基于LabVIEW平台快速搭建医疗电子设备的原型

引言——医疗电子设备市场竞争激烈，快速构建原型系统是缩短开发时间的关键
21世纪是生命和健康的世纪，生命科学的飞速进步不断推动着人类对自身健康和疾病的认识，如何开发创新型的医疗电子设备也成为了研究的热点之一，其研究内容涉及众多工程学研究领域，如电子学、计算机、信息处理、光学、精密机械学等。随着医学的发展、治疗手段的多样化和相关工程领域技术的不断进步，医疗电子设备正变得日益复杂化，事实上很多大型医疗电子设备都由多个子系统组成，需要集成多种传感器、机械部件、电子元件比如FPGA或者微处理器等，还会涉及到多种专业总线和协议，其研发周期也是相当长，可能需要2-3年甚至更长的时间。于是，如何缩短整个医疗电子设备系统的开发时间、提高创新程度成为了占领市场的要素。
从另外一个角度看，对于大学、研究所或者公司的研发机构来说，他们必须着眼于未来的、有一定前瞻性和创新性的设备研发，因此这部分研发人员需要关注的是，如何快速地对一些算法或理论上的研究成果进行验证、并进一步搭建出实际的系统直至产品化，从而将自己的科研项目或专利产业化，获取更多支持以进入良性循环。
对于一些小型公司来说，如何从激烈的市场竞争中站稳脚跟并脱颖而出是非常困难的事情。他们的核心技术人员也许是生物医学领域的专家，掌握了一定的专利或研究成果，但如何在团队人员非常有限的情况下，快速的将专利或研究成果转化成产品、并保证产品的可靠性和稳定性是很大的难点。
综上所述，对于医疗电子设备的开发人员来说，系统本身在电子、机械、传感器等方面的复杂性以及市场竞争的需求，使得如何快速地对研究成果进行原型验证并产品化成为领先于市场的关键。
通过统一的平台快速构建原型系统
系统开发一般可以分为三个阶段：设计，原型验证、以及发布。设计主要是对产品本身以及其中牵涉到的算法、概念进行设计，原型验证是对设计的可行性进行验证或评估，发布是产品的最终实现。设计阶段的主要任务是由开发团队中生物医学、信号处理、图像处理方面的专家或研发人员使用文本数学工具来进行算法设计或系统设计，这一阶段的成果是指特定的、达到一定目的的算法。原型阶段的主要任务是在一定的硬件平台上实现设计算法并进行验证和评估，从而进一步调整算法，这部分任务通常由具有电子工程背景的嵌入式系统开发人员，在VxWorks、QNX、Linux等嵌入式操作系统上加以完成，他们所使用的软件工具是和硬件平台直接相关的，比如CCS, VHDL, VDSP++等。
一般情况下这两个阶段的开发人员和开发平台都是不同的，因此原型阶段的开发者必须无缝的将设计阶段的成果加以吸纳和转换，比如将原先的文本数学算法在嵌入式环境下用C重写一遍，或者根据硬件平台的选择将浮点算法改写成定点算法。如果系统需求需要修正或者算法设计有些错误，就会导致原型阶段的大量修正工作甚至返工。 因此，整个系统开发是一个循环递进的过程。
为了减少这两个阶段之间循环往复的次数，很多开发团队都采取了两边互相靠拢的方法，要求前端的算法设计人员对硬件和底层编程有一定了解，而后端的嵌入式系统开发人员也需要有一定的生物医学背景。这种方法一定程度上能够让两个阶段之间更好地进行沟通，但是对开发人员的要求较高，而且缺少系统性，随着医疗电子系统的日益复杂化，不能从根本上解决问题。
一种更为釜底抽薪的解决方案是将这两个阶段的工作移植到统一开发平台之中，即在一个开发平台下集成算法和硬件：一方面，在算法设计阶段引入硬件I/O进行前期的验证，可以在更早阶段发现并修正潜在的错误；另一方面，由于使用同样的开发环境，算法设计的代码可以在原型验证的过程中被重用，从而简化编程的复杂性，降低了对算法设计人员和嵌入式开发人员在系统设计流程中各个步骤的要求。从根本上加快循环递进的过程，从而缩短系统的开发时间。
使用图形化系统设计平台——LabVIEW快速搭建医疗电子设备的原型
自1986年诞生以来，LabVIEW图形化开发平台一直致力于简化编程的复杂性，在所有涉及到数据采集和控制的领域里，LabVIEW图形化编程方式都已经成为标准的开发工具。对于医疗电子设备的开发团队来说，LabVIEW提供了将硬件I/O引入算法设计的快捷方式，并通过代码重用和商业化、可发布的嵌入式原型平台，简化构建原型系统的复杂性。
交互式的算法设计，并支持已有算法的代码重用
在过去的几年里，LabVIEW已经扩展性地纳入了多种算法设计方式，从而更好地满足了研发设计人员的需求。除了强大的图形化编程方式以外， LabVIEW现还包括了基于文本的数学编程工具连续时间仿真、状态图和图形化数据流模式，用以代表各类算法。 LabVIEW还纳入了交互式工具，用于数字滤波器、控制模型、数字信号处理算法的开发，令医疗电子相关的算法设计更为简易。
以信号处理为例，信号处理是很多医疗电子系统中非常关键的部分，比如心电图、脑电图和其他生物信号与医学影像，都需要通过信号处理，提取出信号中的特征值，以得到进一步的分析结果。通过 LabVIEW 和相关的工具包，比如高级信号处理工具包和滤波器设计工具包，设计人员可以通过调用现成的函数 ，快速完成例如移除基线漂移、噪声消除、QRS检测、胎心信号提取等应用。通过交互式的快速VI，只要在菜单中对参数进行设置即可完成Kaiser 窗FIR 高通滤波器的设计，从而移除基线漂移。为了进一步处理，设计人员也可以调用高级信号处理工具包中的小波降躁函数来滤除宽带噪声。
对于例如胎心信号提取等较为复杂的处理，开发人员也可以通过LabVIEW中的ICA(独立分量分析)算法来加以研究应用。如图1所示，上半部分是采集到的母体和胎心的混合信号，下半部分是经过ICA处理后分离得到的胎心信号。
 
图1 胎心信号的提取
与此同时，开发人员也可以通过LabVIEW内置的文本数学工具重用已有的算法，例如使用Mathscript节点调用MATLAB中开发的.m文件，并通过LabVIEW的交互式环境对算法进行验证调试，从而与各种先进的数学和设计软件集成使用。
将硬件I/O引入算法设计, 在早期发现并修正潜在的问题
正如前文所提，如果系统需求需要修正或者算法设计存在错误，就会导致原型阶段的大量修正工作甚至返工。因此一种解决方案就是更早地将真实世界的信号和硬件引入到设计流程之中，从而在早期就发现并修正潜在的问题。
LabVIEW平台最明显的价值就是在算法设计和硬件I/O之间的建立一座桥梁。物理测量是与设计和仿真完全不同的挑战，要求与广泛的测量和控制硬件紧密集成，并以优化的性能处理大量的通道数或超高速吞吐量。LabVIEW平台经过不断演进，在物理测量领域提供无与匹敌的性能和灵活性，能够与几百种数据采集设备、上千种仪器无缝集成。
LabVIEW通过将I/O信号引入设计流程，并与各种先进的数学和设计软件集成使用，从而帮助工程师快速地将现实世界中的数据与理论模型进行比较，从而使交互式设计过程更快速，设计时间更短。
通过代码重用和商业化原型平台，快速构建原型系统
大多数嵌入式系统开发人员当前用原型评估板来进行系统的原型化，但是，原型板往往只具备少量的模拟和数字I/O通道，也很少支持视觉，运动或同步的功能。此外，设计师经常因为需要传感器或特殊I/O的支持而花费大量时间和开发资源来开发定制的原型板，而这些仅仅是为了设计概念的验证。为了简化这个过程，消除其中硬件验证和板级设计的大量工作，使用灵活的、商业化的原型平台成为越来越多嵌入式系统开发人员的选择。但是对于大多数系统来说，原型化平台必须包括最终发布系统的同样部件，比如用于执行算法的实时处理器、用于高速处理的可编程逻辑器件，或者将实时处理器接口到其他部件。因此，如果这个商业化的系统不能满足所有的要求，那么这个原型化平台就必须是可扩展的，并且支持自定义。NI提供了各种硬件平台与LabVIEW集成，完成从设计、原型到发布的全过程。例如使用LabVIEW和NI 可重复配置I/O（RIO）设备或NI CompactRIO平台，可以快速而便捷地创建医疗电子设备的原型。
快速构建原型系统的实例——液氮肿瘤治疗仪
Sanarus是一家医疗设备制造商。他们计划开发一种革新型的手术设备，以改善治疗良性肿瘤的方法。使用这种设备，医生通过液氮冷冻杀死门诊病人的肿瘤，这几乎是一个无痛的过程。这种方式与传统的用在住院病人身上的外科手术或者“观望”治疗有着显著的差别。
Visica2治疗系统(简称 V2)设计目标是一种可放置在医生的办公室或者诊所里使用的仪器。治疗过程包括无痛的局部麻醉和实时-超声定位病灶。治疗处理持续时间约为10到20分钟，通过一个小切口冷冻和杀死目标组织。术后病人也无需封针。
为了赶上产品发布的时间表，开发人员计划四个月内开发出V2系统工作原型。此外，根据投资人要求，他们还需尽快的生产V2以满足市场的需要。
为设备编写固件并开发一个定制的电路板周期很长。一旦固件或者软件层出现问题将会导致额外的延迟，这对于保证整个项目的进度是一个不利因素。由于V2是医疗仪器设备，它要求设备不可包含任何有损于系统性能的固件和软件错误。如果设备不能通过510(k)认证所需的消耗性测试，整个项目就会失败，并且V2不能投放市场。基于这些要求，V2需要一个非常可靠的开发方案。
 
图2 CompactRIO作为控制系统核心
Sanarus邀请NI公司的现场工程师参与方案讨论。他们很快地意识到因为兼有集成IO开发和编程的特性，CompactRIO是一个灵活的方案。CompactRIO系统包含一个400 MHz的嵌入式微处理器，以太网控制器，以及背板上的3百万 门FPGA，可以通过LabVIEW FPGA模块对背板上的FPGA进行编程，由于LabVIEW FPGA是一种图形化的编程环境，不需要VHDL的经验，他们的生物医学工程师就可以直接参与到编程工作中。他们在嵌入式控制器中运行液氮泵和纯阻性加热部件的控制算法，在FPGA中管理控制这些设备必要的输入/输出信号的接口，这种资源配置使得原型化构建和最终系统发布在编程模式上非常相似。在很短的时间内开发人员就用它设计和验证了V2的功能。使用CompactRIO的好处显而易见——使用定制的方案需要数月的时间，而NI的方案只用了几周时间。
此外，使用定制的固件，新的需求导致繁琐的更新工作。使用CompactRIO的平台，他们能够不费力的修改代码。比如，用户交互需要使用触摸屏而不是键盘和LED灯，于是开发人员在Windows下使用LabVIEW开发了触摸屏控制程序。通过LabVIEW的共享变量技术，能够简便地管理触摸屏和CompactRIO之间的数据传递。由于开发平台非常灵活，在有新的功能需求提出时，开发进程也没有耽误。
由于CompactRIO已经通过EMC认证，这也保证了他们在原型验证的时候无需考虑专门的EMC相关设计。
 
图3 V2系统的操作界面
经过长时间的研究表明，他们的设备能非常有效的杀死普通肿瘤，并且遍布美国都有指定的医疗中心使用V2系统。通过NI 图形化开发平台，开发人员能够为V2快速有效地开发嵌入式控制系统，提供友好的图形化界面兼有最优秀的品质，并且最终确保为医疗中心的病人提供安全可靠的医治服务。

总结
LabVIEW图形化开发平台通过同时提供从算法设计、原型验证到产品发布，从软件调试、功能测试到生产检测的统一环境，使得工程师和研发人员可以在同一平台上进行产品设计和开发，减少循环开发和代码修正，从而加快了设计进程。同时，通过CompactRIO嵌入式原型平台，研究人员可以快速的将专利或研究成果转化成产品、并保证产品的可靠性和稳定性，从而缩短医疗电子设备的开发时间。
‘NI为实现我们的目标提供了基础的部分。使用NI提供的图形化设计平台使我们产品的设计、原型验证和最终的开发紧密衔接。’                                                   Jeff Stevens –  V2开发人员