高分辨率示波器HDO在醫(yī)療電子測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

 概述

全球醫(yī)療電子市場(chǎng)規(guī)模龐大并且近年來急速增長(zhǎng)。醫(yī)療電子器械涵蓋極其復(fù)雜的醫(yī)療影像系統(tǒng)(如MRI：磁共振成像設(shè)備)到簡(jiǎn)易的家用電子血壓計(jì)。從事醫(yī)療電子器械生產(chǎn)的廠商當(dāng)然希望醫(yī)療設(shè)備測(cè)量精度越高越好，但是現(xiàn)實(shí)情況是精確測(cè)量人體的各項(xiàng)指標(biāo)本身就極富挑戰(zhàn)。

在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行電子器件測(cè)試時(shí)，工程師往往會(huì)對(duì)器件輸入已知的測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)本身是模擬的真實(shí)信號(hào)，然后觀察被測(cè)器件的響應(yīng)輸出。這種方法同樣適用于測(cè)試醫(yī)療電子器件或設(shè)備，但是，當(dāng)醫(yī)療電子設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試場(chǎng)合時(shí)，需要從人體本身獲取信號(hào)，問題就變得復(fù)雜了。問題在于：

1、沒有嚴(yán)格重復(fù)(周期性)的信號(hào)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(fù)。

2、通常情況下，人體信號(hào)的SNR(信噪比)沒有其他類型的電信號(hào)那么理想。

然而，在醫(yī)療設(shè)備中，測(cè)量的精確性又是至關(guān)重要的。以測(cè)試測(cè)量的觀點(diǎn)來看，在噪聲水平較大時(shí)，測(cè)試儀器最好能夠十分精確得抓取和測(cè)量“單次”信號(hào)(而非多次信號(hào)的平均值，因?yàn)樾盘?hào)并非重復(fù)的)。

生成測(cè)試信號(hào)

在醫(yī)療儀器產(chǎn)品真正應(yīng)用于臨床之前，在它的研發(fā)階段都會(huì)經(jīng)過一系列的測(cè)試，甚至在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，就需要模擬一些信號(hào)對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)試，這些信號(hào)都是儀器最終將要捕獲的模擬的人體信號(hào)，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(cè)試信號(hào)。該信號(hào)是由數(shù)字示波器(DSO)采集的，信號(hào)中包含一些列的脈沖，每一個(gè)較大幅值的脈沖之前和之后都有一個(gè)小幅值的脈沖，整個(gè)波形重現(xiàn)了一段心電圖(EKG)檢測(cè)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(gè)脈沖的序列是加載于緩慢變化的調(diào)制信號(hào)之上的。這段信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形(正弦、三角、斜坡等)。

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(duì)真實(shí)的波形進(jìn)行編輯和修改：例如，增加或刪減噪聲信號(hào)、增加毛刺信號(hào)等等。ArbStudio非常適合于應(yīng)用在復(fù)雜波形的生成，或是需要模擬真實(shí)采集的波形(回放采集波形)的場(chǎng)合。Teledyne LeCroy提供了兩種任意波形發(fā)生器-ArbStudio適用于需要長(zhǎng)存儲(chǔ)、復(fù)雜波形的應(yīng)用場(chǎng)合;WaveStation適用于較短存儲(chǔ)，生成簡(jiǎn)單函數(shù)波形的應(yīng)用場(chǎng)合。

進(jìn)行測(cè)量工作

如果假設(shè)上文中的心電圖信號(hào)小的“脈沖”(P波)是我們感興趣需要測(cè)量的部分，圖1中下部的曲線是P波進(jìn)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(cè)量信號(hào)中噪聲對(duì)于該突起的水平，那么這個(gè)信號(hào)很典型。并且，示波器提供了測(cè)量峰-峰值和噪聲RMS值的參數(shù)。但是，如果想要測(cè)量的部分是信號(hào)的基值本身，或是信號(hào)的基線已經(jīng)被淹沒在噪聲之中了，我們又該如何測(cè)量?由于信號(hào)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(hào)的頻率遠(yuǎn)高于我們感興趣的信號(hào)部分的頻率，所以可以應(yīng)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(xué)算法，它本身也是一種有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器，成為ERES(Enhanced Resolution)，可以幫助我們?nèi)コ盘?hào)之中的高頻成分。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(hào)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(jiǎn)單粗暴”的濾除噪聲的方式并不適用于該信號(hào)。

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

圖3中的信號(hào)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(hào)的噪聲，而且使用了12bit分辨率的ADC量化信號(hào)。

圖3：相同的信號(hào)使用HDO示波器進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖1中的信號(hào)，圖3中的信號(hào)已經(jīng)非常接近于原始信號(hào)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(duì)于采集的信號(hào)進(jìn)一步使用濾波器降低噪聲，使用戶可以看到信號(hào)本身的“基線”，之后我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象是，在P波形結(jié)束的地方有一個(gè)明顯的下沖，而這個(gè)下沖對(duì)于臨床的醫(yī)學(xué)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(hào)本身的“基線”

總結(jié)

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