基于LabVIEW快速搭建醫療設備

21世紀是生命和健康的世紀，生命科學(xué)的飛速進(jìn)步不斷推動(dòng)著(zhù)人類(lèi)對自身健康和疾病的認識，如何開(kāi)發(fā)創(chuàng )新型的醫療電子設備也成為研究的熱點(diǎn)之一。

醫療設備研究?jì)热萆婕氨姸喙こ虒W(xué)研究領(lǐng)域，如電子學(xué)、計算機、信息處理、光學(xué)、精密機械學(xué)等。隨著(zhù)醫學(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，醫療電子設備正變得日益復雜化。一般大型醫療設備由多個(gè)子系統組成，需要集成多種傳感器、機械部件、電子元件，如FPGA或微處理器等，還會(huì )涉及到多種專(zhuān)業(yè)總線(xiàn)和協(xié)議，其研發(fā)周期也相當長(cháng)，可能需要2年~3年甚至更長(cháng)的時(shí)間。于是，如何縮短整個(gè)醫療電子設備系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高創(chuàng )新程度便成為占領(lǐng)市場(chǎng)的要素。

對于一些小型公司來(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)。因此在競爭激烈的醫療電子市場(chǎng)，實(shí)現快速原型構建是關(guān)鍵。從另外一個(gè)角度看，對于大學(xué)、研究所或者公司的研發(fā)機構來(lái)說(shuō)，他們必須著(zhù)眼于未來(lái)的、有一定前瞻性和創(chuàng )新性的設備研發(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)行驗證、并進(jìn)一步搭建出實(shí)際的系統直至產(chǎn)品化，從而將自己的科研項目或專(zhuān)利產(chǎn)業(yè)化，獲取更多支持以進(jìn)入良性循環(huán)。

綜上所述，對于醫療電子設備的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，系統本身在電子、機械、傳感器等方面的復雜性以及市場(chǎng)競爭的需求，使得如何快速地對研究成果進(jìn)行原型驗證并產(chǎn)品化成為領(lǐng)先于市場(chǎng)的關(guān)鍵。

通過(guò)統一的平臺快速構建原型系統

系統開(kāi)發(fā)一般可以分為設計、原型驗證、發(fā)布三個(gè)階段。設計階段主要針對產(chǎn)品本身以及其中牽涉到的算法、概念；原型驗證是對設計的可行性進(jìn)行驗證或評估；發(fā)布是產(chǎn)品的最終實(shí)現。設計階段的主要任務(wù)是由開(kāi)發(fā)團隊中生物醫學(xué)、信號處理、圖像處理方面的專(zhuān)家或研發(fā)人員使用文本和數學(xué)工具進(jìn)行算法或系統設計。原型驗證階段的主要任務(wù)是在一定的硬件平臺上實(shí)現設計算法并進(jìn)行驗證和評估，從而進(jìn)一步調整算法，這部分任務(wù)通常由具有電子工程背景的嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員，在 VxWorks、QNX、Linux等嵌入式操作系統上加以完成，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(gè)階段的開(kāi)發(fā)人員和開(kāi)發(fā)平臺都是不同的，因此原型階段的開(kāi)發(fā)者必須無(wú)縫地將設計階段的成果加以吸納和轉換，如果系統需求需要修正或者算法設計有些錯誤，就會(huì )導致原型階段的大量修正工作甚至返工。 因此，整個(gè)系統開(kāi)發(fā)是一個(gè)循環(huán)遞進(jìn)的過(guò)程。

為了減少這兩個(gè)階段之間循環(huán)往復的次數，很多開(kāi)發(fā)團隊都采取了兩邊互相靠攏的方法，要求前端的算法設計人員對硬件和底層編程有一定了解，而后端的嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員也需要有一定的生物醫學(xué)背景。這種方法一定程度上能夠讓兩個(gè)階段之間更好地進(jìn)行溝通，但是對開(kāi)發(fā)人員的要求較高，而且缺少系統性，隨著(zhù)醫療電子系統的日益復雜化，不能從根本上解決問(wèn)題。

一種更為釜底抽薪的解決方案是將這兩個(gè)階段的工作移植到統一開(kāi)發(fā)平臺之中，即在一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺下集成算法和硬件：一方面，在算法設計階段引入硬件I/O進(jìn)行前期的驗證，可以在更早階段發(fā)現并修正潛在的錯誤；另一方面，由于使用同樣的開(kāi)發(fā)環(huán)境，算法設計的代碼可以在原型驗證的過(guò)程中被重用，從而簡(jiǎn)化編程的復雜性，降低了對算法設計人員和嵌入式開(kāi)發(fā)人員的要求，從根本上加快循環(huán)遞進(jìn)的過(guò)程，從而縮短系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

LabVIEW：快速搭建醫療電子原型的圖形化平臺

LabVIEW 圖形化開(kāi)發(fā)平臺自1986年誕生以來(lái)一直致力于簡(jiǎn)化編程的復雜性，其圖形化編程方式也已成為標準的開(kāi)發(fā)工具。對于醫療電子的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，LabVIEW提供了將硬件I/O引入算法設計的快捷方式，并通過(guò)代碼重用和商業(yè)化、可發(fā)布的嵌入式原型平臺，簡(jiǎn)化構建原型系統的復雜性。
交互式算法設計 重視代碼重用

過(guò)去幾年中，LabVIEW已經(jīng)擴展性地納入了多種算法設計方式，從而更好地滿(mǎn)足了研發(fā)設計人員的需求。除了強大的圖形化編程方式以外，LabVIEW現還包括了基于文本的數學(xué)編程工具、連續時(shí)間仿真、狀態(tài)圖和圖形化控制設計仿真等模式，用以代表各類(lèi)算法和應用。同時(shí)，用于數字濾波器、控制模型、數字信號處理算法開(kāi)發(fā)的交互式工具的引入令醫療電子相關(guān)的算法設計更為簡(jiǎn)易。

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

對于例如胎心信號提取等較為復雜的處理，開(kāi)發(fā)人員也可以通過(guò)LabVIEW中的ICA（獨立分量分析）算法來(lái)加以研究應用。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(guò)ICA處理后分離得到的胎心信號。

與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員也可以通過(guò)LabVIEW內置的文本數學(xué)工具重用已有的算法，例如使用Mathscript節點(diǎn)調用MATLAB中開(kāi)發(fā)的.m文件，并通過(guò)LabVIEW的交互式環(huán)境對算法進(jìn)行驗證調試，從而與各種先進(jìn)的數學(xué)和設計軟件集成使用。

通過(guò)引入硬件I/O發(fā)現并修正潛在問(wèn)題

如前文所述，如果系統需要修正或者算法設計存在錯誤，就會(huì )導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計流程中，從而在早期就發(fā)現并修正潛在的問(wèn)題。

LabVIEW平臺最明顯的價(jià)值就是在算法設計和硬件I/O之間建立一座橋梁。LabVIEW通過(guò)將I/O信號引入設計流程，并與各種先進(jìn)的數學(xué)和設計軟件集成使用，從而幫助工程師快速地將現實(shí)世界中的數據與理論模型進(jìn)行比較，從而使交互式設計過(guò)程更快速，設計時(shí)間更短。

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

通過(guò)代碼重用和商業(yè)化平臺快速構建原型

大多數嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員當前用原型評估板進(jìn)行系統的原型化，但是，原型板往往只具備少量的模擬和數字I/O通道，也很少支持視覺(jué)、運動(dòng)或同步等功能。此外，僅僅為了設計概念的驗證，設計人員卻經(jīng)常因為需要特殊傳感器或支持特殊I/O而花費大量時(shí)間和開(kāi)發(fā)資源來(lái)開(kāi)發(fā)定制的原型板。

為了簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，消除其中硬件驗證和板級設計的大量工作，使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺成為越來(lái)越多嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員的選擇。但是對于大多數系統來(lái)說(shuō)，原型化平臺必須包括最終發(fā)布系統的相同部件，如用于執行算法的實(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(gè)商業(yè)化的系統不能滿(mǎn)足所有的要求，那么這個(gè)原型化平臺就必須是可擴展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設計、原型驗證到發(fā)布的全過(guò)程。例如使用LabVIEW和NI 可重復配置I/O（RIO）設備或NI CompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng )建醫療電子設備的原型。

快速原型構建實(shí)例：液氮腫瘤治療儀

醫療設備制造商Sanarus計劃開(kāi)發(fā)一種革新型手術(shù)設備Visica2（簡(jiǎn)稱(chēng)V2），實(shí)現的治療過(guò)程包括無(wú)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(kāi)發(fā)人員計劃四個(gè)月內開(kāi)發(fā)出系統工作原型。此外，根據投資人要求，還需盡快實(shí)現生產(chǎn)以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。

一般為設備編寫(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 )導致額外的延遲從而影響項目進(jìn)度。此外由于V2是醫療儀器設備，就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?；谶@些要求，需要一個(gè)非?？煽康拈_(kāi)發(fā)方案。

因為兼有集成I/O開(kāi)發(fā)和編程的特性，CompactRIO被認為是一個(gè)靈活的方案。 CompactRIO系統包含一個(gè)400 MHz微處理器、以太網(wǎng)控制器，以及背板上的300萬(wàn)門(mén)FPGA，可以通過(guò)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，生物醫學(xué)工程師無(wú)需VHDL的經(jīng)驗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。 CompactRIO的好處顯而易見(jiàn)，使用定制的方案需要數月時(shí)間，而NI的方案只用了幾周。

此外，如果使用定制的固件，一旦出現新的需求將導致繁瑣的更新工作。采用CompactRIO平臺后，代碼修改變得十分輕松。由于開(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。此外，由于CompactRIO已經(jīng)通過(guò)EMC認證，這也保證了在原型驗證的時(shí)候無(wú)需考慮專(zhuān)門(mén)的EMC相關(guān)設計。

總結

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)CompactRIO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。