基于LabVIEW的心電監(jiān)護(hù)儀自動檢定系統(tǒng)的研發(fā)

李林超 徐文龍 徐冰俏

(中國計量大學(xué)信息工程學(xué)院 浙江 杭州 310018)

0 引 言

在臨床醫(yī)學(xué)診斷中，多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀能夠?yàn)獒t(yī)生提供病患的生理參數(shù)[1]，其測量準(zhǔn)確性格外重要。依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG760-2003《心電監(jiān)護(hù)儀》(以下簡稱“規(guī)程”)，多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀檢定主要通過兩個步驟完成：(1) 按照規(guī)程要求的檢定參數(shù)和步驟，檢定人員首先連接標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出端和多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀輸入端，然后觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號，同時依據(jù)待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號類型調(diào)整多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀的測量模塊，經(jīng)測量、讀取等方法得到心電監(jiān)護(hù)儀上檢定參數(shù)的信息,記錄下來，填入原始數(shù)據(jù)記錄表；(2) 檢定工作人員對采集得到的數(shù)據(jù)依據(jù)規(guī)程中數(shù)據(jù)處理要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，得出檢定結(jié)論，將檢定需求的數(shù)據(jù)和結(jié)論填入原始記錄表中和檢定證書內(nèi)。由于檢定參數(shù)有30多個[1-2]，完成檢定需15 min，檢定周期不得超過一年，且一個三甲醫(yī)院的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀數(shù)量可達(dá)上千臺，因此周期性檢定的工作量非常大。同時，由于數(shù)據(jù)記錄和分析結(jié)果填入都是靠人工完成，由于主客觀因素，檢測數(shù)據(jù)的真實(shí)性和檢定結(jié)果的權(quán)威性容易受到質(zhì)疑。

隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)和儀器儀表通信接口協(xié)議的發(fā)展[3]，以及虛擬儀器技術(shù)不斷的提高，本文設(shè)計了一套以LabVIEW虛擬儀器為開發(fā)平臺的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心電功能模塊自動檢定系統(tǒng)，完成計算機(jī)對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀和標(biāo)準(zhǔn)源的控制，從而實(shí)現(xiàn)自動檢定。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)在用的生命監(jiān)護(hù)儀實(shí)際情況，本文檢定對象選用深圳邁瑞生物有限公司iMEC8系列型號多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，它通過RJ45接口與外界通信。標(biāo)準(zhǔn)信號源采用Fluke公司型號為Promsim8生命體征模擬器，它能夠產(chǎn)生多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀測量的各項(xiàng)檢定參數(shù)，通過5導(dǎo)聯(lián)連接線發(fā)送待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號給多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，并具有與計算機(jī)連接的迷你系列B型USB接口。計算機(jī)是整個檢定系統(tǒng)的核心，可模擬檢定工作人員對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀測量參數(shù)模塊的調(diào)整和對標(biāo)準(zhǔn)信號源的觸發(fā)，采集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，自動生成原始記錄表和檢定證書等。硬件框架如圖1所示。

圖1 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)檢定硬件框架圖

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心電功能模塊自動檢定系統(tǒng)結(jié)合計算機(jī)硬件的發(fā)展，可以在檢定系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)下同時運(yùn)行多個檢定程序[4-6]。在心電監(jiān)護(hù)儀檢定之前，自動檢定系統(tǒng)通過系統(tǒng)中的驅(qū)動程序?qū)Χ鄥?shù)生命監(jiān)護(hù)儀和信號標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行“握手”操作。在確定各個儀器可正常傳輸之后，檢定系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線按照檢定規(guī)程要求對信號標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行觸發(fā)產(chǎn)生待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號；信號標(biāo)準(zhǔn)能源通過五導(dǎo)聯(lián)連接線把待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)送到多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀。多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀測量到待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號，將測量得到的信號通過網(wǎng)線傳輸回自動檢定系統(tǒng)。自動檢定系統(tǒng)采集到返回信號，提取信號有效信息，依據(jù)規(guī)程中算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，得出檢定結(jié)論，重復(fù)上述操作，直到獲取最后一個檢定參數(shù)。依據(jù)檢定數(shù)據(jù)和檢定結(jié)論生成原始記錄和檢定證書[5-6]。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件總體框架

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心電功能模塊自動檢定系統(tǒng)采用LabVIEW2015開發(fā)。LabVIEW具有模塊化、結(jié)構(gòu)化的特性[7]，提高編程效率。依據(jù)LabVIEW軟件的特性，整個檢定系統(tǒng)按功能可劃分為4個獨(dú)立模塊：界面模塊、檢測模塊、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)儲存模塊、報表生成和打印模塊。工作流程如圖2所示。

圖2 檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)工作流程圖

自動檢定系統(tǒng)采用編程模式是異步多循環(huán)[8]的“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”結(jié)構(gòu)。這種模式基于隊(duì)列和堆、棧的方式建立，具有緩沖循環(huán)傳遞消息的能力。它可以調(diào)節(jié)各個模塊之間的運(yùn)行速率，將指令的生成模塊和指令的運(yùn)行模塊按不同的功能運(yùn)行，提高了不同模塊之間數(shù)據(jù)交互和共享能力。這種結(jié)構(gòu)模式本質(zhì)是非線性、帶緩沖的多任務(wù)結(jié)構(gòu)，可以防止用戶的發(fā)送指令丟失，而且能夠使程序的運(yùn)行效率更高，是一種多指令發(fā)送、多任務(wù)處理，對實(shí)時和連續(xù)性要求嚴(yán)格的程序框架。

依據(jù)“生產(chǎn)/消費(fèi)”結(jié)構(gòu)(見圖3)，整個檢定程序被分成2個循環(huán)，分別為事件生產(chǎn)循環(huán)和事件消費(fèi)循環(huán)。事件生產(chǎn)循環(huán)含有事件結(jié)構(gòu)來收集各種事件響應(yīng)的請求。作為對事件的響應(yīng)，當(dāng)相對事件發(fā)生以后，就把與之對應(yīng)的命令輸入隊(duì)列之中等待處理，是消息的“生產(chǎn)者”。事件消費(fèi)循環(huán)：程序不斷從隊(duì)列中取出等待處理事件，用條件結(jié)構(gòu)來處理。檢定過程中，事件生產(chǎn)循環(huán)依據(jù)檢定規(guī)程在界面模塊、檢測模塊、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)儲存模塊、報表生成和打印模塊生產(chǎn)事件，將所產(chǎn)生的事件存入隊(duì)列中，并向事件消費(fèi)循環(huán)發(fā)送事件處理信息。事件消費(fèi)循環(huán)讀取隊(duì)列中的事件，以條件結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行處理，從而保證檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 主程序方框圖

2.2 界面模塊

NI公司開發(fā)的LabVIEW分為UI界面和程序框圖界面。在UI界面上，研發(fā)人員可以調(diào)用LabVIEW前面板中的控件按鈕，模擬儀器設(shè)備的操作界面，也可以根據(jù)用戶的需求制定用戶要求的操作界面，使人機(jī)交互性更好[9-10]。

自動檢定系統(tǒng)界面分為：登錄界面和檢定界面。登錄界面：自動檢定系統(tǒng)利用LabVIEW function 中的LabSQL模塊對數(shù)據(jù)庫檢定工作人員信息進(jìn)行提取，驗(yàn)證該人員身份，以確保檢定操作過程的準(zhǔn)確性以及原始記錄表和檢定證書的權(quán)威性。檢定界面：檢定工作人員可以根據(jù)自己的需求在檢定界面中的選擇“檢定類型”，并觀察到自動檢定系統(tǒng)運(yùn)行到具體環(huán)節(jié)，測得參數(shù)值、相對誤差以及該誤差值是否合格，得到心電監(jiān)護(hù)儀檢定報表中的各項(xiàng)檢定信息如檢定日期、原始記錄號、檢定證書號、儀器型號、儀器編號等。另外，當(dāng)心電監(jiān)護(hù)儀自動檢定系統(tǒng)完成了所有參數(shù)的檢定，系統(tǒng)會自動給檢定工作人員提示檢定結(jié)束，如圖4所示。

圖4 心電監(jiān)護(hù)儀檢定系統(tǒng)界面

2.3 檢測模塊

檢測模塊主要是對信號標(biāo)準(zhǔn)源和多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的控制。對信號標(biāo)準(zhǔn)源的操作主要有：對多功能標(biāo)準(zhǔn)源USB接口的配置，依據(jù)程序設(shè)定的檢定步驟發(fā)送操作信號給信號標(biāo)準(zhǔn)源，產(chǎn)生待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號給多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。對多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀的操作主要有：對監(jiān)護(hù)儀的網(wǎng)絡(luò)接口的配置，實(shí)現(xiàn)檢定系統(tǒng)與心電監(jiān)護(hù)儀的互相連接進(jìn)行通信，調(diào)整監(jiān)護(hù)儀測量范圍，采集監(jiān)護(hù)儀經(jīng)測量所得到的待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號的數(shù)據(jù)。

自動檢定系統(tǒng)利用驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)接口協(xié)議和總線技術(shù)，調(diào)用LabVIEW function函數(shù)編程，使設(shè)備儀器之間能夠進(jìn)行信號傳輸和數(shù)據(jù)采集。檢定系統(tǒng)主要運(yùn)用兩種驅(qū)動程序，分別為：

(1) 對信號標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行驅(qū)動程序編程，采用虛擬儀器軟件規(guī)范VISA(Virtual instruments software architecture)接口進(jìn)行編程[11,13]。在LabVIEW軟件中，調(diào)用VISA函數(shù)，首先采用VISA OPEN函數(shù)對信號標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行連接，然后利用VISA WRITE函數(shù)和VISA READ函數(shù)，實(shí)現(xiàn)檢定系統(tǒng)對信號標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行信號寫入和數(shù)據(jù)讀取。

如圖5所示，檢定系統(tǒng)能夠觸發(fā)信號標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號，首先調(diào)用VISA OPEN函數(shù)，打開VISA資源名稱指定設(shè)備的會話句柄并返回會話句柄標(biāo)識符，該標(biāo)識符可用于調(diào)用該設(shè)備的其他操作。接著調(diào)用VISA CLEAN函數(shù)對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、清零，防止上一次的程序運(yùn)行后殘留在緩存區(qū)的數(shù)據(jù)對這次運(yùn)行所造成的影響。圖5中的VISA Waiter Event函數(shù)和VISA Enable Event函數(shù)主要功能是為了防止數(shù)據(jù)量過大溢出。信號標(biāo)準(zhǔn)源對檢定系統(tǒng)反饋已經(jīng)成功運(yùn)行信號。檢定系統(tǒng)通過調(diào)用VISA WRITE函數(shù)，采集信號標(biāo)準(zhǔn)源是否成功響應(yīng)，如果檢定系統(tǒng)接收到“ERR”信號，檢定系統(tǒng)將重新發(fā)送該次操作指令，若超過10次，則系統(tǒng)發(fā)出報警。若接收到“OK”響應(yīng)，表示信號標(biāo)準(zhǔn)源已經(jīng)成功運(yùn)行，對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀發(fā)出待檢定標(biāo)準(zhǔn)信號。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)源響應(yīng)模塊

(2) 采用TCP/IP協(xié)議對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀RJ45接口進(jìn)行編程，從而使計算機(jī)與多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行信號傳輸。在LabVIEW程序框圖函數(shù)工具欄中調(diào)用TCP STM函數(shù)庫[12]，對計算機(jī)和多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行編程。在儀器設(shè)備中建立服務(wù)器和客戶端，從而實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對多參數(shù)操作信號發(fā)送，使心電監(jiān)護(hù)儀能夠自動完成檢定任務(wù)。

在調(diào)用LabVIEW中TCP listern函數(shù)時，要將計算機(jī)和多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀通過路由器連接，在“網(wǎng)路地址”填寫多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的IP地址。寫入多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀網(wǎng)絡(luò)的端口號，檢定系統(tǒng)創(chuàng)建偵聽器并等待位于指定端口號的已接收TCP連接，如圖6所示。檢定系統(tǒng)利用LabVIEW function中的TCP Write函數(shù)在數(shù)據(jù)端口輸入操作指令，通過TCP Write讀取多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀反饋信號，由正則表達(dá)式對反饋信號進(jìn)行解碼提取。

圖6 創(chuàng)建偵聽

由于檢定系統(tǒng)無法確定多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀和信號標(biāo)準(zhǔn)源之間的信號發(fā)送和接收，所以系統(tǒng)采用延時方法對設(shè)備進(jìn)行信號采集，以保證讀取操作的穩(wěn)定，且不丟失數(shù)據(jù)包。

如圖7所示，在數(shù)據(jù)緩沖程序框圖中增加了兩個Tick Count函數(shù)主要是對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行計時，防止數(shù)據(jù)包溢出和計算機(jī)端口被占用，使檢定系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。

圖7 數(shù)據(jù)緩沖程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)分析處理和保存模塊

該模塊主要功能是自動檢采集心電監(jiān)護(hù)儀傳輸回來的監(jiān)測信號，對檢測信號通過正則表達(dá)式的方法進(jìn)行解碼，提取有效數(shù)。利用LabVIEW中的MathScript[13]對規(guī)程中給定公式進(jìn)行編程，對已經(jīng)排除可疑值的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行誤差判斷。檢定系統(tǒng)通過NI的數(shù)據(jù)庫連接包和ADO來創(chuàng)建數(shù)據(jù)，使用“DBTools Open Connection.vi”建立連接，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，并將分析的結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中。

通過拉依達(dá)準(zhǔn)則對解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。其原理是用心電監(jiān)護(hù)儀對信號標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)出的每一個規(guī)程中檢定的參數(shù)進(jìn)行多次的測量，得到每一個參數(shù)的n個獨(dú)立值，再由x1,x2,…,xn算出平均值x及剩余誤差vi=xi-x(i=1,2,…,n)，并按照貝賽爾公式算出標(biāo)準(zhǔn)誤差σ，然后得到心電監(jiān)護(hù)儀檢測值xk的剩余誤差vk(1≤k≤n)。若vk滿足 |vk|=|xk-x|>3σ，則認(rèn)為xk是含有粗大誤差的可疑值，需要剔除。

圖8是依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則程序方框圖。

圖8 拉依達(dá)準(zhǔn)則方框圖

2.5 報表生成和打印模塊

當(dāng)獲取所有檢定參數(shù)，檢定系統(tǒng)在Microsoft Word中嚴(yán)格按照規(guī)程中的原始記錄表和檢定證書的文本格式建立Word模板。調(diào)用LabVIEW function中的報表函數(shù)[14-16]，讀取存儲在數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)，將參數(shù)自動填充到Word模板中，存儲到指定文件夾中，待檢定工作人員審閱后。審閱通過后，進(jìn)行打印。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用本文的自動檢定系統(tǒng)和人工檢定分別對10臺多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀各進(jìn)行10次檢定，記錄檢定時長，電壓測量誤差，噪聲電平等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果(見表1)表明，自動檢定系統(tǒng)能夠完成多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心電功能模塊的檢定任務(wù)，并且該系統(tǒng)對信號標(biāo)準(zhǔn)源操作實(shí)現(xiàn)自動化，在檢定過程中直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，減少后期數(shù)據(jù)處理時間。測試表明平均每臺監(jiān)護(hù)儀的心電參數(shù)檢定時長減少5 min。在檢定過程中人工連接電極后實(shí)現(xiàn)自動化，排除人為主客觀干擾，檢定系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次讀取，數(shù)據(jù)來源更加可靠。

表1 自動檢定與人工檢定結(jié)果的對照

4 結(jié) 語

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心電功能模塊自動檢定系統(tǒng)是以LabVIEW虛擬儀器軟件為開發(fā)平臺，大大簡化人工檢定操作的繁瑣過程。自動檢定功能的開發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集。檢定證書的自動生成，不僅提高了檢定效率，還避免了人為干擾，提高了檢定的真實(shí)性、可靠性。通過對心電功能自動檢定的開發(fā)，為多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀其他功能的自動檢定提供了案例，也為整機(jī)的自動檢定積累了開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

由于自動檢定系統(tǒng)的功能是完成多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心電功能模塊檢定，對血壓和血氧的檢定還未實(shí)現(xiàn)。因此，接下來的工作是實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的血氧和血壓自動檢定功能。