基于NI LabVIEW平臺快速開發醫療電子設備

　　針對醫療設備行業的投資最近幾年一直處于上升階段，在過去兩年，針對醫療設備的風險投資幾乎翻倍，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、未上市的醫療設備制造商在具備產品、市場和創新的元素下，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腳跟并脫穎而出是非常困難的事情。他們的核心技術人員也許是生物醫學領域的專家，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化成產品、并保證產品的可靠性和穩定性是很大的難點。通過NI所提供的圖形化開發環境LabVIEW和商業化嵌入式原型平臺，領域專家或研發人員可以無縫集成硬件I/O與算法，在有限的團隊人數下快速開發醫療設備，其原因主要分為3個方面：

　　1．大部分的領域專家——這里指醫生和生物醫學工程師——主要都擅長于診斷、治療方式的改進創新，而不是復雜的電子、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本身，而不是底層的系統實現細節。

　　2．快速的功能原型驗證能夠在產品的開發前期吸引下一輪的風險投資。NI是少數幾家為快速原型提供解決方案的公司之一，針對快速構建系統原型提供了諸多的軟硬件特性。

　　3．人體產生的微弱信號需要足夠高的模擬采集精度，NI是基于PC測試測量的技術先鋒與領導者，提供了業界先進的數據采集設備。

　　本文將主要介紹3家起步階段的公司基于LabVIEW圖形化開發平臺進行醫療設備設計的實例。

OptiMedica

　　OptiMedica公司基于NI圖形化開發平臺開發了診治糖尿病視網膜癥的新型激光治療儀。激光治療主要是通過瞄準發射激光脈沖,封閉微血管瘤及不正常血管滲漏。由于手術的復雜性和精密性，近35年來這種激光瞄準發射都是由醫生手動控制的。基于LabVIEW FPGA和NI R系列設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，輔助醫生以一定的模式每次瞄準發射多個激光脈沖，從而加快手術的速度、減少療程數。

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的研發團隊具有一定的LabVIEW開發經驗，為了縮短產品開發和認證周期，他們決定使用LabVIEW FPGA和NI R系列智能數據采集設備，消除了板級設計、硬件驗證等大量工作。通過圖形化開發環境和商業化硬件平臺，開發團隊快速有效地開發出治療儀的原型系統，并成功地將系統功能展示給潛在的投資者。由于R系列設備中內置FPGA，這種硬件解決方案提高了系統的可靠性，而且更易于獲取FDA認證。使用可編程FPGA而非定制ASIC芯片將開發時間減少了30%。

Sanarus Medical

　　Sanarus是一家醫療設備起步公司。他們計劃開發一種革新型的手術設備Visica2治療系統(簡稱 V2)，通過液氮冷凍殺死門診病人的腫瘤。V2設計目標是一種可放置在醫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。治療處理持續時間約為10到20分鐘，通過一個小切口冷凍和殺死目標組織。術后病人也無需封針。

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

　　為了趕上產品發布的時間表，開發人員計劃四個月內開發出V2系統工作原型。此外，根據投資人要求，他們還需盡快的生產V2以滿足市場的需要。為設備編寫固件并開發一個定制的電路板周期很長。一旦固件或者軟件層出現問題將會導致額外的延遲，這對于保證整個項目的進度是一個不利因素。由于V2是醫療儀器設備，它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。如果設備不能通過510(k)認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。基于這些要求，V2需要一個非常可靠的開發方案。

　　開發人員決定采用商業化嵌入式原型平臺CompactRIO來進行項目開發。CompactRIO系統包含一個400 MHz的嵌入式微處理器，以太網控制器，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布在編程模式上非常相似。在很短的時間內開發人員就用它設計和驗證了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，于是開發人員在Windows下使用LabVIEW開發了觸摸屏控制程序。通過LabVIEW的共享變量技術，能夠簡便地管理觸摸屏和CompactRIO之間的數據傳遞。由于開發平臺非常靈活，在有新的功能需求提出時，開發進程也沒有耽誤。

　　由于CompactRIO已經通過EMC認證，這也保證了他們在原型驗證的時候無需考慮專門的EMC相關設計。

Fluidnet

　　據調研，護士有15%-60%的時間都用于靜脈輸液等事務，因此，Fluidnet和Boston Engineering基于LabVIEW嵌入式模塊開發了一系列簡單易用的輸液設備來解決醫院中護士不足的問題。這種新的輸液設備更為精確安全，提供了很寬的可選流速范圍，而價格卻比現有的輸液設備低。

　　Fluidnet利用LabVIEW平臺和NI數據采集設備設計了第一個閉環控制輸液原型系統，具備專利的實時流量和自動液量感應能力。在實際產品化階段，Fluidnet與NI系統聯盟商Boston Engineering合作，使用基于ADI Blackfin處理器的FlexStack微型板開發了最終的產品，由于LabVIEW嵌入式模塊可以對Blackfin處理器直接編程，并支持C代碼生成及優化，這種圖形化的編程方式顯著減少了代碼開發工作量，加速了系統開發的過程。此外，由于LabVIEW的開放性，可以非常方便地為系統增加新的特性，比如Fluidnet為某些新型輸液設備加了RFID標簽以記錄識別藥液信息，護士可以通過藍牙遠程監控輸液泵的操作。

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.

結語

　　LabVIEW圖形化開發平臺通過同時提供從算法設計、原型驗證到產品發布，從軟件調試、功能測試到生產檢測的統一環境，使得工程師和研發人員可以在同一平臺上進行產品設計和開發，減少循環開發和代碼修正，從而加快了設計進程。同時，通過NI商業化嵌入式原型平臺，研究人員可以快速的將專利或研究成果轉化成產品、并保證產品的可靠性和穩定性，從而縮短醫療電子設備的開發時間。