点击显示 收起
关键词 医学自动测试模式 控者 智能化仪器
【文献标识码】 A 【文章编号】 1680-6115（2004）07-0604-03
Study on computer-assisted automatic measurement in medical sciences（CAAM）
Zhou Zhen
Surgical Laboratory of Medical College，Tsingtao University，Shandong266012.
【Abstract】 Objective To study and inquire on CAAM.Methods According to the author’s own experience in developing medical automatic measurement instruments，we described the development of CAAM.Results We conˉcluded that the key point in medical auto-measurement is the controller.Conclusion At present，modern personal computers can play the role of controllor for their updated hardware.Therefore，if the basic principles are understood，it is possible to update a common instrument into an intelligentalized one by assigning a controller to develop a
correˉsponding software for the controller.Understanding the theory may help researchers in medical sciences to optimalize or improve their instruments，or even to design new instruments，to meet their purposes in measurement.
Key words computer-assisted automatic measurement in medical sciences（CAAM） controller intelligenˉtalized instruments
测试是一个广义概念，在自然科学技术中被广泛应用，如:机械、电子、建筑、材料和生命科学等。不同学术领域虽测试方法各不相同，但使用的工具却有共性，即:可以用同样的工具解决不同的问题。一般的测试流程归纳起来可描述为:方法、工具、实验和结果。其中材料与设备是改变测试水平的重要技术条件。“工欲善其事，必先利其器”。
1 测试的一般概述
1.1 基本概念 在医学教学、实验过程中，测试也是一个重要的技术环节。医学测试技术，即人体信息检测技术及医学领域中的信息应用技术，已归属到生物医学工程领域中，是本世纪的重点研究目标之一 ［1］ 。通常医学测试主要是针对人体而言，而在实验中往往选择动物为模型，因此我们的测试对象通常是人和动物。医学测试可分为两大类:机能测试与形态测试。机能测试主要是针对生理信号进行测试，如:神经动作电位、脑电、心电、脉搏、呼吸及行为测定等。形态测试主要是指对组织内部结构的分析，例如:CT、MRI、显微镜观察、超微分析、图像分析等。
1.2 自动测试技术的发展过程 自动测试技术经历了一个漫长的路程，从原始的手工模式到现代的手工模式 ［2］ ，从一般自动模式到智能化自动模式。医学自动测试模式经历了同样的发展演变过程。
1.2.1 手工模式 使用普通仪器、部件以手工操作的方式实现的，其工作框图如图1。
图1 略
其中，换能器是提供原始信号的基本采样部件，换能器（传感器）是用来将物理、化学信号转换为电能信号的部件，它是最关键的前端部件。
放大器是重要的中间部件，它将微弱的电信号进行放大处理，数据输出一般采用记录仪。面板控制是用来操作和控制的，在手工模式中，全部调控功能均在面板上，通常有:电源开关、放大量程开关、波段开关、微调旋钮、信号接插座等。数据输出部件一般有数码显示、记录仪等。
在了解自动测试模式过程中，有必要了解由手工模式向自动模式过渡阶段的模式:半自动模式。其特点是:在缺少控制的情况下，利用模拟信号的自动调节系统来实现控制。
1.2.2 自动测试模式 可划分为:一般模式和智能化模式。前者是运用自动控制原理，单为解决手工劳动强度，采用电子电路实现仪器和手工相结合。而后者则是利用计算机技术，软硬结合，具有更高判断、记忆、科学计算功能。自动测试模式常见的调控技术有:负反馈技术（信号流程见图2）和PID调节技术 ［3］ （如图3的温度调节PID技术）。
可见测量与控制是相互依赖的，有测必有控，有了控才构成了自动测试的概念，所以自动测试也可理解为:自动测控。自动测控可以是开环的也可以是闭环的。
图2略
图3 略
计算机的发展为自动测控技术进步提供了有利的契机。20世纪60年代开始，采用计算机的自动测试系统、数据自动采集系统、数据自动分析系统和综合自动测试系统大量涌现，这些系统通常称为第一代自动测试系统。
20世纪70年代中期，IEEE-488、RS-232-C等标准接口总结解决了仪器与仪器之间、仪器与计算机之间的连接问题，出现了以计算机为核心，由多台可程控仪表按积木组合方式构成的装置，即所谓第二代自动测试系统 ［2］ 。
20世纪80年代初兴起的第三代测试系统即所谓智能 测试仪表，将微机与仪表从结构、电气方面有机结合在一起，以软件代替仪表中的许多硬件电路，使电路大大简化，成本降低，体积减小。而且由于软件编程的灵活性，使功能大大加强。非线性化处理技术的应用，使测量精度大为提高，使测量和数据加工融为一体。
智能测试仪表一般都具有与上层计算机相连的标准接口，能作为一台智能程控仪表单元接入系统，从而构成具有高一层水平的自动测试系统。微型计算机与仪器相结合的另一个特点就是仪表易于系列化，因为从被测参数看，仪表可能是千差万别的，但若从测量结果的收集、处理、显示、记录、存储等信息加工以及操作自动化、人机联系、故障诊断等控制功能来说，不同领域的仪表有共性。这些相类似的功能都依靠内藏式微型机来完成，因此，可以将这些与测量信号物理本性联系甚少的典型功能分离出来，加以研究，以便开发出更多的智
能仪表。
2 测试模式的组成
自动测试模式是在手工模式和半自动模式的基础上发展起来的，它保留了原来的前端部分，增添了具有自动化功能的后处理部分。自动测试模式可分为一般模式和智能化模式。二者区别在于是否采用了计算机技术。一般模式的标志是:具有替代手工劳动、自动采集与输出数据的功能。智能化模式的标志是:具备一般模式的基础上，以软代硬，记忆与科学计算。当前的测试仪器和测试系统一般都采用了计算机技术，使得实现自动测试技术越来越智能化，因此也可以笼统将自动测试和智能测试认为是同等概念在医学界，通常以人或动物为对象进行测试的，我们将这种测试称之为:医学自动测试模式。如图4所示。各模块的作用如下。
图4 略
2.1 医用换能器 用来将生理生化信号转换为电信号的部件，它是最关键的前端部件。常见的换能器功能及用途如下。
2.1.1 光-电转换 利用光敏二极管、光敏电阻、硅光电池等器件，接收可见光或不可见光会产生电信号。例如:电梯开门、动物旋转计数、红外探测等。
2.1.2 热-电转换 利用热敏电阻、热敏二级管等热敏器件，根据其感温特性，这些部件随温度的变化而产生变化的电信号。例如铂电阻，康铜丝，其阻值随温度变化，利用电阻桥的原理可测电压。
2.1.3 压-电转换 包括重力、位移、应变的转换，利用材料学原理，其受力作用的电阻、电容、电感等发生变化。可用于电子称，脉搏、血压、呼吸测定等。
2.1.4 张力-电转换 以导电橡胶为元件，利用其伸缩时 的电阻定律:R=P.L/S，P表示电阻系数，L表示长度，S表示截面积。可用于:蛙心收缩、血管平滑肌张力测定等。
2.1.5 电极（导联） 利用电极之间的导电性能，常用的有阻抗法、电流法。例如血微孔阻抗法细胞分析
:电解质溶液的导电性能较好，而血细胞是不良导体，两电极之间阻抗发生变化，产生变化的电信号。
2.1.6 光导纤维 利用全反射原理，具有传输快、阻抗小、点阵成像等特点。可用于纤维内镜，用于食道、胃、肠检查等。影象器件:例如照相机、摄像机、扫描仪等。（此类多用于形态测试中）。
2.2 采集放大器 人体信号和动物信号经过换能后依然微弱，一般在几十微伏到毫伏级，而需要处理的信号幅度应该在0～5伏左右，称之为TTL电平，这就要求放大售数在几千倍到几万倍。这里不仅仅是放大，还需要整形、平滑、滤波，以达到信号的完整和防止干扰。常用的电路有:晶体管放大电路、积分电路、微分电路等。
2.3 模数转换（A/D） 将变化的电压量转换为标准数字量，并将数字量按二进制代码形式存放。A/D变换的主要指标是精度，通常用位标定，如:8位、10位、12位、16位等，位数越高精度越高。便如8位=256，10位=1024、12位=4096，精度越高，测量电压范围就越大。
2.4 接口装置 接口是外部设备与计算机连接的桥梁，标准按口通常有:串行接口（RS232）、并行接口、IEEE-488接口、USB接口 ［4］ 等。另外用户可以自行设计接口，这种接口一般称为非标准接口（用户接口）。
2.5 控者 整个仪器的控制中心，可由专用控制器承担，也可由通用控制器充当。计算机便是一种通用控制器。自从有了控者才有了智能化测试的概念。专用控制器集成在仪器内部，采用一系列固定的程序指令来控制，这种仪器称之为“智能测试仪器”（智能仪表）。通用控制器则是外置的，通过标准接口与其他部件或系统自由搭配。在智能测试仪器的开发实验中一般是利用计算机充当控者，特点是:可一机多用，方便灵活;利用现有的实验设备，节约费用。两种形式都有下列特点:（1）采用智能控制部件:微处理器。（2）具有程序控制、以软代硬的功能。（3）扩充性好，连接简便。
2.6 输出装置 通常用打印机、显示器、绘图仪等。这些也具有智能特点，其内部均装有电脑部件（CPU、存储器）。
3 测试试验与应用
综上所述，实现医学自动测试的关键是控者。目前微 机的主流机型，价格性能比很好，我们只有掌握其基本的原理，经过设计开发就可以为一台普通仪器配上控者并将其升级为智能化仪器。再深入一步便可自行设计智能测试系统。国外先进的仪器生产商，出口通用仪器必须带智能接口，专用仪器也必须有微处理器装置。但是，控者的价格非常高，如果全套购买，价格昂贵，如果不买控者，则只是买了半个仪器。而且有关控者的说明书和技术资料都是保密的，难以开发和利用，使用几年就面临淘汰。当务之急，就是开发自己的控者，研制
自己的仪器和系统。
3.1 医学自动测试原则 模型建立、设备材料配置、模块研制、软件编写、安装调试。（1）已有带IEEE488接口的仪器，自己配置一台微机和同样接口，编写软件即可。例如:原子吸收分光光度计。（2）已有不带IEEE488接口的仪器，可从信号输出端引出信号，自制接口，编写软件，与微机联结。例如:八导生理测定仪。（3）自行设计、自行研制接口和装置，编写软件，调试安装。例如动物旋转行为测定、动物自主活动测定，学习记忆行为测定（迷宫）等。选择的工具语言有:C语言、汇编语言、VB、VFOXPRO数据库等。
3.2 实例 大鼠旋转行为测定 ［5］ 见图5，变阻法测定血细胞计数，见图6。
图5略
图6略
参考文献
1 魏继周，蒋白桦.医学信息计算机方法.长春:吉林科学技术出版社，1986，3.
2 杨遇春.电子线路及微机试验.合肥:中国科学技术大学出版社，1992，98-99，213-214.
3 佐藤一郎.集成运算放大器电路设计实用手册.北京:学术期刊 出版社，1989，156-157.
4 王晓伟，张振宇.FoxPro For Windows高级应用程序开发指南.北京:电子工业出版社，1995，331.
5 孙勇力.智能型动物旋转行为测定系统的设计与实现.实验技术与管理，1998，4:52-53.
作者单位:266012青岛大学医学院外科实验室
（收稿日期:2003-11-21） （编辑刘 静）