基于NI LabVIEW快速開(kāi)發(fā)醫療電子設備

針對醫療設備行業(yè)的投資最近幾年一直處于上升階段，在過(guò)去兩年，針對醫療設備的風(fēng)險投資幾乎翻倍，2007年更是達到了40億美元。無(wú)論從全球角度還是在中國市場(chǎng)，小型的、未上市的醫療設備制造商在具備產(chǎn)品、市場(chǎng)和創(chuàng )新的元素下，正逐步成為投資新寵。對于這些小型公司來(lái)說(shuō)，如何從激烈的市場(chǎng)競爭中站穩腳跟并脫穎而出是非常困難的事情。他們的核心技術(shù)人員也許是生物醫學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家，掌握了一定的專(zhuān)利或研究成果，但如何在團隊人員非常有限的情況下，快速的將專(zhuān)利或研究成果轉化成產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品的可靠性和穩定性是很大的難點(diǎn)。通過(guò)NI所提供的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW和商業(yè)化嵌入式原型平臺，領(lǐng)域專(zhuān)家或研發(fā)人員可以無(wú)縫集成硬件I/O與算法，在有限的團隊人數下快速開(kāi)發(fā)醫療設備，其原因主要分為3個(gè)方面：

1．大部分的領(lǐng)域專(zhuān)家——這里指醫生和生物醫學(xué)工程師——主要都擅長(cháng)于診斷、治療方式的改進(jìn)創(chuàng )新，而不是復雜的電子、機械或嵌入式解決方案。通過(guò)NI提供的無(wú)縫集成的軟硬件平臺，他們可以專(zhuān)注于診斷治療的技術(shù)本身，而不是底層的系統實(shí)現細節。

2．快速的功能原型驗證能夠在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)前期吸引下一輪的風(fēng)險投資。NI是少數幾家為快速原型提供解決方案的公司之一，針對快速構建系統原型提供了諸多的軟硬件特性。

3．人體產(chǎn)生的微弱信號需要足夠高的模擬采集精度，NI是基于PC測試測量的技術(shù)先鋒與領(lǐng)導者，提供了業(yè)界先進(jìn)的數據采集設備。

本文將主要介紹3家起步階段的公司基于LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行醫療設備設計的實(shí)例。

一、OptiMedica

OptiMedica公司基于NI圖形化開(kāi)發(fā)平臺開(kāi)發(fā)了診治糖尿病視網(wǎng)膜癥的新型激光治療儀。

激光治療主要是通過(guò)瞄準發(fā)射激光脈沖,封閉微血管瘤及不正常血管滲漏。由于手術(shù)的復雜性和精密性，近35年來(lái)這種激光瞄準發(fā)射都是由醫生手動(dòng)控制的?；?LabVIEW FPGA和NI R系列設備的革新性激光治療平臺，通過(guò)一個(gè)高精度、自動(dòng)化的控制系統，輔助醫生以一定的模式每次瞄準發(fā)射多個(gè)激光脈沖，從而加快手術(shù)的速度、減少療程數。

OptiMedica 的研發(fā)團隊具有一定的LabVIEW開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，為了縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和認證周期，他們決定使用LabVIEW FPGA和NI R系列智能數據采集設備，消除了板級設計、硬件驗證等大量工作。通過(guò)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境和商業(yè)化硬件平臺，開(kāi)發(fā)團隊快速有效地開(kāi)發(fā)出治療儀的原型系統，并成功地將系統功能展示給潛在的投資者。由于R系列設備中內置FPGA，這種硬件解決方案提高了系統的可靠性，而且更易于獲取FDA認證。使用可編程FPGA而非定制ASIC芯片將開(kāi)發(fā)時(shí)間減少了30%。

二、Sanarus Medical

Sanarus是一家醫療設備起步公司。他們計劃開(kāi)發(fā)一種革新型的手術(shù)設備Visica2治療系統(簡(jiǎn)稱(chēng) V2)，通過(guò)液氮冷凍殺死門(mén)診病人的腫瘤。V2設計目標是一種可放置在醫生的辦公室或者診所里使用的儀器。治療過(guò)程包括無(wú)痛的局部麻醉和實(shí)時(shí)-超聲定位病灶。治療處理持續時(shí)間約為10到20分鐘，通過(guò)一個(gè)小切口冷凍和殺死目標組織。術(shù)后病人也無(wú)需封針。

為了趕上產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)間表，開(kāi)發(fā)人員計劃四個(gè)月內開(kāi)發(fā)出V2系統工作原型。此外，根據投資人要求，他們還需盡快的生產(chǎn)V2以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。為設備編寫(xiě)固件并開(kāi)發(fā)一個(gè)定制的電路板周期很長(cháng)。一旦固件或者軟件層出現問(wèn)題將會(huì )導致額外的延遲，這對于保證整個(gè)項目的進(jìn)度是一個(gè)不利因素。由于V2是醫療儀器設備，它要求設備不可包含任何有損于系統性能的固件和軟件錯誤。如果設備不能通過(guò)510(k)認證所需的消耗性測試，整個(gè)項目就會(huì )失敗，并且V2不能投放市場(chǎng)?；谶@些要求，V2需要一個(gè)非?？煽康拈_(kāi)發(fā)方案。

開(kāi)發(fā)人員決定采用商業(yè)化嵌入式原型平臺CompactRIO來(lái)進(jìn)行項目開(kāi)發(fā)。 CompactRIO系統包含一個(gè)400 MHz的嵌入式微處理器，以太網(wǎng)控制器，以及背板上的3百萬(wàn)門(mén)FPGA。他們在嵌入式控制器中運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建和最終系統發(fā)布在編程模式上非常相似。在很短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)人員就用它設計和驗證了V2 的功能。使用CompactRIO的好處顯而易見(jiàn)——使用定制的方案需要數月的時(shí)間，而NI的方案只用了幾周時(shí)間。

此外，使用定制的固件，新的需求導致繁瑣的更新工作。使用CompactRIO的平臺，他們能夠不費力的修改代碼。比如，用戶(hù)交互需要使用觸摸屏而不是鍵盤(pán)和LED燈，于是開(kāi)發(fā)人員在Windows下使用LabVIEW開(kāi)發(fā)了觸摸屏控制程序。通過(guò)LabVIEW的共享變量技術(shù)，能夠簡(jiǎn)便地管理觸摸屏和 CompactRIO之間的數據傳遞。由于開(kāi)發(fā)平臺非常靈活，在有新的功能需求提出時(shí)，開(kāi)發(fā)進(jìn)程也沒(méi)有耽誤。

由于CompactRIO已經(jīng)通過(guò)EMC認證，這也保證了他們在原型驗證的時(shí)候無(wú)需考慮專(zhuān)門(mén)的EMC相關(guān)設計。

三、Fluidnet

據調研，護士有15%-60%的時(shí)間都用于靜脈輸液等事務(wù)，因此，Fluidnet和Boston Engineering基于LabVIEW嵌入式模塊開(kāi)發(fā)了一系列簡(jiǎn)單易用的輸液設備來(lái)解決醫院中護士不足的問(wèn)題。這種新的輸液設備更為精確安全，提供了很寬的可選流速范圍，而價(jià)格卻比現有的輸液設備低。

Fluidnet利用LabVIEW平臺和NI數據采集設備設計了第一個(gè)閉環(huán)控制輸液原型系統，具備專(zhuān)利的實(shí)時(shí)流量和自動(dòng)液量感應能力。在實(shí)際產(chǎn)品化階段，Fluidnet與NI系統聯(lián)盟商Boston Engineering合作，使用基于A(yíng)DI Blackfin處理器的FlexStack微型板開(kāi)發(fā)了最終的產(chǎn)品，由于LabVIEW嵌入式模塊可以對Blackfin處理器直接編程，并支持C代碼生成及優(yōu)化，這種圖形化的編程方式顯著(zhù)減少了代碼開(kāi)發(fā)工作量，加速了系統開(kāi)發(fā)的過(guò)程。此外，由于LabVIEW的開(kāi)放性，可以非常方便地為系統增加新的特性，比如Fluidnet為某些新型輸液設備加了RFID標簽以記錄識別藥液信息，護士可以通過(guò)藍牙遠程監控輸液泵的操作。

四、小結

LabVIEW 圖形化開(kāi)發(fā)平臺通過(guò)同時(shí)提供從算法設計、原型驗證到產(chǎn)品發(fā)布，從軟件調試、功能測試到生產(chǎn)檢測的統一環(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)品設計和開(kāi)發(fā)，減少循環(huán)開(kāi)發(fā)和代碼修正，從而加快了設計進(jìn)程。同時(shí)，通過(guò)NI商業(yè)化嵌入式原型平臺，研究人員可以快速的將專(zhuān)利或研究成果轉化成產(chǎn)品、并保證產(chǎn)品的可靠性和穩定性，從而縮短醫療電子設備的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

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