基于NI LabVIEW平臺(tái)快速開(kāi)發(fā)醫(yī)療電子設(shè)備

　　針對(duì)醫(yī)療設(shè)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(duì)醫(yī)療設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)投資幾乎翻倍，2007年更是達(dá)到了40億美元。無(wú)論從全球角度還是在中國(guó)市場(chǎng)，小型的、未上市的醫(yī)療設(shè)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(duì)于這些小型公司來(lái)說(shuō)，如何從激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(zhuān)家，掌握了一定的專(zhuān)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(zhuān)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)。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(tái)，領(lǐng)域?qū)＜一蜓邪l(fā)人員可以無(wú)縫集成硬件I/O與算法，在有限的團(tuán)隊(duì)人數(shù)下快速開(kāi)發(fā)醫(yī)療設(shè)備，其原因主要分為3個(gè)方面：

　　1．大部分的領(lǐng)域?qū)＜?mdash;—這里指醫(yī)生和生物醫(yī)學(xué)工程師——主要都擅長(zhǎng)于診斷、治療方式的改進(jìn)創(chuàng)新，而不是復(fù)雜的電子、機(jī)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(tái)，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(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

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

　　3．人體產(chǎn)生的微弱信號(hào)需要足夠高的模擬采集精度，NI是基于PC測(cè)試測(cè)量的技術(shù)先鋒與領(lǐng)導(dǎo)者，提供了業(yè)界先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(tái)進(jìn)行醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的實(shí)例。

OptiMedica

　　OptiMedica公司基于NI圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(zhǔn)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(fù)雜性和精密性，近35年來(lái)這種激光瞄準(zhǔn)發(fā)射都是由醫(yī)生手動(dòng)控制的。基于LabVIEW FPGA和NI R系列設(shè)備的革新性激光治療平臺(tái)，通過(guò)一個(gè)高精度、自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，輔助醫(yī)生以一定的模式每次瞄準(zhǔn)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(shù)。

Figure 1. The PASCAL Photocoagulator from OptiMedica was prototyped and deployed using LabVIEW and LabVIEW FPGA on a NI R Series intelligent DAQ device.

　　OptiMedica的研發(fā)團(tuán)隊(duì)具有一定的LabVIEW開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為了縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和認(rèn)證周期，他們決定使用LabVIEW FPGA和NI R系列智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，消除了板級(jí)設(shè)計(jì)、硬件驗(yàn)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(tái)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)快速有效地開(kāi)發(fā)出治療儀的原型系統(tǒng)，并成功地將系統(tǒng)功能展示給潛在的投資者。由于R系列設(shè)備中內(nèi)置FPGA，這種硬件解決方案提高了系統(tǒng)的可靠性，而且更易于獲取FDA認(rèn)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%。

Sanarus Medical

　　Sanarus是一家醫(yī)療設(shè)備起步公司。他們計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種革新型的手術(shù)設(shè)備Visica2治療系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng) V2)，通過(guò)液氮冷凍殺死門(mén)診病人的腫瘤。V2設(shè)計(jì)目標(biāo)是一種可放置在醫(yī)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(xù)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(biāo)組織。術(shù)后病人也無(wú)需封針。

Figure 2. The Visica 2 from Sanarus Medical was prototyped and deployed using LabVIEW and the CompactRIO embedded platform.

　　為了趕上產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)間表，開(kāi)發(fā)人員計(jì)劃四個(gè)月內(nèi)開(kāi)發(fā)出V2系統(tǒng)工作原型。此外，根據(jù)投資人要求，他們還需盡快的生產(chǎn)V2以滿足市場(chǎng)的需要。為設(shè)備編寫(xiě)固件并開(kāi)發(fā)一個(gè)定制的電路板周期很長(zhǎng)。一旦固件或者軟件層出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致額外的延遲，這對(duì)于保證整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度是一個(gè)不利因素。由于V2是醫(yī)療儀器設(shè)備，它要求設(shè)備不可包含任何有損于系統(tǒng)性能的固件和軟件錯(cuò)誤。如果設(shè)備不能通過(guò)510(k)認(rèn)證所需的消耗性測(cè)試，整個(gè)項(xiàng)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(tái)CompactRIO來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。CompactRIO系統(tǒng)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?cè)谇度胧娇刂破髦羞\(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(hào)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。在很短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)人員就用它設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(shù)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(dǎo)致繁瑣的更新工作。使用CompactRIO的平臺(tái)，他們能夠不費(fèi)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(shù)據(jù)傳遞。由于開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(rèn)證，這也保證了他們?cè)谠万?yàn)證的時(shí)候無(wú)需考慮專(zhuān)門(mén)的EMC相關(guān)設(shè)計(jì)。

Fluidnet

　　據(jù)調(diào)研，護(hù)士有15%-60%的時(shí)間都用于靜脈輸液等事務(wù)，因此，F(xiàn)luidnet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(shè)備來(lái)解決醫(yī)院中護(hù)士不足的問(wèn)題。這種新的輸液設(shè)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(xiàn)有的輸液設(shè)備低。

　　Fluidnet利用LabVIEW平臺(tái)和NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計(jì)了第一個(gè)閉環(huán)控制輸液原型系統(tǒng)，具備專(zhuān)利的實(shí)時(shí)流量和自動(dòng)液量感應(yīng)能力。在實(shí)際產(chǎn)品化階段，F(xiàn)luidnet與NI系統(tǒng)聯(lián)盟商Boston Engineering合作，使用基于ADI 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(duì)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減少了代碼開(kāi)發(fā)工作量，加速了系統(tǒng)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(tǒng)增加新的特性，比如Fluidnet為某些新型輸液設(shè)備加了RFID標(biāo)簽以記錄識(shí)別藥液信息，護(hù)士可以通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程監(jiān)控輸液泵的操作。

Figure 3. This infusion pump from Fluidnet was prototyped using LabVIEW software and DAQ devices and deployed using the LabVIEW Embedded Module for ADI Blackfin Processors.

結(jié)語(yǔ)

　　LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)通過(guò)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(cè)試到生產(chǎn)檢測(cè)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(tái)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)進(jìn)程。同時(shí)，通過(guò)NI商業(yè)化嵌入式原型平臺(tái)，研究人員可以快速的將專(zhuān)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(kāi)發(fā)時(shí)間。