基于LabVIEW快速搭建醫(yī)療設(shè)備原型

21世紀(jì)是生命和健康的世紀(jì)，生命科學(xué)的飛速進(jìn)步不斷推動著人類對自身健康和疾病的認(rèn)識，如何開發(fā)創(chuàng)新型的醫(yī)療電子設(shè)備也成為研究的熱點(diǎn)之一。

 

醫(yī)療設(shè)備研究內(nèi)容涉及眾多工程學(xué)研究領(lǐng)域，如電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息處理、光學(xué)、精密機(jī)械學(xué)等。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展、治療手段的多樣化和相關(guān)工程領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步，醫(yī)療電子設(shè)備正變得日益復(fù)雜化。一般大型醫(yī)療設(shè)備由多個子系統(tǒng)組成，需要集成多種傳感器、機(jī)械部件、電子元件，如FPGA或微處理器等，還會涉及到多種專業(yè)總線和協(xié)議，其研發(fā)周期也相當(dāng)長，可能需要2年~3年甚至更長的時(shí)間。于是，如何縮短整個醫(yī)療電子設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間、提高創(chuàng)新程度便成為占領(lǐng)市場的要素。

 

對于一些小型公司來說，如何從激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟并脫穎而出是非常困難的事情。他們的核心技術(shù)人員也許是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的專家，掌握了一定的專利或研究成果，但如何在團(tuán)隊(duì)人員非常有限的情況下，快速的將專利或研究成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性是很大的難點(diǎn)。因此在競爭激烈的醫(yī)療電子市場，實(shí)現(xiàn)快速原型構(gòu)建是關(guān)鍵。從另外一個角度看，對于大學(xué)、研究所或者公司的研發(fā)機(jī)構(gòu)來說，他們必須著眼于未來的、有一定前瞻性和創(chuàng)新性的設(shè)備研發(fā)，因此這部分研發(fā)人員需要關(guān)注的是，如何快速地對一些算法或理論上的研究成果進(jìn)行驗(yàn)證、并進(jìn)一步搭建出實(shí)際的系統(tǒng)直至產(chǎn)品化，從而將自己的科研項(xiàng)目或?qū)＠a(chǎn)業(yè)化，獲取更多支持以進(jìn)入良性循環(huán)。

 

綜上所述，對于醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)人員來說，系統(tǒng)本身在電子、機(jī)械、傳感器等方面的復(fù)雜性以及市場競爭的需求，使得如何快速地對研究成果進(jìn)行原型驗(yàn)證并產(chǎn)品化成為領(lǐng)先于市場的關(guān)鍵。

 

 

系統(tǒng)開發(fā)一般可以分為設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)證、發(fā)布三個階段。設(shè)計(jì)階段主要針對產(chǎn)品本身以及其中牽涉到的算法、概念；原型驗(yàn)證是對設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證或評估；發(fā)布是產(chǎn)品的最終實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是由開發(fā)團(tuán)隊(duì)中生物醫(yī)學(xué)、信號處理、圖像處理方面的專家或研發(fā)人員使用文本和數(shù)學(xué)工具進(jìn)行算法或系統(tǒng)設(shè)計(jì)。原型驗(yàn)證階段的主要任務(wù)是在一定的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)算法并進(jìn)行驗(yàn)證和評估，從而進(jìn)一步調(diào)整算法，這部分任務(wù)通常由具有電子工程背景的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員，在VxWorks、QNX、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)上加以完成，他們所使用的軟件工具是和硬件平臺直接相關(guān)的，如CCS, VHDL, VDSP++等。 一般情況下這兩個階段的開發(fā)人員和開發(fā)平臺都是不同的，因此原型階段的開發(fā)者必須無縫地將設(shè)計(jì)階段的成果加以吸納和轉(zhuǎn)換，如果系統(tǒng)需求需要修正或者算法設(shè)計(jì)有些錯誤，就會導(dǎo)致原型階段的大量修正工作甚至返工。 因此，整個系統(tǒng)開發(fā)是一個循環(huán)遞進(jìn)的過程。

 

為了減少這兩個階段之間循環(huán)往復(fù)的次數(shù)，很多開發(fā)團(tuán)隊(duì)都采取了兩邊互相靠攏的方法，要求前端的算法設(shè)計(jì)人員對硬件和底層編程有一定了解，而后端的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員也需要有一定的生物醫(yī)學(xué)背景。這種方法一定程度上能夠讓兩個階段之間更好地進(jìn)行溝通，但是對開發(fā)人員的要求較高，而且缺少系統(tǒng)性，隨著醫(yī)療電子系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，不能從根本上解決問題。

 

一種更為釜底抽薪的解決方案是將這兩個階段的工作移植到統(tǒng)一開發(fā)平臺之中，即在一個開發(fā)平臺下集成算法和硬件：一方面，在算法設(shè)計(jì)階段引入硬件I/O進(jìn)行前期的驗(yàn)證，可以在更早階段發(fā)現(xiàn)并修正潛在的錯誤；另一方面，由于使用同樣的開發(fā)環(huán)境，算法設(shè)計(jì)的代碼可以在原型驗(yàn)證的過程中被重用，從而簡化編程的復(fù)雜性，降低了對算法設(shè)計(jì)人員和嵌入式開發(fā)人員的要求，從根本上加快循環(huán)遞進(jìn)的過程，從而縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。

 

LabVIEW圖形化開發(fā)平臺自1986年誕生以來一直致力于簡化編程的復(fù)雜性，其圖形化編程方式也已成為標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具。對于醫(yī)療電子的開發(fā)來說，LabVIEW提供了將硬件I/O引入算法設(shè)計(jì)的快捷方式，并通過代碼重用和商業(yè)化、可發(fā)布的嵌入式原型平臺，簡化構(gòu)建原型系統(tǒng)的復(fù)雜性。

 

 

過去幾年中，LabVIEW已經(jīng)擴(kuò)展性地納入了多種算法設(shè)計(jì)方式，從而更好地滿足了研發(fā)設(shè)計(jì)人員的需求。除了強(qiáng)大的圖形化編程方式以外，LabVIEW現(xiàn)還包括了基于文本的數(shù)學(xué)編程工具、連續(xù)時(shí)間仿真、狀態(tài)圖和圖形化控制設(shè)計(jì)仿真等模式，用以代表各類算法和應(yīng)用。同時(shí)，用于數(shù)字濾波器、控制模型、數(shù)字信號處理算法開發(fā)的交互式工具的引入令醫(yī)療電子相關(guān)的算法設(shè)計(jì)更為簡易。

 

信號處理是很多醫(yī)療電子系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，通過 LabVIEW 和相關(guān)的工具包，設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)用現(xiàn)成的函數(shù)，快速完成例如移除基線漂移、噪聲消除、QRS檢測、信號提取等應(yīng)用。通過交互式的快速VI（Virtual Instrument），只要在菜單中對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可完成Kaiser 窗FIR 高通濾波器的設(shè)計(jì)，從而移除基線漂移。為了進(jìn)一步處理，也可以調(diào)用高級信號處理工具包中的小波降躁函數(shù)來濾除寬帶噪聲。

 

對于例如胎心信號提取等較為復(fù)雜的處理，開發(fā)人員也可以通過LabVIEW中的ICA（獨(dú)立分量分析）算法來加以研究應(yīng)用。如圖1所示，上半部分是采集到的母體和胎心的混合信號，下半部分是經(jīng)過ICA處理后分離得到的胎心信號。

 

 

與此同時(shí)，開發(fā)人員也可以通過LabVIEW內(nèi)置的文本數(shù)學(xué)工具重用已有的算法，例如使用Mathscript節(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB中開發(fā)的.m文件，并通過LabVIEW的交互式環(huán)境對算法進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試，從而與各種先進(jìn)的數(shù)學(xué)和設(shè)計(jì)軟件集成使用。

 

通過引入硬件I/O發(fā)現(xiàn)并修正潛在問題

 

如前文所述，如果系統(tǒng)需要修正或者算法設(shè)計(jì)存在錯誤，就會導(dǎo)致原型階段的大量修正工作甚至返工。因此一種解決方案就是更早地將真實(shí)世界的信號和硬件引入到設(shè)計(jì)流程中，從而在早期就發(fā)現(xiàn)并修正潛在的問題。

 

LabVIEW平臺最明顯的價(jià)值就是在算法設(shè)計(jì)和硬件I/O之間建立一座橋梁。LabVIEW通過將I/O信號引入設(shè)計(jì)流程，并與各種先進(jìn)的數(shù)學(xué)和設(shè)計(jì)軟件集成使用，從而幫助工程師快速地將現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)與理論模型進(jìn)行比較，從而使交互式設(shè)計(jì)過程更快速，設(shè)計(jì)時(shí)間更短。

 

物理測量是與設(shè)計(jì)和仿真完全不同的挑戰(zhàn)，要求與廣泛的測量和控制硬件緊密集成，并以優(yōu)化的性能處理大量通道的數(shù)據(jù)或超高速吞吐。LabVIEW經(jīng)過不斷演進(jìn)，在物理測量領(lǐng)域提供極高的性能和靈活性，能夠與幾百種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和上千種儀器無縫集成。

 

 

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員當(dāng)前用原型評估板進(jìn)行系統(tǒng)的原型化，但是，原型板往往只具備少量的模擬和數(shù)字I/O通道，也很少支持視覺、運(yùn)動或同步等功能。此外，僅僅為了設(shè)計(jì)概念的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)人員卻經(jīng)常因?yàn)樾枰厥鈧鞲衅骰蛑С痔厥釯/O而花費(fèi)大量時(shí)間和開發(fā)資源來開發(fā)定制的原型板。

 

為了簡化這個過程，消除其中硬件驗(yàn)證和板級設(shè)計(jì)的大量工作，使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺成為越來越多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的選擇。但是對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，原型化平臺必須包括最終發(fā)布系統(tǒng)的相同部件，如用于執(zhí)行算法的實(shí)時(shí)處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件，或者將實(shí)時(shí)處理器接口連接到其他部件。因此，如果這個商業(yè)化的系統(tǒng)不能滿足所有的要求，那么這個原型化平臺就必須是可擴(kuò)展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)證到發(fā)布的全過程。例如使用LabVIEW和NI 可重復(fù)配置I/O（RIO）設(shè)備或NI CompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng)建醫(yī)療電子設(shè)備的原型。

 

 

醫(yī)療設(shè)備制造商Sanarus計(jì)劃開發(fā)一種革新型手術(shù)設(shè)備Visica2（簡稱V2），實(shí)現(xiàn)的治療過程包括無痛的局麻、實(shí)時(shí)超聲病灶定位和微創(chuàng)手術(shù)。為趕上產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)間表，開發(fā)人員計(jì)劃四個月內(nèi)開發(fā)出系統(tǒng)工作原型。此外，根據(jù)投資人要求，還需盡快實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)以滿足市場的需要。

 

一般為設(shè)備編寫固件并開發(fā)一個定制的電路板周期很長。一旦固件或者軟件層出現(xiàn)問題將會導(dǎo)致額外的延遲從而影響項(xiàng)目進(jìn)度。此外由于V2是醫(yī)療儀器設(shè)備，就要求設(shè)備不可包含任何有損于系統(tǒng)性能的固件和軟件錯誤；如果不能通過510(k)認(rèn)證所需的消耗性測試，整個項(xiàng)目就會失敗?；谶@些要求，需要一個非?？煽康拈_發(fā)方案。

 

因?yàn)榧嬗屑?strong>I/O開發(fā)和編程的特性，CompactRIO被認(rèn)為是一個靈活的方案。CompactRIO系統(tǒng)包含一個400 MHz微處理器、以太網(wǎng)控制器，以及背板上的300萬門FPGA，可以通過LabVIEW FPGA模塊對背板的FPGA進(jìn)行編程。由于LabVIEW FPGA是一種圖形化的編程環(huán)境，生物醫(yī)學(xué)工程師無需VHDL的經(jīng)驗(yàn)就可以直接參與到編程工作中。他們可在嵌入式控制器中運(yùn)行液氮泵和純阻性加熱部件的控制算法，在FPGA中管理控制這些設(shè)備必要的輸入/輸出信號的接口，這種資源配置使得原型化構(gòu)建和最終系統(tǒng)發(fā)布在編程模式上非常相似。CompactRIO的好處顯而易見，使用定制的方案需要數(shù)月時(shí)間，而NI的方案只用了幾周。

 

此外，如果使用定制的固件，一旦出現(xiàn)新的需求將導(dǎo)致繁瑣的更新工作。采用CompactRIO平臺后，代碼修改變得十分輕松。由于開發(fā)平臺非常靈活，在有新的功能需求提出時(shí)，開發(fā)進(jìn)程也沒有耽誤。此外，由于CompactRIO已經(jīng)通過EMC認(rèn)證，這也保證了在原型驗(yàn)證的時(shí)候無需考慮專門的EMC相關(guān)設(shè)計(jì)。

 

 

LabVIEW圖形化開發(fā)平臺通過同時(shí)提供從算法設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)證到產(chǎn)品發(fā)布，從軟件調(diào)試、功能測試到生產(chǎn)檢測的統(tǒng)一環(huán)境，使得工程師和研發(fā)人員可以在同一平臺上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)，減少循環(huán)開發(fā)和代碼修正，從而加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程。同時(shí)，通過CompactRIO嵌入式原型平臺，研究人員可以快速的將專利或研究成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，從而縮短醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)時(shí)間。