快速構(gòu)建醫(yī)療電子設(shè)備的挑戰(zhàn)

      近年來， 生命科學(xué)以及醫(yī)療電子的飛速進步帶動了醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷的創(chuàng)新，新的醫(yī)療方法使人們對于自身健康的認(rèn)識以及對戰(zhàn)勝疾病的渴望不斷提高，為求達(dá)到更好的治療效果，如何開發(fā)創(chuàng)新型的醫(yī)療電子設(shè)備也成為了研究的熱點之一。但因為醫(yī)療電子設(shè)備的研究內(nèi)容涉及眾多工程學(xué)研究領(lǐng)域，如電子學(xué)、計算機、信息處理、光學(xué)、精密機械學(xué)等。其獨特的跨領(lǐng)域特性在治療手段的不斷多樣化、治療效果的高指標(biāo)要求下，使得醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計正變得日益復(fù)雜，也不斷的要求研發(fā)人員能夠通曉從醫(yī)學(xué)理論、電子設(shè)計、計算機編程等跨學(xué)科領(lǐng)域，當(dāng)然，這樣的人才可謂是鳳毛麟角。而事實上，更多的情況是要求大學(xué)、研究所或者公司的研發(fā)機構(gòu)能夠真正著眼于未來的、有一定前瞻性和創(chuàng)新性的醫(yī)療技術(shù)，而非底層的電子設(shè)計工藝與代碼編程技術(shù)。在這種情況下，如何采用商業(yè)軟件的來降低設(shè)計的復(fù)雜性，從而更專注于醫(yī)療技術(shù)上的創(chuàng)新性研究則顯得尤為重要。

     另外，不僅僅是設(shè)計階段需要簡化開發(fā)的復(fù)雜性，在產(chǎn)品實施與驗證階段，也同樣存在這方面的需求。研發(fā)人員需要關(guān)注的是，如何快速地對一些算法或理論上的研究成果進行驗證、并進一步搭建出實際的系統(tǒng)直至產(chǎn)品化，從而將自己的科研項目或?qū)＠�產(chǎn)業(yè)化，所以，快速連接設(shè)計與產(chǎn)品原型化這兩個階段，使得設(shè)計階段的成果能夠直接為產(chǎn)品原型化所應(yīng)用，從而不需要進行任何的轉(zhuǎn)換；如何將原型化所發(fā)現(xiàn)的問題反饋至設(shè)計部門，快速調(diào)整設(shè)計并重新原型化等等，這些方面都成為目前醫(yī)療電子產(chǎn)品設(shè)計的壁障所在。

     事實上很多大型醫(yī)療電子設(shè)備都由多個子系統(tǒng)組成，需要集成多種傳感器、機械部件、電子元件比如FPGA或者微處理器等，還會涉及到多種專業(yè)總線和協(xié)議，其研發(fā)周期也是相當(dāng)長，可能需要2-3年甚至更長的時間。于是，從商業(yè)的需求出發(fā)，如何縮短整個醫(yī)療電子設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)時間、提高創(chuàng)新程度也成為了占領(lǐng)市場的要素。

      基于以上商業(yè)上與技術(shù)上的需求，例如，對于一些小型公司來說，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。

      綜上所述，對于醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)人員來說，系統(tǒng)本身在電子、機械、傳感器等方面的復(fù)雜性以及市場競爭的需求，使得如何實現(xiàn)便捷的產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)模式、快速的原型驗證并產(chǎn)品化成為領(lǐng)先于市場的關(guān)鍵。

通過統(tǒng)一的平臺進行方案設(shè)計并構(gòu)建原型系統(tǒng)

      一般來說，醫(yī)學(xué)電子的系統(tǒng)開發(fā)一般可以分為三個階段：算法設(shè)計，原型驗證、以及產(chǎn)品發(fā)布。設(shè)計主要是對產(chǎn)品本身以及其中牽涉到的算法、概念進行設(shè)計，原型驗證是對設(shè)計的可行性進行驗證或評估，發(fā)布是產(chǎn)品的較終實現(xiàn)。

      設(shè)計階段的主要任務(wù)是由開發(fā)團隊中生物醫(yī)學(xué)、信號處理、圖像處理方面的專家或研發(fā)人員通過編程語言或電路設(shè)計的平臺進行算法開發(fā)或系統(tǒng)設(shè)計，這一階段的成果是指特定的、達(dá)到一定目的的算法和軟件系統(tǒng)。

      原型階段的主要任務(wù)是在一定的硬件平臺上實現(xiàn)所設(shè)計的算法并對系統(tǒng)進行驗證和評估，從而進一步調(diào)整算法，這部分任務(wù)通常由具有電子工程背景的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員，在VxWorks、QNX、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)上加以完成，他們所使用的軟件工具是和硬件平臺直接相關(guān)的，比如CCS, VHDL, VDSP++等。

      所以，從這里可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下這兩個階段的開發(fā)人員和開發(fā)平臺都是不同的，原型階段的開發(fā)者必須耗費一定的時間和精力將將設(shè)計階段的成果加以轉(zhuǎn)換，比如將原先的文本數(shù)學(xué)算法在嵌入式環(huán)境下用C重寫一遍，或者根據(jù)硬件平臺的選擇將浮點算法改寫成定點算法。如果系統(tǒng)需求需要修正或者算法設(shè)計有些錯誤，就會導(dǎo)致原型階段的大量修正工作甚至返工。 因此，整個系統(tǒng)開發(fā)是一個循環(huán)遞進的過程。

      如何減少這個環(huán)節(jié)的反復(fù)循環(huán)并提高研發(fā)效率呢？較直接的解決方案就是利用成熟的商業(yè)軟件降低算法開發(fā)的復(fù)雜性，讓不熟悉編程技術(shù)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜乙材軌蛑苯舆M行算法的開發(fā)，同時將設(shè)計與原型化這兩個階段的工作移植到統(tǒng)一的開發(fā)平臺之中。即在一個開發(fā)平臺下集成從算法設(shè)計、軟件開發(fā)、硬件實現(xiàn)這一整套的流程。

      這樣的優(yōu)勢顯而易見，對于開發(fā)資源有限的研發(fā)團隊而言，可以快速地將創(chuàng)新的概念與算法實現(xiàn)而不是糾結(jié)與頻繁的代碼開發(fā)與調(diào)試；同時，將算法設(shè)計階段直接引入硬件I/O進行前期的驗證，可以在更早階段發(fā)現(xiàn)并修正潛在的錯誤；由于使用同樣的開發(fā)環(huán)境，算法設(shè)計的代碼可以在原型驗證的過程中被重用，從而簡化編程的復(fù)雜性，降低了對算法設(shè)計人員和嵌入式開發(fā)人員在系統(tǒng)設(shè)計流程中各個步驟的要求。從根本上加快循環(huán)遞進的過程，從而縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。

使用LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺快速進行醫(yī)療電子設(shè)備的概念及算法設(shè)計

      自1986年誕生以來，LabVIEW圖形化開發(fā)平臺一直致力于簡化編程的復(fù)雜性，在所有涉及到數(shù)據(jù)采集和控制的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化編程方式都已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具。對于醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)團隊來說，LabVIEW提供了將硬件I/O引入算法設(shè)計的快捷方式，另外，LabVIEW通過代碼重用，并結(jié)合商業(yè)化、可發(fā)布的嵌入式原型平臺，簡化構(gòu)建原型系統(tǒng)的復(fù)雜性。

      作為圖形化編程平臺的鼻祖，LabVIEW的圖形化交互式的編程方式非常適合研發(fā)人員迅速上手并熟練運用。研發(fā)人員可以在沒有C語言文本編程背景的情況下，在數(shù)分鐘內(nèi)編程完成傳感器信號采集、分析到顯示的過程，而通過傳統(tǒng)的文本編程語言，這是一項不可能完成的任務(wù)。同時，在過去的幾年里，LabVIEW已經(jīng)擴展性地納入了多種算法設(shè)計方式，從而更好地滿足了研發(fā)設(shè)計人員從簡單到復(fù)雜的算法開發(fā)需求。除了強大的圖形化編程方式以外， LabVIEW現(xiàn)還包括了基于文本的數(shù)學(xué)編程工具連續(xù)時間仿真、狀態(tài)圖和圖形化數(shù)據(jù)流模式，用以代表各類算法。 LabVIEW還納入了交互式工具，用于數(shù)字濾波器、控制模型、數(shù)字信號處理算法的開發(fā)，令醫(yī)療電子相關(guān)的算法設(shè)計更為簡易。與此同時，開發(fā)人員也可以通過LabVIEW內(nèi)置的文本數(shù)學(xué)工具重用已有的算法，例如使用Mathscript節(jié)點調(diào)用MATLAB中開發(fā)的.m文件，并通過LabVIEW的交互式環(huán)境對算法進行驗證調(diào)試，從而與各種先進的數(shù)學(xué)和設(shè)計軟件集成使用。

      以信號處理為例，信號處理是很多醫(yī)療電子系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，比如心電圖、腦電圖和其他生物信號與醫(yī)學(xué)影像，都需要通過信號處理，提取出信號中的特征值，以得到進一步的分析結(jié)果。通過 LabVIEW 和相關(guān)的工具包，比如高級信號處理工具包和濾波器設(shè)計工具包，設(shè)計人員可以通過調(diào)用現(xiàn)成的函數(shù) ，快速完成例如移除基線漂移、噪聲消除、QRS檢測、胎心信號提取等應(yīng)用。通過交互式的快速VI，只要在菜單中對參數(shù)進行設(shè)置即可完成Kaiser 窗FIR 高通濾波器的設(shè)計，從而移除基線漂移。為了進一步處理，設(shè)計人員也可以調(diào)用高級信號處理工具包中的小波降躁函數(shù)來濾除寬帶噪聲。

將硬件接口引入算法設(shè)計, 快速驗證算法正確性，及早發(fā)現(xiàn)并修正潛在的問題

      如前所述，如果系統(tǒng)需求需要修正或者算法設(shè)計存在錯誤，就會導(dǎo)致原型階段的大量修正工作甚至返工。因此一種解決方案就是更早地將真實世界的信號和硬件引入到設(shè)計流程之中，從而在早期就發(fā)現(xiàn)并修正潛在的問題。

      LabVIEW平臺較明顯的優(yōu)勢就是在算法設(shè)計和硬件I/O之間的建立一座橋梁。物理測量是與設(shè)計和仿真完全不同的挑戰(zhàn)，要求與廣泛的測量和控制硬件緊密集成，并以優(yōu)化的性能處理大量的通道數(shù)或超高速吞吐量。LabVIEW平臺經(jīng)過不斷完善，在物理測量領(lǐng)域提供無與匹敵的性能和靈活性，能夠與幾百種數(shù)據(jù)采集設(shè)備、上千種儀器無縫集成。

      LabVIEW通過將I/O信號引入設(shè)計流程，并與各種先進的數(shù)學(xué)和設(shè)計軟件集成使用，從而幫助工程師快速地將現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)與理論模型進行比較，從而使交互式設(shè)計過程更快速，設(shè)計時間更短。

通過代碼重用和商業(yè)化原型平臺，快速構(gòu)建原型系統(tǒng)

      大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員當(dāng)前用原型評估板來進行系統(tǒng)的原型化，但是，原型板往往只具備少量的模擬和數(shù)字I/O通道，也很少支持視覺，運動或同步的功能。此外，設(shè)計師經(jīng)常因為需要傳感器或特殊I/O的支持而花費大量時間和開發(fā)資源來開發(fā)定制的原型板，而這些僅僅是為了設(shè)計概念的驗證。為了簡化這個過程，消除其中硬件驗證和板級設(shè)計的大量工作，使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺成為越來越多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的選擇。但是對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，原型化平臺必須包括較終發(fā)布系統(tǒng)的同樣部件，比如用于執(zhí)行算法的實時處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件，或者將實時處理器接口到其他部件。因此，如果這個商業(yè)化的系統(tǒng)不能滿足所有的要求，那么這個原型化平臺就必須是可擴展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設(shè)計、原型到發(fā)布的全過程。例如使用LabVIEW和NI 可重復(fù)配置I/O（RIO）設(shè)備或NI CompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng)建醫(yī)療電子設(shè)備的原型。

快速構(gòu)建醫(yī)療電子的實例——液氮腫瘤治療儀