统的复杂性日益增加，临床应用中对精度或鲁棒性的要求也不断提高。因此，在前期的系统设计阶段就需要引入一定的真实医电信号作为测试输入；同时，为了满足24 h的重症监护等特殊应用需求，设计阶段还需要考虑到实时性等硬件控制的相关要求。所以，设计平台也需要能够满足但不能局限于信号的仿真，更需要引入真实的医电信号完成实时信号的采集、分析与处理。由上述可见，医疗电子的设计过程中所需要考
4、虑的技术问题牵涉广泛，对设计工程师来说难度和要求也更高。如何帮助医电设计工程师快速上手，更高效地实现生物医电系统的设计与开发，需要一个能够满足各方面需要的集成化商用开发平台。在此应用背景下，NI推出图形化设计平台帮助设计者实现医疗电子的设计与研究工作。图形化医疗电子设计平台做为图形化系统设计的领导者，自1986年诞生以来，NI以及LabVIEW图形化开发平台始终致力于简化编程的复杂性，在所有涉及到数据采集、控制与设计的领域里，LabVIEW图形化编程方式已经成为标准的开发工具。对于医疗电子设备的开发团队而言，借助NI硬件平台不仅可以连接各类医电传感器，快速实现医电信号的测量，还可以实现自定义的
5、前端电路开发，包括板级电路或者是可编程的硬件逻辑电路。另外，结合开放的LabVIEW编程平台，后端的信号处理算法的开发也可以通过图形化的开发方式实现，并通过NI软硬件的无缝结合，将算法快速部署至硬件平台。对于前端医电系统的设计而言，自定义的板级电路设计往往是主要部分，通常用于一些采集后的前端调理等。这些调理电路的设计，可以通过专业的电子电路设计与仿真平台NI ELVIS实现。例如医电信号采集系统，可以借助其五位半隔离数字万用表功能来实现。又或者是前置放大、滤波、隔离等较复杂的前端调理电路系统，也可以在ELVIS开放的电路板上借助NI Multisim电路设计软件完成， Multisim除了具备
6、板级电路设计、硬件电路仿真功能外，还可以方便地与ELVIS相集成，直接控制ELVIS上的各种仪器功能，使得硬件电路的搭建、设计、仿真过程效率更高。目前，除自定义的板级电路设计以外，基于FPGA的可编程逻辑电路在医电系统设计中的应用也越来越广泛。FPGA具备硬件电路的高速处理性能以及软件系统的可编程灵活性，特别适用于需要实时采集并分析的重症监护等情况。为了方便工程师进行FPGA系统的开发，NI提出了创新的LabVIEW FPGA技术与CompactRIO硬件平台，无需VHDL的经验，生物医学工程师可使用图形化编程方式，直接参与到编程工作中，快速实现医电系统从设计、仿真到原型等完整过程。 目前以硬
7、件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipflop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。除了多样化的硬件平台之外，开放且灵活的LabVIEW软件平台是图形化医疗电子设计平台的另一大优势。LabVIEW提供了高效的编程方式，不仅将硬件I/O引入算法设计，直接调用图形化硬件平台上采集的数据，而且内置了强大的信号处理开发工具，实现高效的算法开发，还通过代码重用，调用成熟算法，简化构建系统的复杂性，使得设计阶段的实时采集与分析成为可能。