基于插件架構(gòu)的手術(shù)室設(shè)備集中控制系統(tǒng)

王云龍

上海醫(yī)療器械股份有限公司，上海市，200093

基于插件架構(gòu)的手術(shù)室設(shè)備集中控制系統(tǒng)

【作 者】王云龍

上海醫(yī)療器械股份有限公司，上海市，200093

手術(shù)室設(shè)備集中控制對(duì)于提高手術(shù)效率具有重要的意義。由于國(guó)內(nèi)手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備普遍存在種類繁多，通信接口不一致以及控制面板差異較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中控制，是一體化手術(shù)室建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該文基于插件程序架構(gòu)，通過(guò)定義通信插件接口和設(shè)備插件接口，把設(shè)備的差異性封裝在具體的設(shè)備插件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)兼容性，通過(guò)反射機(jī)制動(dòng)態(tài)加載調(diào)用，具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備的集中控制。

手術(shù)室；集中控制；插件；反射

0 引言

一體化手術(shù)室是隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展而誕生的一個(gè)新的醫(yī)療應(yīng)用，它是以創(chuàng)造手術(shù)室的高效率、高安全性以及提升手術(shù)室對(duì)外交流為目的的多個(gè)系統(tǒng)(如音視頻、設(shè)備控制、通訊、信息系統(tǒng)等)的綜合運(yùn)用。在手術(shù)過(guò)程中，醫(yī)生需要根據(jù)手術(shù)操作的需要，對(duì)多個(gè)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置調(diào)整。由于設(shè)備控制面板繁多以及無(wú)菌區(qū)域使用空間的限制，給醫(yī)生的手術(shù)操作帶來(lái)困難，設(shè)備功能也得不到有效利用[1]。采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將多個(gè)手術(shù)設(shè)備集成到一個(gè)系統(tǒng)中，充分體現(xiàn)高性能、數(shù)字化、智能化、潔凈化，手術(shù)醫(yī)生能通過(guò)中央控制系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)各種設(shè)備的控制，提高設(shè)備的可操作性，節(jié)約手術(shù)的準(zhǔn)備時(shí)間，提高手術(shù)室工作效率，更安全、精確、高效地完成手術(shù)[2]。本文針對(duì)手術(shù)室設(shè)備集中控制的難題，基于插件程序架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的集中控制。

1 一體化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備的集中控制

一體化手術(shù)室可以通過(guò)一臺(tái)主機(jī)集中控制手術(shù)室內(nèi)的主要設(shè)備、實(shí)時(shí)記錄設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和手術(shù)過(guò)程。一體化手術(shù)室的核心部件是集中控制觸摸屏工作站，通過(guò)觸摸屏對(duì)手術(shù)室內(nèi)醫(yī)用設(shè)備進(jìn)行集中管理與監(jiān)控[3]，包括無(wú)影燈的光照強(qiáng)度、手術(shù)床升降傾角等位移動(dòng)作、高頻電刀工作模式及頻率、內(nèi)窺鏡參數(shù)及冷光源亮度的調(diào)整等，如圖1所示。

圖1 醫(yī)療設(shè)備集中控制示意圖Fig.1 Centralized control diagram

一體化手術(shù)室建設(shè)的重要環(huán)節(jié)是設(shè)備集中控制的實(shí)現(xiàn)，本節(jié)介紹設(shè)備集中控制中面臨的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方案。

1.1 設(shè)備集中控制面臨的難題

（1）設(shè)備控制的兼容性。在現(xiàn)有的手術(shù)室內(nèi)，醫(yī)療設(shè)備種類繁多，各種設(shè)備控制面板的差異較大。面板按鍵及鍵盤工作方式各不相同，面板指示（包括LED燈、七段數(shù)碼管等）也不相同。并且現(xiàn)有手術(shù)室設(shè)備大多數(shù)都是獨(dú)立的單元，沒(méi)有對(duì)外統(tǒng)一的通信接口。

（2）設(shè)備配置的差異性。不同功能的手術(shù)室的設(shè)備配置有較大的差異，各設(shè)備的生產(chǎn)廠家不同，通信控制協(xié)議也會(huì)不同，難以設(shè)計(jì)一套包羅萬(wàn)象的集中控制程序。

（3）集中控制的安全可靠性。集中控制的通信質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接關(guān)系到手術(shù)的安全性及效率，由于手術(shù)室空間有限、電氣設(shè)備繁多，這就要求主控工作站和受控設(shè)備之間的通信要及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠，抗干擾能力強(qiáng)。所以手術(shù)室內(nèi)醫(yī)療設(shè)備集中控制的實(shí)現(xiàn)具有一定的困難。

1.2 設(shè)備集中控制解決方案

分析設(shè)備集中控制所面臨的問(wèn)題，可知手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備的控制與配置差異性大，缺乏基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化接口，要求設(shè)備集中控制系統(tǒng)具有很好的兼容性、靈活性與可擴(kuò)展性。插件程序結(jié)構(gòu)由框架程序和插件組成，每一個(gè)插件可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)安裝或配置加入到框架程序中，很適合設(shè)備集中控制程序的要求。通過(guò)定義通信插件接口和設(shè)備插件接口，把設(shè)備的通信接口和操作的差異性封裝在具體的設(shè)備插件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)兼容性，通過(guò)反射機(jī)制動(dòng)態(tài)加載調(diào)用，具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。

對(duì)于沒(méi)有通信接口的現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)施升級(jí)改造，我們選擇實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)、布線方便的CAN總線[4]作為通信接口標(biāo)準(zhǔn)，采用單片機(jī)和CPLD設(shè)計(jì)了通信接口板[5]，實(shí)時(shí)接受集中控制的操作信號(hào)并向其反饋設(shè)備的顯示數(shù)據(jù)。

2 設(shè)備集中控制程序設(shè)計(jì)

2.1 插件式結(jié)構(gòu)

插件式程序由主體程序和插件（Plug-in或addon）組成，插件是一種遵循插件接口編寫(xiě)出來(lái)的程序，主要是用來(lái)擴(kuò)展軟件功能。插件的本質(zhì)是在不修改主體程序的情況下對(duì)軟件功能進(jìn)行加強(qiáng)。不同插件之間相互獨(dú)立，互不影響，方便軟件功能的封裝。只要知道插件接口，任何人都可以自己設(shè)計(jì)插件來(lái)擴(kuò)展程序的功能。插件通過(guò)安裝或配置加入主體程序，具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。

設(shè)備集中控制程序采用了插件式程序結(jié)構(gòu)，即每一種設(shè)備的控制程序都獨(dú)立開(kāi)發(fā)成可動(dòng)態(tài)加載的設(shè)備插件，可采用不同的語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，具有不同的外觀和獨(dú)立的功能，只要符合接口要求即可。程序的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由框架主程序、設(shè)備插件、通信插件組成。

圖2 控制程序插件式結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Plug-in architecture of control system

2.2 通信插件接口

設(shè)備的通信接口多種多樣，常見(jiàn)的有串口、網(wǎng)口、紅外、CAN等物理接口，網(wǎng)口按照其通信協(xié)議又可分為Client和Server方式，還有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與總線方式的差異。每種接口的連接參數(shù)的數(shù)量和類型都有差異，但所提供的服務(wù)基本一致，即提供消息的發(fā)送和接收服務(wù)。為此通過(guò)ICommunication接口規(guī)定了每種通信插件的調(diào)用接口：

public interface ICommunication

{

uint comIdx { get; set; } //通信插件序號(hào)

string comName { get; } //通信插件名

uint comID { get; set; } //通信地址號(hào)

string comSetting { get; set; } //通信插件設(shè)置

ComStatus comStatus { get; } //通信插件狀態(tài)

string[] copyFiles { get; } //通信插件必備文件列表，用于安裝時(shí)復(fù)制文件

bool Start(string Setting); //在客戶機(jī)類通信插件中啟動(dòng)連接

bool Stop(); //在客戶機(jī)類通信插件中關(guān)閉連接

bool Send(int Addr,Byte[] msg); //發(fā)送數(shù)據(jù)

event EventHandler Receiving; //通信插件接收數(shù)據(jù)事件

……

}

2.3 設(shè)備插件接口

每種設(shè)備都有獨(dú)立的不同大小的操作界面，有數(shù)量不等的按鈕和顯示單元，與實(shí)體設(shè)備間通過(guò)不同的通信接口相連，通過(guò)不同的通信協(xié)議發(fā)送控制命令和接收狀態(tài)顯示。為此通過(guò)IDevice接口規(guī)定了設(shè)備插件的調(diào)用接口：

public interface IDevice

{

IList Communication { get; set; }//插件調(diào)用通信的接口

string Name { get; set; }//插件名，由框架程序置入

string DefaultCommType { get; }//默認(rèn)通信類型

string DefaultCommSetting { get; }//默認(rèn)通信參數(shù)

string DefaultDeviceName { get; } //默認(rèn)設(shè)備名

IntPtr Handle { get; } //插件界面句柄

string[] CopyFiles { get; } //插件必備文件列表，在安裝插件時(shí)復(fù)制

ImageList Icons { get; } //插件圖標(biāo)集，圖標(biāo)大小為64*64

IList GroupHandle { get;}//關(guān)聯(lián)窗體列表，由框架添加

void Load(); //插件加載

void UnLoad(); //插件卸載

void Alarm(); //報(bào)警通知

void Notify(Object src, ComEventArgs e); //事件消息處理程序

void MessageProc(Object src, StateMachinArgs e);//消息處理狀態(tài)機(jī)

……

}

3 設(shè)備集中控制程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 插件的實(shí)現(xiàn)

設(shè)備插件是一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，一個(gè)設(shè)備插件主要由設(shè)備接口類和界面窗體類組成，其中，設(shè)備接口類是設(shè)備插件的必備部分，實(shí)現(xiàn)了IDevice接口，為框架程序安裝設(shè)備插件時(shí)提供初始的配置信息，也是框架程序在加載時(shí)初始化設(shè)備插件的入口，同時(shí)也是設(shè)備的通信插件實(shí)例與設(shè)備交互的接口。界面窗體類是設(shè)備插件的人機(jī)界面部分，完成設(shè)備的顯示、響應(yīng)按鍵操作等人機(jī)交互，是物理設(shè)備的虛擬界面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中顯示和控制。界面窗體類由設(shè)備接口類實(shí)例化，由框架程序控制是否顯示以及顯示的屏幕與區(qū)域位置。此外根據(jù)設(shè)備的不同可以有0至多個(gè)輔助窗體類，通常作為界面窗體類的彈出窗體，用來(lái)完成設(shè)備的配置信息修改，數(shù)據(jù)的查詢與顯示等功能。

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了手術(shù)床插件、無(wú)影燈插件、內(nèi)窺鏡插件(見(jiàn)圖3)、冷光源插件、輸液泵插件、監(jiān)護(hù)儀插件、呼吸機(jī)插件等設(shè)備插件，每種設(shè)備插件都是一個(gè)獨(dú)立的DLL工程，方便新的設(shè)備插件的擴(kuò)展。

圖3 內(nèi)窺鏡插件Fig.3 Endoscopy plug-in

圖4 設(shè)備管理窗體Fig.4 Device management form

通信插件的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由實(shí)現(xiàn)ICommunication接口的通信接口類和可選的輔助類組成。實(shí)際實(shí)現(xiàn)了串口通信插件、CAN通信插件、TCP Server插件及TCP Client插件。同樣每個(gè)插件都是獨(dú)立的DLL工程，便于根據(jù)新的設(shè)備通信接口的需要，添加相應(yīng)的通信插件。

3.2 框架程序的實(shí)現(xiàn)

框架程序DORMain是設(shè)備控制系統(tǒng)的主體程序。該軟件完成通信插件的安裝、設(shè)備插件的安裝、通信插件的加載、設(shè)備插件的加載等初始化工作，響應(yīng)設(shè)備選擇面板或菜單欄的操作顯示或隱藏對(duì)應(yīng)設(shè)備插件，具體的控制操作均由設(shè)備插件自身的窗體界面實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 插件的安裝

實(shí)現(xiàn)了IDevice接口的設(shè)備插件DLL，可以通過(guò)框架程序中的設(shè)備管理窗體(見(jiàn)圖4)進(jìn)行安裝，采用上述反射機(jī)制讀出該設(shè)備插件的配置信息，保存到設(shè)備配置文件，供框架程序初始化時(shí)使用。通信插件的安裝通過(guò)通信插件管理窗體進(jìn)行。設(shè)備或通信插件必須經(jīng)過(guò)一次安裝，才能被框架程序所使用。

3.2.2 插件的加載

在每一次框架主程序啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)遍歷設(shè)備配置文件中的Device節(jié)點(diǎn)，讀取各設(shè)備的配置信息，用反射機(jī)制實(shí)現(xiàn)設(shè)備插件的動(dòng)態(tài)加載，完成設(shè)備插件的實(shí)例化、通信接口的初始化、設(shè)備插件實(shí)例與通信插件實(shí)例的連接、添加到設(shè)備選擇面板等功能，流程如圖5所示，加載完成后的設(shè)備選擇面板如圖6所示。

圖5 設(shè)備插件的動(dòng)態(tài)加載Fig.5 Dynamic loading of device plug-in

圖6 設(shè)備選擇面板Fig.6 Device control panel

3.2.3 設(shè)備插件的顯示與控制

在設(shè)備加載過(guò)程結(jié)束時(shí)，設(shè)備插件自帶的圖標(biāo)被添加到設(shè)備選擇面板，通過(guò)響應(yīng)該圖標(biāo)的點(diǎn)擊控制相應(yīng)設(shè)備插件的顯示與隱藏。當(dāng)設(shè)備插件界面顯示在設(shè)備集中控制程序中時(shí)，單擊該設(shè)備界面里的按鈕，即可通過(guò)通信接口向物理設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的操作命令，物理設(shè)備執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，并把操作結(jié)果及狀態(tài)發(fā)送回來(lái)，設(shè)備界面中顯示發(fā)生相應(yīng)的改變，使得設(shè)備集中控制程序中設(shè)備插件界面與物理設(shè)備上的控制面板獲得同樣的操作效果。

圖7為設(shè)備集中控制程序的截圖，右側(cè)為設(shè)備選擇面板，界面中顯示了呼吸機(jī)、手術(shù)床、無(wú)影燈、內(nèi)窺鏡4個(gè)設(shè)備插件。

圖7 設(shè)備集中控制程序主界面Fig.7 Main UI of centralized control system

4 結(jié)論

一體化手術(shù)室是醫(yī)院數(shù)字化的重要標(biāo)志，也是手術(shù)室發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文探討了一體化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制中面臨的一些關(guān)鍵問(wèn)題與解決辦法?；诓寮绦蚣軜?gòu)，通過(guò)定義通信插件接口和設(shè)備插件接口，把設(shè)備的差異性封裝在具體的設(shè)備插件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)兼容性，通過(guò)反射機(jī)制動(dòng)態(tài)加載調(diào)用，具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能夠兼容手術(shù)室設(shè)備多樣性的集中控制系統(tǒng)，于2014年成功安裝于上海市同濟(jì)醫(yī)院婦產(chǎn)科手術(shù)室，并進(jìn)行臨床試驗(yàn)。今年初，在對(duì)同濟(jì)醫(yī)院該設(shè)備使用情況的回訪過(guò)程中了解到：該系統(tǒng)自安裝使用以來(lái)，每天都要進(jìn)行至少2~3例手術(shù)，主要以婦產(chǎn)科、泌尿外科手術(shù)為主。與目前臨床的傳統(tǒng)手術(shù)室設(shè)備使用感覺(jué)比較，一體化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)在對(duì)臨床外科手術(shù)的完整流程進(jìn)行監(jiān)控和信息采集上更加清晰和流暢；在對(duì)各種手術(shù)室設(shè)備的操控上更加安全和可靠，系統(tǒng)在其他方面：如設(shè)備的利用率、交叉感染等都具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，該架構(gòu)的設(shè)計(jì)，是一體化手術(shù)室的一種可行解決方案，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 馮靖煒, 陳華. 數(shù)字化手術(shù)室規(guī)劃和建設(shè)[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2008, 23(10): 120-123.

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[3] 宇新民, 李宏斌. 數(shù)字化手術(shù)室的研究與設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備, 2011(7): 38-40.

[4] 黃世安, 劉志國(guó). CAN總線在醫(yī)療中的應(yīng)用及展望[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2014, 8(35): 112-115.

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Plug-in Based Centralized Control System in Operating Rooms

【 Writer 】Wang Yunlong
Shanghai Medical Devices Corporation Ltd., Shanghai, 200093

operating room, centralized control, plug-in, re fl ection dynamics

R472.3

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.008

1671-7104(2017)03-0185-04

2017-04-05

王云龍，E-mail: 13916381305@163.com

【 Abstract 】Centralized equipment controls in an operating room (OR) is crucial to an ef fi cient work fl ow in the OR. To achieve centralized control, an integrative OR needs to focus on designing a control panel that can appropriately incorporate equipment from different manufactures with various connecting ports and controls. Here we propose to achieve equipment integration using plug-in modules. Each OR will be equipped with a dynamic plug-in control panel containing physically removable connecting ports. Matching outlets will be installed onto the control panels of each equipment used at any given time. This dynamic control panel will be backed with a database containing plug-in modules that can connect any two types of connecting ports common among medical equipment manufacturers. The correct connecting ports will be called using reflection dynamics. This database will be updated regularly to include new connecting ports on the market, making it easy to maintain, update, expand and remain relevant as new equipment are developed. Together, the physical panel and the database will achieve centralized equipment controls in the OR that can be easily adapted to any equipment in the OR.