高分辨率示波器HDO在醫療電子測試領域的應用
<H2 style="LINE-HEIGHT: 20px; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); FONT-VARIANT: normal; FONT-STYLE: normal; TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=4>概述</FONT></H2><P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT style="MARGIN: 0px; FONT-FAMILY: Arial; FONT-SIZE: 10.5pt" size=3> <FONT size=3>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。</FONT></FONT></P> <P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3> 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。</FONT></P> <P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3> 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。</FONT></P> <P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3>問題在于：</FONT></P> <P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3> 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。</FONT></P> <P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3> 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）。</FONT></P> <P style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 3px 0px; FONT: 12px/16px Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3></FONT> </P> <H2 style="LINE-HEIGHT: 20px; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); FONT-VARIANT: normal; FONT-STYLE: normal; TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=4>生成測試信號</FONT></H2> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3> 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）。</FONT></P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><IMG border=0 src="/upload/editor/201311693019105.jpg"></P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">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</SPAN></P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"> <FONT size=3>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。</FONT></SPAN></SPAN><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=3></P> <H2 style="LINE-HEIGHT: 20px; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); FONT-VARIANT: normal; FONT-STYLE: normal; TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=4>進行測量工作</FONT></H2> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"> 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。</P></FONT></SPAN></SPAN> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=4><IMG border=0 src="http://www.gxave.cn/upload/editor/2013116105014100.jpg"></FONT></SPAN></P><SPAN style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; DISPLAY: inline !important; FONT: 14px/21px Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; FLOAT: none; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">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</P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">圖3中的信號是使用更高分辨率的示波器采集的，HDO（HighDefinition 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。</P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><IMG border=0 src="/upload/editor/201311610523231.jpg"></P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">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</P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"> 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。</P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=4><IMG border=0 src="http://www.gxave.cn/upload/editor/2013116105310837.jpg"></FONT></P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">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”</P> <H2 style="LINE-HEIGHT: 20px; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); FONT-VARIANT: normal; FONT-STYLE: normal; TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif, 宋體; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"><FONT size=4>總結</FONT></H2> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">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?；诖?，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。</P> <P style="TEXT-ALIGN: justify; WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px 0px 1em; FONT: 10.5pt/1.5 Arial; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; LETTER-SPACING: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"> </P></SPAN>
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