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

    　1．大部分的領(lǐng)域?qū)＜摇@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NI提供的無縫集成的軟硬件平臺(tái)，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(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圖形化開發(fā)平臺(tái)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(dòng)控制的?；贚abVIEW FPGA和NI R系列設(shè)備的革新性激光治療平臺(tái)，通過一個(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開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，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(jí)設(shè)計(jì)、硬件驗(yàn)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(tái)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(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)劃開發(fā)一種革新型的手術(shù)設(shè)備Visica2治療系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱 V2)，通過液氮冷凍殺死門診病人的腫瘤。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。治療過程包括無痛的局部麻醉和實(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，通過一個(gè)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(shí)間表，開發(fā)人員計(jì)劃四個(gè)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(chǎng)的需要。為設(shè)備編寫固件并開發(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_發(fā)方案。 

    　開發(fā)人員決定采用商業(yè)化嵌入式原型平臺(tái)CompactRIO來進(jìn)行項(xiàng)目開發(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3百萬門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——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(jiǎn)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(tái)非常靈活，在有新的功能需求提出時(shí)，開發(fā)進(jìn)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?cè)谠万?yàn)證的時(shí)候無需考慮專門的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嵌入式模塊開發(fā)了一系列簡(jiǎn)單易用的輸液設(shè)備來解決醫(yī)院中護(hù)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(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(shí)別藥液信息，護(hù)士可以通過藍(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. 

小結(jié)

（轉(zhuǎn)載）