基于LabVIEW快速搭建医疗设备原型

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研究的热点之一。

 

医疗设备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。一般大型医疗设备由多个子系统组成，需要集成多种传感器、机械部件、电子元件，如FPGA或微处理器等，还会涉及到多种专业总线和协议，其研发周期也相当长，可能需要2年~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、提高创新程度便成为占领市场的要素。

 

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。因此在竞争激烈的医疗电子市场，实现快速原型构建是关键。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。

 

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。

 

 

系统开发一般可以分为设计、原型验证、发布三个阶段。设计阶段主要针对产品本身以及其中牵涉到的算法、概念；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和数学工具进行算法或系统设计。原型验证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，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地将设计阶段的成果加以吸纳和转换，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。

 

LabVIEW图形化开发平台自1986年诞生以来一直致力于简化编程的复杂性，其图形化编程方式也已成为标准的开发工具。对于医疗电子的开发来说，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。

 

 

过去几年中，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、状态图和图形化控制设计仿真等模式，用以代表各类算法和应用。同时，用于数字滤波器、控制模型、数字信号处理算法开发的交互式工具的引入令医疗电子相关的算法设计更为简易。

 

信号处理是很多医疗电子系统中非常关键的部分，通过 LabVIEW 和相关的工具包，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、信号提取等应用。通过交互式的快速VI（Virtual Instrument），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，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。

 

 

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。

 

通过引入硬件I/O发现并修正潜在问题

 

如前文所述，如果系统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之间建立一座桥梁。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。

 

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通道的数据或超高速吞吐。LabVIEW经过不断演进，在物理测量领域提供极高的性能和灵活性，能够与几百种数据采集设备和上千种仪器无缝集成。

 

 

大多数嵌入式系统开发人员当前用原型评估板进行系统的原型化，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、运动或同步等功能。此外，仅仅为了设计概念的验证，设计人员却经常因为需要特殊传感器或支持特殊I/O而花费大量时间和开发资源来开发定制的原型板。

 

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相同部件，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连接到其他部件。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、原型验证到发布的全过程。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。

 

 

医疗设备制造商Sanarus计划开发一种革新型手术设备Visica2（简称V2），实现的治疗过程包括无痛的局麻、实时超声病灶定位和微创手术。为赶上产品发布的时间表，开发人员计划四个月内开发出系统工作原型。此外，根据投资人要求，还需尽快实现生产以满足市场的需要。

 

一般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从而影响项目进度。此外由于V2是医疗仪器设备，就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；如果不能通过510(k)认证所需的消耗性测试，整个项目就会失败。基于这些要求，需要一个非常可靠的开发方案。

 

因为兼有集成I/O开发和编程的特性，CompactRIO被认为是一个灵活的方案。CompactRIO系统包含一个400 MHz微处理器、以太网控制器，以及背板上的300万门FPGA，可以通过LabVIEW FPGA模块对背板的FPGA进行编程。由于LabVIEW FPGA是一种图形化的编程环境，生物医学工程师无需VHDL的经验就可以直接参与到编程工作中。他们可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。CompactRIO的好处显而易见，使用定制的方案需要数月时间，而NI的方案只用了几周。

 

此外，如果使用定制的固件，一旦出现新的需求将导致繁琐的更新工作。采用CompactRIO平台后，代码修改变得十分轻松。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。此外，由于CompactRIO已经通过EMC认证，这也保证了在原型验证的时候无需考虑专门的EMC相关设计。

 

 

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。