開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足醫療設備需求的嵌入式軟件技術(shù)及案例

一直以來(lái)，醫療設備都是依賴(lài)先進(jìn)的硬件技術(shù)來(lái)實(shí)現某個(gè)特定設備功能的絕大部分特性。如今，醫療設備之間的關(guān)聯(lián)越來(lái)越密切，醫療設備上所運行的多功能軟件變得更加復雜，并且常常是醫療產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵所在。此外，醫療設備制造商必須設計友好的用戶(hù)界面（供家用），并提供可現場(chǎng)升級的單元?，F貨供應軟件組件更多地被用于家中的消費設備和電腦，但考慮到上述設計因素，醫療設備也開(kāi)始使用現貨供應軟件組件。

本文介紹了當前開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足市場(chǎng)新需求的醫療設備可用的嵌入式軟件技術(shù)，包括一個(gè)公司的真實(shí)例子，該公司使用關(guān)鍵的軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)尖端的醫療產(chǎn)品。本文還探討了醫療行業(yè)該如何利用新出現的硬件和軟件技術(shù)，將嵌入式計算機系統和傳統計算機系統結合在一起。

復雜的需求

隨著(zhù)醫療設備功能的增加，需要有更強大和復雜的嵌入式軟件組件。用于將設備與外界相連的技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò )互連或USB，通常需要用軟件棧來(lái)實(shí)現。這些軟件棧通常要依靠操作系統（OS）來(lái)確保在醫療設備忙于其它任務(wù)的時(shí)候，發(fā)送到醫療設備的數據不會(huì )丟失信息。軟件棧越復雜，那么操作系統就更多地從簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）向功能全面的操作系統靠攏。然而，許多醫療設備仍然需要RTOS的實(shí)時(shí)可靠性，用以確保醫療設備與病人的通訊質(zhì)量沒(méi)有因為其與外界的通信而打折扣。大多數商業(yè)的RTOS不僅僅只提供操作系統，還提供有許多與外部設備通信所需的軟件棧。因此，嵌入式開(kāi)發(fā)人員可以開(kāi)發(fā)出用于強大和差異化醫療設備所需要的軟件。

但是，使用商業(yè)操作系統感覺(jué)上易被某個(gè)商業(yè)操作系統供應商鎖定。因此，很多醫療設備制造商選擇使用開(kāi)源操作系統，因為開(kāi)源操作系統對功能、成本以及供應商的中立性三者做了很好的平衡。例如，Linux操作系統在醫療設備中有著(zhù)良好的使用記錄。但是，Linux操作系統不能滿(mǎn)足所有醫療設備軟件的需求，因為L(cháng)inux操作系統占用空間大，往往需要為嵌入式設備增加額外的內存和成本，并且有時(shí)候不能滿(mǎn)足那些用于采樣或處理實(shí)時(shí)大量數據的醫療設備的實(shí)時(shí)處理要求。相比其它桌面操作系統，Linux操作系統是非?？煽康?。但是Linux操作系統的安全性不夠，而RTOS有很好的安全性（已經(jīng)被應用在航空電子、汽車(chē)、工業(yè)控制等行業(yè)中）。若是開(kāi)發(fā)人員著(zhù)重空間、性能和安全性，并且不愿意犧牲Linux操作系統所提供的供應商中立性以及復用選項，那么也可以使用基于開(kāi)放標準的商業(yè)化RTOS產(chǎn)品。

基于開(kāi)放標準的RTOS，如POSIX（可移植操作系統界面），是開(kāi)源操作系統的又一個(gè)選擇。POSIX是一個(gè)開(kāi)放式操作界面標準，它對操作系統各個(gè)方面，如信號、調用、進(jìn)程和線(xiàn)程管理有若干要求。這類(lèi)操作系統的功能與Linux操作系統非常相似，因為它提供有供醫療設備與外界相連所需要的軟件棧，并且可以兼容針對Linux操作系統編寫(xiě)的應用程序，只需要將應用程序經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的重新編譯即可輕松移植進(jìn)來(lái)。開(kāi)放式標準接口也使得代碼今后的移植被簡(jiǎn)化，并且消除了使用帶有專(zhuān)利接口的實(shí)時(shí)操作系統時(shí)所存在的供應商鎖定威脅?；跇藴实拈_(kāi)放式RTOS的最大優(yōu)勢是，它有實(shí)時(shí)系統的血統，具有確定性和可靠性以及安全性背景，而這是開(kāi)源操作系統所不具備的。

使用基于開(kāi)放標準的實(shí)時(shí)操作系統

Elekta是一家國際醫學(xué)技術(shù)公司，該公司當前以及未來(lái)的醫療設備使用了一款基于開(kāi)放標準的RTOS。該公司新一代醫療設備以來(lái)自L(fǎng)ynuxWorks公司的基于POSIX的LynxOS – SE為核心。

Elekta公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)用于治療癌癥和腦疾病的放射治療及放射治療系統。Elekta Synergy圖像引導放射治療系統在治療時(shí)采用3 – D高清晰度成像。該技術(shù)將患者評估和開(kāi)始治療的過(guò)程加以簡(jiǎn)化。它還給醫生提供最新的圖像數據，這樣他們就可以瞄準更大比例的病變區，同時(shí)盡量減少對周?chē)】到M織的損傷。

該公司目前的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作包括一個(gè)數字治療控制系統，該系統用于驅動(dòng)數字直線(xiàn)加速器類(lèi)產(chǎn)品。對這項技術(shù)而言，公司能夠迅速地將軟件應用程序移植到多個(gè)產(chǎn)品，以便提高其可靠性和縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，這一點(diǎn)很重要。至于其新款治療系統和下一代產(chǎn)品，Elekta公司希望找到一款高性能的對硬盤(pán)分區有額外要求的操作系統—這要就可以同時(shí)運行其它應用程序，而彼此互不干擾。為了滿(mǎn)足這些標準，Elekta公司選擇了一款基于開(kāi)放式標準的系統，該系統使用了POSIX技術(shù)。由于LynxOS – SE系統符合POSIX標準，并且完全支持POSIX.1標準，所以Elekta公司可以讓RTOS在未來(lái)項目的平臺之間移植軟件。

圖1： 在新產(chǎn)品設計過(guò)程中，使用LynxOS-SE分區操作系統

Elekta公司英國設計中心的工程師小團隊設計了一款采用LynxOS – SE操作系統的新產(chǎn)品（見(jiàn)圖1）。該工程團隊擁有豐富的實(shí)時(shí)系統開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，并且在其項目時(shí)間進(jìn)度內完成了設計任務(wù)，包括軟件移植和編寫(xiě)驅動(dòng)程序。LynxOS – SE所具有的可移植性和開(kāi)放標準要素是能夠短時(shí)間設計出首個(gè)原型產(chǎn)品的基礎。團隊的另一個(gè)關(guān)鍵目標是創(chuàng )建一個(gè)通用的平臺，在此基礎上建立未來(lái)的產(chǎn)品。該平臺將包括放射治療系統，以及其它一系列產(chǎn)品，這將使復雜的程序變得更快和更有效。

因為Elekta公司未來(lái)的產(chǎn)品戰略還將考慮某些基于64位多核技術(shù)（LynxOS - SE操作系統已經(jīng)支持該技術(shù)）的新硬件架構，所以代碼不僅限于在幾個(gè)系統之間移植，它也可以跟上以后出現的新技術(shù)。LynxOS - SE操作系統也可以被用于下一代虛擬化硬件平臺。

設備虛擬化

將醫療設備虛擬化的想法似乎有些奇怪，但是將醫療設備上運行的軟件虛擬化可以使未來(lái)的設備平臺從中受益。虛擬化操作系統已被廣泛應用于服務(wù)器和數據中心，并正推動(dòng)軟件應用在云計算中的使用。虛擬化技術(shù)還具有能夠提高嵌入式系統尤其是醫療系統的功能、可用性和安全性的潛力。有一個(gè)安全軟件虛擬化的例子，請參閱側欄“虛擬化安全”。

若只是要求同時(shí)連接設備和運行多個(gè)應用程序，傳統的操作系統和RTOS就足以勝任。然而，若是單一設備需要有一個(gè)復雜且熟悉的GUI，要求與臺式機類(lèi)似并且還要兼具RTOS的實(shí)時(shí)性，那么沒(méi)有那款桌面操作系統或實(shí)時(shí)操作系統能夠兩者兼顧。虛擬化技術(shù)可以---通過(guò)在單一系統中運行多個(gè)虛擬操作系統，可以使用傳統的桌面操作系統（如，微軟Windows）來(lái)開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面；而實(shí)時(shí)患者信息部件則采用傳統的實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），如LynxOS - SE。在本案例依賴(lài)一款具有實(shí)時(shí)屬性的虛擬化系統來(lái)實(shí)現，并且還用到了一個(gè)分離內核和管理程序（hypervisor）組合產(chǎn)品。

分離內核是一個(gè)小型、輕量級操作系統，它與處理器的連接是最低級別的。它提供有運行應用程序的安全分區，而且每個(gè)分區都給定有其它分區無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)的物理和虛擬資源。分離內核不提供諸如磁盤(pán)或網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)等傳統的操作系統功能，但它管理程序調度和存儲功能，以及每個(gè)分區有哪些物理設備（磁盤(pán)，圖形，網(wǎng)絡(luò )等）可用。若將分離內核與嵌入式系統管理程序相結合，那么就能夠在相同的硬件平臺上同時(shí)運行多個(gè)操作系統（同時(shí)保持它們之間的分離）。

嵌入式管理程序技術(shù)能夠為虛擬化客戶(hù)機操作系統提供不同的方案。對準虛擬化的客戶(hù)操作系統加以修改，以便與底層管理程序更加密切地工作。有虛擬化支持的處理器可以提供更好的性能，因為它對操作系統和管理程序以及與底層處理器之間的協(xié)同工作進(jìn)行了優(yōu)化。這種半虛擬化方案通常被RTOS的虛擬化，其中性能和實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵。對于不能修改或不要求具備實(shí)時(shí)性能的操作系統，管理程序可以提供一個(gè)完整的虛擬化方案。該方案顯示底層硬件的虛擬視圖，看上去和真實(shí)的硬件平臺完全相同；因此客戶(hù)機操作系統會(huì )以為它是運行在真正的硬件平臺上。

軟件分區和管理程序虛擬化還有助于硬件整合，很多醫療應用對此尤其感興趣。通過(guò)讓分立的系統運行在自己的分區和允許不同的操作系統和應用程序在這些分區上運行，能夠將物理上獨立的多個(gè)系統整合成單個(gè)的物理硬件。

因為分離內核和嵌入式管理程序（hypervisor）設計用于嵌入式實(shí)時(shí)系統，所以RTOS可以運行在與傳統桌面操作系統相同的物理系統中，并且不用犧牲RTOS的實(shí)時(shí)性或桌面操作系統的功能。這種嵌入式虛擬化的關(guān)鍵特性是分離內核所提供的內置安全性。它讓不同的操作系統和其上的應用程序訪(fǎng)問(wèn)同一系統上不同的設備。例如，在Windows操作系統上運行的所有應用程序，包括潛在的惡意攻擊，除非明確地被允許（如控制應用），否則都不能干預實(shí)時(shí)系統。因此，病人敏感的信息和設備不會(huì )曝光給外界。

結論

高級嵌入式軟件技術(shù)可以提高醫療設備的連接性和安全性。這些專(zhuān)用操作系統和運行在該操作系統上的任何應用程序仍可保持獨立版本和虛擬化版本，并且可以無(wú)縫地移植到虛擬醫療平臺。這種接口使醫療設備公司能夠將其現有應用程序移植到具有桌面功能和與某個(gè)端口相連的系統，并且不會(huì )影響醫療設備的安全性。

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