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

　　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(fù)雜的醫(yī)療影像系統(tǒng)（如MRI：磁共振成像設(shè)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(dāng)然希望醫(yī)療設(shè)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(biāo)本身就極富挑戰(zhàn)。

　　在實驗條件下進(jìn)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(yīng)輸出。這種方法同樣適用于測試醫(yī)療電子器件或設(shè)備，但是，當(dāng)醫(yī)療電子設(shè)備應(yīng)用于實際測試場合時，需要從人體本身獲取信號，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(shè)備中，測量的精確性又是至關(guān)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(fù)的）。

　　生成測試信號

　　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)階段都會經(jīng)過一系列的測試，甚至在產(chǎn)品的設(shè)計階段，就需要模擬一些信號對儀器進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)用在復(fù)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(fù)雜波形的應(yīng)用場合；WaveStation適用于較短存儲，生成簡單函數(shù)波形的應(yīng)用場合。

　　進(jìn)行測量工作

　　如果假設(shè)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(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(yuǎn)高于我們感興趣的信號部分的頻率，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(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，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(jìn)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(jié)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(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本身的“基線”

　　總結(jié)

　　測試醫(yī)療電子設(shè)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(dāng)我們?nèi)ズ饬窟@些設(shè)備的指標(biāo)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(yīng)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。