《電子技術應用》
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高分辨率示波器HDO在醫療電子測試領域的應用

2017-07-04

  概述

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

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

  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療電子器件或設備,但是,當醫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

  在醫療儀器產品真正應用于臨床之前,在它的研發階段都會經過一系列的測試,甚至在產品的設計階段,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波形(正弦、三角、斜坡等)。

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  圖 1: 上面一條曲線是ArbStudio任意波形發生器生成的一段由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,或者循環連續輸出。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。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。很多數字示波器都自帶有低通濾波器。 Teledyne LeCroy提供了數字濾波器工具包(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學算法,它本身也是一種有限沖擊響應數字濾波器,成為ERES(Enhanced Resolution),可以幫助我們去除信號之中的高頻成分。其他廠商的示波器也提供了一種內置的濾波器,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。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。

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  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。

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  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,但是噪聲水平已經遠遠低于圖1中的信號,圖3中的信號已經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”,之后我們可以發現一個非常有趣的現象是,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學診斷非常有意義。

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  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,當我們去衡量這些設備的指標時,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。基于此,Teledyne LeCroy提供了12bit高分辨率示波器HDO,非常適合于這類應用。而且任意波形發生器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。


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