采用LabVIEW為平臺開發(fā)多參數(shù)病人監(jiān)護儀自動測試系統(tǒng)

采用LabVIEW為平臺開發(fā)多參數(shù)病人監(jiān)護儀自動測試系統(tǒng)
Develop Automatic Test System for Multi-parameter Patient Monitor Based on LabVIEW Platform

作者：陳祥
職務(wù)：高級測試開發(fā)工程師
公司：飛利浦（中國）投資有限公司

應(yīng)用領(lǐng)域：
產(chǎn)品測試

挑戰(zhàn)：
以NI LabVIEW為軟件核心，集成了多種數(shù)據(jù)采集卡，通信板卡，各類通用儀器，醫(yī)療專用儀器，安規(guī)儀器，切換夾具等硬件，共同構(gòu)成多參數(shù)病人監(jiān)護儀的全功能及安全測試平臺。

使用的產(chǎn)品：
 測試硬件：
1) 標準工控機
2) NI PCI GPIB通信板卡(778032-01)
3) NI PCI-6528 24路通道間光隔離漏/源輸入
4) NI PCI RS232/4串口通信板卡(777642-04)
5) NI PCI-6733 高速模擬輸出(AO)
6) NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ
7) USB-I2C總線適配器
8) Chroma AC Source 61601A交流電源
9) Agilent 53132A高精度頻率計數(shù)器
10) Agilent N6700可控模塊化電源
11) Vitrek V4高壓測試儀
12) Metron QA-90漏電流測試儀
13) Kakogawa MT210 Digital Manometer高精度數(shù)字壓力儀
14) Fluke SPO2 Index2血氧模擬儀
15) Fluke MPS450多參數(shù)病人信號模擬儀
16) Bluetooth Dongle藍牙適配器
17) 標準CO2氣體
 測試軟件
1) Windows XP Professional操作系統(tǒng)
2) Window Office 2003 Professional (including EXCEL and ACCESS)
3) NI LabVIEW 8.0圖形化編程環(huán)境
4) NI Application Builder 8.0應(yīng)用程序生成器
5) NI Report Generation Toolkit用于Microsoft Office的報告生成工具包
6) NI Database Connectivity Toolkit數(shù)據(jù)庫連接工具包
7) NI GPIB Driver
8) NI RS232 Driver
9) NI DAQmx(DAQ Assist)
10) NI Signal Processing Toolkit數(shù)據(jù)分析工具
11) NI TCP Communication Driver TCP通信協(xié)議
12) NI Bluetooth Communication Driver藍牙通信協(xié)議
13) NI Windows Registry Access Vis注冊表工具
14) SMbus driver( An External Driver Installed in LabVIEW 8.0)

 相關(guān)醫(yī)療標準：
1) ANSI/AAMI EC13:2002/(R)2007 《Cardiac monitors, heart rate meters, and alarms》
2) YY91079 《心電監(jiān)護儀專用標準》
3) BS EN60601-1:1990 BS 5724-1:1989《Medical electrical equipment —Part 1: General requirements for safety》
4) GB 9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備_第1部分_安全通用要求》

病人監(jiān)護儀介紹：
病人監(jiān)護儀屬醫(yī)療設(shè)備，用于臨床實時監(jiān)護病人的ECG(心電圖), SPO2(血氧飽和度)，NIBP(無創(chuàng)血壓)，IBP(有創(chuàng)血壓)，Temperature(溫度), etCO2(末端二氧化碳/呼吸)等各種生理特征參數(shù)。

測試系統(tǒng)的架構(gòu)
測試系統(tǒng)以工控機為控制平臺。由內(nèi)部的GPIB和串口卡來對外圍的可編程儀器的控制；由數(shù)據(jù)采集卡對測試信號進行采集；DIO (數(shù)字輸入輸出) 對自制夾具內(nèi)部的繼電器切換控制；由直流電源控制電磁閥進行測試氣體回路管理；通過網(wǎng)路服務(wù)器進行測試數(shù)據(jù)庫，測試報表，登錄信息的存儲管理；
 
圖一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)的界面
1) 用戶管理：
   為了測試系統(tǒng)的操作安全和信息安全，該測試站只允許培訓合格的用戶訪問。該系統(tǒng)還根據(jù)使用者的級別定義了相應(yīng)的操作權(quán)限。所有訪問信息都會通過網(wǎng)絡(luò)傳入服務(wù)器的登錄數(shù)據(jù)庫中。
 
圖二 登錄界面

2) 測試界面：
   該測試界面記錄了測試站名稱，版本號，待測物的型號，序列號，操作者名稱，測試時間，測試數(shù)據(jù)等必要信息。測試過程還會實時顯示當前測試項名稱，進度條。
 
圖三 測試界面

心電監(jiān)護儀的測量原理
1) ECG心電功能
   ECG心電圖人體非常重要的生理信號，該信號可以反應(yīng)心率和強度，醫(yī)生以從中分析病人心臟的狀態(tài)，如早搏，缺損，室顫，停搏等。
a) 標準心電信號測試
  按標準ANSI/AAMI EC13由NI PCI-6733 高速模擬輸出通道(AO)產(chǎn)生標準心電信號；
 
圖四 標準心電信號
  按標準ANSI/AAMI EC13設(shè)計ECG心電測試信號切換器，NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ的數(shù)字輸入輸出負責內(nèi)部繼電器的切換。
 
圖五ECG心電測試信號切換器
b) 心電信號仿真測試
NI RS232 通信模塊通過NI PCI RS232/4(777642-04) 通信板卡向Fluke MPS450多參數(shù)病人信號模擬儀發(fā)送控制指令，設(shè)置ECG的心率 (Heart Rate) 和幅度 (Amplitude) 。該模擬還可以模擬多種病理性心電信號。

2) NIBP無創(chuàng)血壓功能
   無創(chuàng)血壓功能的檢測要點是對其內(nèi)部的氣壓的精度進行校準。本系統(tǒng)采用可串口編程的Kakogawa MT210 Digital Manometer數(shù)字壓力儀，該儀器具有很高的測量精度。

3) SPO2血氧飽和度功能
   測試系統(tǒng)通過串口控制卡，設(shè)置血氧模擬儀 Fluke SPO2 Index2，輸出仿真血氧模擬信號；將信號輸入到監(jiān)護儀，對其精度和相應(yīng)速度進行測量。

4) IBP有創(chuàng)血壓功能
   有創(chuàng)血壓用于直接測量人體血管組織內(nèi)的壓力。實際測試中由工控機串口控制MPS450輸出仿真信號，來模擬血管壓力傳感器的信號。

5) etCO2末端二氧化碳/呼吸功能
   EtCO2末端二氧化碳/呼吸功能是利用呼出氣體中CO2的分壓力量來偵測病人的呼吸率的。本系統(tǒng)采用一瓶標準含量的CO2混合氣，來模擬人體呼出的氣體。 該氣體經(jīng)過減壓閥、流量計、電磁閥組成的氣體通路到達待測產(chǎn)品。測試系統(tǒng)通過GPIB總線，設(shè)置可編程模塊化電源 Agilent N6700，輸出直流電壓來控制電磁閥的通斷。

6) YSI400體溫測量功能
  YSI400是一種相當成熟的體溫測量方法。 該方法利用電阻的熱敏效應(yīng)測量溫度，即特定的溫度下該電阻會顯現(xiàn)特定的電阻值。測試系統(tǒng)擁有自制的YSI400溫度模擬器，是一種可控電阻陣列。NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ的DIO16～23可將該模擬器的切換到不同電阻值，對待測物的各個溫度點進行校準。

7) SMbus智能電池接口功能
   SMbus是目前比較流行的一種智能電池接口，工作在3.3VDC。它由 ＋，Temperature，SCL，SDA，Ground組成，其結(jié)構(gòu)與I2C非常類似。測試系統(tǒng)采用USB-I2C總線適配器。該總線適配器附有LabVIEW驅(qū)動，測試程序可以調(diào)用該驅(qū)動，與監(jiān)護儀的SMbus接口通訊。

8) 時鐘信號校準
   時鐘信號是由待測物主板上晶體振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號，它的頻率特性相當穩(wěn)定，用作系統(tǒng)時鐘的源信號。但晶體振蕩器個體之間的頻率卻是有差異的。測試系統(tǒng)通過GPIB總線讀取Agilent 53132A的高精度頻率讀數(shù)，然后將之轉(zhuǎn)換成32位碼存入寄存器中。監(jiān)護儀在啟動后會自動讀取該寄存器以計算時間。

9) 電路板模擬電信號分析
   待測物的電路板預(yù)留很多測試點，這些信號通過針床被引入NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ的模擬輸入通道。使用該數(shù)據(jù)采集卡的用戶不必具有很深硬件知識，可以通過NI DAQmx模塊中的DAQ Assist助手快速定制用戶所需的測量類型，測量范圍，采樣率，觸發(fā)方式，觸發(fā)延時等。
NI Signal Processing Toolkit 是一種非常有用的信號處理工具，系統(tǒng)使用該工具對采集到的原始信號進行濾波處理，功率譜分析等。

10) Bluetooth藍牙功能
   為了更加方便地向中心基站傳送病人數(shù)據(jù)，許多病人監(jiān)護儀都帶有藍牙天線。 測試系統(tǒng)中采用了USB 藍牙適配器，測試程序中調(diào)用NI Bluetooth Communication Driver藍牙通訊模塊，實現(xiàn)適配器和待測物的藍牙無線互連。

11) LAN以太網(wǎng)通信接口
    以太網(wǎng)通信接口是另一種向中心基站傳送病人數(shù)據(jù)的方式。測試系統(tǒng)更多地將其視為測試接口。所有的待測物的狀態(tài)設(shè)置，數(shù)據(jù)獲取都是通過該接口完成。LabVIEW中的NI TCP Communication Driver支持以太網(wǎng)通訊。

12) 安規(guī)測試
   醫(yī)療標準對產(chǎn)品的絕緣和漏電流有專門明確的規(guī)定。這里對該標準不贅述。本測試系統(tǒng)設(shè)計了一種安全測試切換器，由可耐高壓的繼電器陣列構(gòu)成。該繼電器陣列由PCI-6528 24路光隔離通道來控制，切換來自Vitrek V4高壓測試儀和Metron QA-90漏電流測試儀的電路，實現(xiàn)絕緣特性和漏電流等安規(guī)指標的測試。

13) 測試數(shù)據(jù)的管理
為了保證數(shù)據(jù)安全，測試系統(tǒng)的測試規(guī)格數(shù)據(jù)庫，測試報表，訪問記錄被存儲在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。
a) 測試規(guī)格數(shù)據(jù)庫(Test Specification Database)
測試規(guī)格數(shù)據(jù)庫以Access的文件形式存儲于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，測試站終端通過Database Connectivity Toolkit數(shù)據(jù)庫連接工具包來調(diào)用該數(shù)據(jù)庫。
b) 訪問記錄(Login History)
該文件的存儲位置和調(diào)用方式與a)類似。每當有操作者登錄測試站是就會自動記錄下來，以備將來查證。
c) 測試報告(Test Report)
系統(tǒng)調(diào)用報告生成工具（NI Report Generation Toolkit）來產(chǎn)生Excel報告。生成的報告會被存儲于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。

14) 項目化管理和執(zhí)行程序的封裝
   LabVIEW 8.0開始向用戶提供項目管理的編輯環(huán)境，使程序看上去更有條理，有利于大型程序的編寫。
   我們可以將NI Application Builder 生成的執(zhí)行程序進一步封裝成安裝文件。用戶可直接將該文件安裝到目標測試平臺上，還可以通過操作系統(tǒng)中的“Add/Remove Programs”工具移除測試程序文件。

心電監(jiān)護儀測試系統(tǒng)的性能評估
   心電監(jiān)護儀傳統(tǒng)的手動測試非常耗時費力，結(jié)果更多地依靠測試人員判斷，一致性和可靠性都不好。而本系統(tǒng)屬全自動測試系統(tǒng)，測量的重復(fù)性可靠性非常好，而且測試效率得到了大幅度提升。

結(jié)束語
    LabVIEW圖像化編程語言無縫透明地支持了板卡類儀器，使測試工程師不必關(guān)注底層硬件；同時兼容了傳統(tǒng)臺式儀器，特殊接口專用儀器，避免了更新儀器帶來的成本負擔；為工程師提供了豐富的工具和通信接口模塊，完全滿足病人監(jiān)護儀自動測試平臺的開發(fā)需求。