运用NI LabVIEW软件实现自动化麻醉系统开发闭环控制方法

 

　　自动麻醉技术是用於麻醉病人谁接受了肾部分切除术，一个过程，消除肾脏肿瘤，而让非癌部分肾脏完好，经过一段时间 3小时 30分钟。要操作的各个组成部分的全身麻醉，自动化系统的措施三个独立的参数显示在一个新的综合监测麻醉（IMATM）：深度催眠通过脑电图分析，疼痛通过一个新的疼痛评分，称为 Analgosc??oreTM,和肌肉松弛通过 phonomyographyTM所有开发的ITAG.然後，系统管理适当药物使用传统的输液泵，控制一台笔记本电脑，让"McSleepy"是安装。用这三个独立参数及复杂的算法，自动化系统更快，更地计算出比人类可以适当的药物剂量的任何时刻麻醉。 "McSleepy"协助麻醉师以同样的方式帮助人们自动变速器驾驶时。因此，麻醉医师可以更专注於其他方面的直接护理病人。另外一个特点是，系统可以与个人数字助理（PDA），使远程监控和麻醉控制成为可能。此外，这项技术可以很容易地融入现代医学教学方案，如模拟中心和基於 Web的学习平台。

　　McSleepy 带领 LabVIEW 进入手术室

　　LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。

　　为了减少麻醉医师花在施打麻醉药剂上的时间，使其能有更多时间关注手术的其他层面，我们这个由 McGill 大学的麻醉医师与生物医疗工程师所组成的小组，发展了 1 套自动麻醉系统的原型。这套系统之所以叫做「McSleepy」是因为热门的电视影集《实习医生》中有 2 位医生名叫 McDreamy 及 McSteamy,本系统的目的是要协助麻醉医生，而非取代他们。此外，McSleepy不是设计来超越麻醉医师的能力，但是若需要的话是能做到的。

　　McSleepy 是 1 套闭环控制系统，用来监控病人手术时的知觉深度、疼痛程度与肌肉运动，并根据已知的数据，透过静脉注射适当的药量。麻醉医师使用 McSleep 时要先打点滴，然后运用传感器量测病人的肌肉运动，之后输入病人的数据，包括年龄、身高、体重与性别；进行的手术种类；麻醉医师对病人的药量是否有任何特殊要求。

　　系统开始施打药物之后，便会透过 1 种数学表达式，以每分钟为单位监控并控制药量，这种表达式是我们使用 LabVIEW 图形程序软件开发出来的。病人的数据会显示在 1 个图形使用接口上，这也是我们使用 LabVIEW 开发的，这样一来麻醉医师就可以看到病人对于 McSleepy 施打的麻醉剂有何反应。使用 LabVIEW 开发图形使用接口，我们整合了熟悉的图形元素，例如长得像里程计与温度计的调节器，以及透过毕斯脑波指数用色码来追踪病人的知觉程度。我们也使用自创的「痛觉缺失分数表」 （Analgoscore） 来追踪病人的疼痛程度。

　　设计 McSleepy 成为安全聪明的系统

　　为了避免 McSleepy 故障时会给病人太多或太少的药物，我们在闭回路控制系统中建造了多重安全机制。首先，麻醉医师可以手动取消系统的任何运作。例如，如果有个传感器不再传输信号给计算机时，机器就会自动进入基本的手动模式。机器在手术期间每隔 15 分钟便会计算病人接收的平均药量。如果系统产生问题时，它可以施打平均药量，让病人保持沈睡无痛的状态，直到问题排除或是麻醉医师接手为止。

　　此外，如果麻醉医师用半自动模式操作系统，以手动输入药量时，当输入发生问题时，譬如不小心把某种药量输入得太高。那么机器会发出警告说药量太高。

　　McSleepy 的另 1 项特点是我们使用人工智能来设计程序。这台机器可以学习医生的偏好及各种手术的时间长度等事情。只要 1 位医生在同样的手术中使用 McSleepy 达 20 次，它就能认得模式。同时，每次手术结束后，McSleepy都会储存趋势数据。一般来说，因为这台机器是结合了人工智能与人力输入的闭回路控制系统，所以其实会比只有 1 位麻醉医师施打麻药还来得安全。

　　使用 LabVIEW 开发闭回路控制系统的好处

　　当工程师与科学家希望以快的速度将新创意运用于临床试验上，他们需要使用便利的程序语言，用少的时间获得的功效，而 LabVIEW 是能满足这项目的的工具，因为用这种图形化的环境进行程序设计，会比使用其他困难的语言 （C+ 或 Java） 来得容易。

　　再者，使用LabVIEW 开发图形使用接口还能解决大多数闭回路控制系统的共通问题，那就是缺乏用户接口，用户无法看到现况的进展。McSleepy不是神秘的黑盒子，其与人的互动性对于麻醉医师来说很重要，这也是为何他们喜欢这套系统的缘故。医师可以轻松监控药量，需要时可随时改变。

　　我们一开始就使用 LabVIEW 的原因是希望创造出美观又好用的画面。其用户接口是如此的单纯，所以手术室里的麻醉医师与外科医师都能看懂 McSleepy 上的数据。整体而言，LabVIEW 的好处就是使用便利，而且能创造的图形化接口。

　　McSleepy 的未来发展

　　我们受到 2009 年 NI 「医疗仪器机械赞助计划」 （Medical Device Grant Program） 的赞助，升级到 LabVIEW 8.6 平台，让我们能将 McSleepy 的接口放到 PDA 上。如此一来，麻醉医师便能以远距方式控制、监控并记录病人的情况。这是很重要的一点，因为许多国家缺乏麻醉医师这样的专科医生，而且未来麻醉医师可能会需要同时照顾好几位病人。

　　我们目前拥有功能齐全的 McSleepy 原型，这是由现成的硬件与利用 LabVIEW 开发的表达式组合而成。我们打算使用现有的原型，找出适当的方法在 5 年内上市。本计划包含获取资金以进行更多研究，以改良并商业化这套系统，并寻求加拿大卫生部与美国食品药物管理局的审核。