基于NI LabVIEW平臺快速開發(fā)醫(yī)療電子設(shè)備

　　針對醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的投資最近幾年一直處于上升階段，在過去兩年，針對醫(yī)療設(shè)備的風(fēng)險投資幾乎翻倍，2007年更是達到了40億美元。無論從全球角度還是在中國市場，小型的、未上市的醫(yī)療設(shè)備制造商在具備產(chǎn)品、市場和創(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，但如何在團隊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。通過NI所提供的圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW和商業(yè)化嵌入式原型平臺，領(lǐng)域?qū)＜一蜓邪l(fā)人員可以無縫集成硬件I/O與算法，在有限的團隊人數(shù)下快速開發(fā)醫(yī)療設(shè)備，其原因主要分為3個方面：

　　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——主要都擅長于診斷、治療方式的改進創(chuàng)新，而不是復(fù)雜的電子、機械或嵌入式解決方案。通過NI提供的無縫集成的軟硬件平臺，他們可以專注于診斷治療的技術(shù)本身，而不是底層的系統(tǒng)實現(xiàn)細節(jié)。

　　2．快速的功能原型驗證能夠在產(chǎn)品的開發(fā)前期吸引下一輪的風(fēng)險投資。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(dǎo)者，提供了業(yè)界先進的數(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圖形化開發(fā)平臺進行醫(yī)療設(shè)備設(shè)計的實例。

OptiMedica

　　OptiMedica公司基于NI圖形化開發(fā)平臺開發(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年來這種激光瞄準(zhǔn)發(fā)射都是由醫(yī)生手動控制的。基于LabVIEW FPGA和NI R系列設(shè)備的革新性激光治療平臺，通過一個高精度、自動化的控制系統(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)團隊具有一定的LabVIEW開發(fā)經(jīng)驗，為了縮短產(chǎn)品開發(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，消除了板級設(shè)計、硬件驗證等大量工作。通過圖形化開發(fā)環(huán)境和商業(yè)化硬件平臺，開發(fā)團隊快速有效地開發(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芯片將開發(fā)時間減少了30%。

Sanarus Medical

　　Sanarus是一家醫(yī)療設(shè)備起步公司。他們計劃開發(fā)一種革新型的手術(shù)設(shè)備Visica2治療系統(tǒng)(簡稱 V2)，通過液氮冷凍殺死門診病人的腫瘤。V2設(shè)計目標(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。治療過程包括無痛的局部麻醉和實時-超聲定位病灶。治療處理持續(xù)時間約為10到20分鐘，通過一個小切口冷凍和殺死目標(biāo)組織。術(shù)后病人也無需封針。

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)布的時間表，開發(fā)人員計劃四個月內(nèi)開發(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以滿足市場的需要。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，這對于保證整個項目的進度是一個不利因素。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誤。如果設(shè)備不能通過510(k)認(rèn)證所需的消耗性測試，整個項目就會失敗，并且V2不能投放市場?；谶@些要求，V2需要一個非?？煽康拈_發(fā)方案。

　　開發(fā)人員決定采用商業(yè)化嵌入式原型平臺CompactRIO來進行項目開發(fā)。CompactRIO系統(tǒng)包含一個400 MHz的嵌入式微處理器，以太網(wǎng)控制器，以及背板上的3百萬門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(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。在很短的時間內(nèi)開發(fā)人員就用它設(shè)計和驗證了V2的功能。使用CompactRIO的好處顯而易見——使用定制的方案需要數(shù)月的時間，而NI的方案只用了幾周時間。

　　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，他們能夠不費力的修改代碼。比如，用戶交互需要使用觸摸屏而不是鍵盤和LED燈，于是開發(fā)人員在Windows下使用LabVIEW開發(fā)了觸摸屏控制程序。通過LabVIEW的共享變量技術(shù)，能夠簡便地管理觸摸屏和CompactRIO之間的數(shù)據(jù)傳遞。由于開發(fā)平臺非常靈活，在有新的功能需求提出時，開發(fā)進程也沒有耽誤。

　　由于CompactRIO已經(jīng)通過EMC認(rèn)證，這也保證了他們在原型驗證的時候無需考慮專門的EMC相關(guān)設(shè)計。

Fluidnet

　　據(jù)調(diào)研，護士有15%-60%的時間都用于靜脈輸液等事務(wù)，因此，F(xiàn)luidnet和Boston Engineering基于LabVIEW嵌入式模塊開發(fā)了一系列簡單易用的輸液設(shè)備來解決醫(yī)院中護士不足的問題。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，而價格卻比現(xiàn)有的輸液設(shè)備低。

　　Fluidnet利用LabVIEW平臺和NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計了第一個閉環(huán)控制輸液原型系統(tǒng)，具備專利的實時流量和自動液量感應(yīng)能力。在實際產(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減少了代碼開發(fā)工作量，加速了系統(tǒng)開發(fā)的過程。此外，由于LabVIEW的開放性，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)簽以記錄識別藥液信息，護士可以通過藍牙遠程監(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

　　LabVIEW圖形化開發(fā)平臺通過同時提供從算法設(shè)計、原型驗證到產(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行產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)，減少循環(huán)開發(fā)和代碼修正，從而加快了設(shè)計進程。同時，通過NI商業(yè)化嵌入式原型平臺，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)時間。