陳希霞，王文妍，劉慶春，孟曉東

（1.武警總醫(yī)院采購中心 北京100039；2.武警總醫(yī)院干一科北京100039； 3.武警總醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備保障中心 北京100039）

基于CAN總線的醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

陳希霞1，王文妍2，劉慶春1，孟曉東3

（1.武警總醫(yī)院采購中心 北京100039；2.武警總醫(yī)院干一科北京100039； 3.武警總醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備保障中心 北京100039）

目的 為醫(yī)療設(shè)備總線通信系統(tǒng)故障機理不明晰，維修檢測方法單一、效率低等問題提供解決方法。方法 構(gòu)建CAN總線網(wǎng)絡(luò)主動與被動相結(jié)合的數(shù)據(jù)測試方法，利用數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)開發(fā)針對醫(yī)療設(shè)備通信系統(tǒng)的實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。結(jié)果 基于LabWindows/CVI軟件環(huán)境，實現(xiàn)了針對醫(yī)療設(shè)備通信系統(tǒng)的測試系統(tǒng)的開發(fā)，并通過了模擬搭建的數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)的實際測試。結(jié)論 測試方法對于醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)測與故障診斷有效，且對于測試系統(tǒng)后期的實際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

CAN總線；醫(yī)療設(shè)備通信系統(tǒng)；故障診斷；實時監(jiān)測

0 引言

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線［1］由于實時性強、成本低廉等特點被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備通信中，其在X射線機、CT、核磁共振成像（MRI）、數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備一體控制系統(tǒng)、醫(yī)療方艙等醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用保證了相關(guān)重要信息的實時傳輸，便捷了醫(yī)學(xué)上人類身體檢查與手術(shù)的高效、可靠操作［2-4］。然而，由于醫(yī)療設(shè)備復(fù)雜且價格昂貴，一旦發(fā)生普通的通信故障等損壞便采取換新或等待專業(yè)維修方式處理，對應(yīng)的故障原因往往不明確、維修方法不系統(tǒng)，這導(dǎo)致經(jīng)濟、時間、資源浪費等不“綠色”的問題［5］。為保障醫(yī)療設(shè)備CAN總線通信系統(tǒng)的可靠性，針對其網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行相應(yīng)的實時檢測研究顯得越來越重要。而目前針對醫(yī)療設(shè)備總線通信系統(tǒng)的綜合測試技術(shù)及實時監(jiān)測研究較少。

本文根據(jù)某數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)體系實時監(jiān)測與故障診斷等需求開發(fā)實現(xiàn)了基于CAN總線接口的醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實驗室自搭建的模擬平臺進(jìn)行了“有效性”驗證。該測試系統(tǒng)為實際數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備使用過程中的在線監(jiān)控、修前原位檢測和修后綜合聯(lián)調(diào)打下了基礎(chǔ)，對于增強醫(yī)療設(shè)備“綠色”、“高效”、“可靠”等優(yōu)點具有重要指導(dǎo)意義。

1 測試原理

1.1 數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字化手術(shù)室主要是將計算機信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)結(jié)合，對手術(shù)室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化端口改造并通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)（CAN總線）集成，由集中控制工作站對術(shù)中的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行控制，并與院內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行實時交互的過程。其示意如圖1所示，對應(yīng)的醫(yī)療設(shè)備包括無影燈、手術(shù)床、攝像頭、監(jiān)護設(shè)備、生命支持設(shè)備等?？蓪崿F(xiàn)對手術(shù)室中各類設(shè)備集中控制，銜接院內(nèi)現(xiàn)有信息系統(tǒng)的已有各類信息，實時記錄設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和手術(shù)過程等［6］。

圖1 數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)

1.2 測試系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)通過總線技術(shù)將控制終端、各醫(yī)療設(shè)備節(jié)點、底層傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備連接起來，實現(xiàn)信息共享及綜合管理。針對其CAN總線通信系統(tǒng)的實時監(jiān)測與故障診斷測試系統(tǒng)由計算機、CAN總線接口板卡、自編測試與分析軟件、連接電纜等組成。

測試系統(tǒng)組成如圖2所示，可運用“三通連接法”將測試系統(tǒng)的CAN測試板卡利用總線測試電纜連接到待測醫(yī)療設(shè)備總線通信系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行實時監(jiān)測與故障診斷。

圖2 手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)

1.3 測試功能及測試方法

1.3.1 測試功能

1.故障快速檢測、定位與維修?？蓪︶t(yī)療設(shè)備集中控制總線通信系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測與診斷，并實現(xiàn)故障定位。

2.醫(yī)療設(shè)備集中控制總線通信系統(tǒng)多設(shè)備節(jié)點之間信息共享與綜合控制功能完好性檢測。通過外界加入激勵，檢測多個子系統(tǒng)節(jié)點的信息共享和綜合控制功能是否完好。

3.系統(tǒng)性能狀態(tài)實時監(jiān)測。在線捕捉實際操作中數(shù)字化手術(shù)室連接各醫(yī)療設(shè)備總線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒁约跋嚓P(guān)參數(shù)信息，動態(tài)檢測總線負(fù)載率等實時性能指標(biāo)。

1.3.2 測試方法

測試分為主動測試和被動測試兩種模式。

主動測試模式下，測試設(shè)備主動向各醫(yī)療設(shè)備功能節(jié)點主動模擬發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自檢命令，節(jié)點收到命令后作出反應(yīng)進(jìn)行自檢，并將相應(yīng)信息回傳到測試設(shè)備。

被動測試模式下，測試設(shè)備被動接收各功能節(jié)點發(fā)來的信息，不主動發(fā)送命令信息。

2 通信數(shù)據(jù)解析

2.1 ID標(biāo)識符定義

設(shè)計的實時監(jiān)測與故障診斷測試系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)采用CAN2.0B擴展幀格式的幀類型，對應(yīng)的29位標(biāo)識符定義如表1所示。

表1 CAN總線控制域格式

保留位固定填0。3位的優(yōu)先級是CAN數(shù)據(jù)包優(yōu)先級，可以有8個優(yōu)先級，000具有最高優(yōu)先級。8位DM為數(shù)據(jù)類型代碼，8位E_DM/DA為目標(biāo)地址或數(shù)據(jù)類型擴展碼，當(dāng)DM值小于200時為目標(biāo)地址DA，當(dāng)DM大于或等于200時為數(shù)據(jù)類型擴展碼E_DM，DM、E_DM是不同物理意義信息按一定規(guī)則賦予的唯一代碼，代表CAN數(shù)據(jù)的類型和意義。8位SA為發(fā)送節(jié)點CAN總線地址。模擬搭建的手術(shù)室主控終端及各醫(yī)療設(shè)備節(jié)點ID定義如表2所示。

表2 各醫(yī)療設(shè)備ID標(biāo)識符

2.2 數(shù)據(jù)信息實例解析

以監(jiān)護設(shè)備發(fā)送的心率、血壓、血氧濃度等信息為例，對其ID標(biāo)識符及數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。監(jiān)護設(shè)備參數(shù)信息定義如表3所示。根據(jù)表1中ID標(biāo)識符分配表，當(dāng)優(yōu)先級為1時，前兩個字節(jié)可解析為0x01；DM根據(jù)定義為C8；由于C8≥200，所以，緊接著的兩個字節(jié)為數(shù)據(jù)類型擴展碼E_DM=10；最后的兩個字節(jié)SA為發(fā)送節(jié)點CAN總線地址，取值0x02。所以監(jiān)護設(shè)備發(fā)送信息的節(jié)點ID標(biāo)識符可解析為0x01C81002，測試系統(tǒng)可識別此ID進(jìn)而對監(jiān)護設(shè)備發(fā)送的病人心率、血壓、血氧濃度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采集、解析與分析，進(jìn)行故障診斷。

表3 監(jiān)護設(shè)備信息定義

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 功能實現(xiàn)

根據(jù)數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)主控終端、各功能節(jié)點傳輸消息的種類，測試系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的檢測項目，根據(jù)功能需求可將主界面分為醫(yī)療設(shè)備節(jié)點在線狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通測試、重要信息和狀態(tài)類信息檢測與解析診斷、報警類信息采集與解析診斷、總線性能分析監(jiān)測四部分界面。由于LabWindows/CVI設(shè)計界面美觀，函數(shù)庫調(diào)用方便［7］，故本測試系統(tǒng)采用CVI軟件進(jìn)行人機交互界面的設(shè)計與實現(xiàn)，界面設(shè)計流程及功能規(guī)劃如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理

測試系統(tǒng)設(shè)計有四個數(shù)據(jù)庫，分別用于存放系統(tǒng)歷史使用記錄、自檢信息數(shù)據(jù)、狀態(tài)類信息數(shù)據(jù)、故障報警數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)實時性要求不同，故本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫存儲與管理技術(shù)來處理各種類型的數(shù)據(jù)以保證系統(tǒng)的實時性，主要通過測試系統(tǒng)的內(nèi)部三級緩存進(jìn)行調(diào)度處理。一級緩存用于數(shù)據(jù)實時接收；二級緩存用于數(shù)據(jù)實時解析和判斷；三級緩存用于歷史數(shù)據(jù)的存儲。所有數(shù)據(jù)均通過實時數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理與調(diào)度，其管理與調(diào)度模型如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)采集與測試

測試系統(tǒng)軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫三部分。分別為利用CAN通信卡啟動接收線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與接收；主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、監(jiān)測與故障診斷；處理的數(shù)據(jù)及故障診斷結(jié)果放入數(shù)據(jù)庫。軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖3 醫(yī)療設(shè)備CAN網(wǎng)絡(luò)體系測試系統(tǒng)功能

圖4 數(shù)據(jù)庫管理調(diào)度模型

圖5 數(shù)據(jù)采集解析與故障診斷軟件實現(xiàn)流程

4 醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)測系統(tǒng)模擬試驗

將設(shè)計開發(fā)的基于CAN總線的醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)測系統(tǒng)連接到實驗室自搭建的數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)模擬工作臺進(jìn)行模擬試驗。

圖6、圖7為設(shè)計開發(fā)的測試系統(tǒng)報警類信息采集與解析診斷工作界面和總線性能分析實時工作界面。

實時監(jiān)測與故障診斷測試系統(tǒng)在整個工作過程中有幾十個數(shù)據(jù)顯示與操作界面，以上僅列舉2個典型功能顯示界面加以說明。在實際操作過程中，系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定，故障診斷快速、方便，監(jiān)測信息實時、準(zhǔn)確。

圖6 報警類信息采集與解析診斷工作過程

圖7 數(shù)字化手術(shù)室集中控制系統(tǒng)總線性能實時曲線

5 總結(jié)

文本針對醫(yī)療設(shè)備CAN總線通信系統(tǒng)故障機理不明晰，維修檢測方法單一、效率低造成資源經(jīng)濟浪費等問題，基于LabWindows/CVI軟件環(huán)境，設(shè)計開發(fā)了基于CAN總線的醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，通過實驗室模擬搭建的數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備集中控制系統(tǒng)的實際測試，驗證了測試系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了故障及各類關(guān)鍵信息的全面在線實時監(jiān)測與判斷，對于指導(dǎo)實際數(shù)字化手術(shù)室醫(yī)療設(shè)備使用過程中的在線監(jiān)控、修前原位檢測和修后綜合聯(lián)調(diào)具有重要指導(dǎo)意義。

［1］ 饒運濤，鄒繼軍，王進(jìn)宏，等.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)（第2版）［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007

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Designing and realizing of the real-time monitoring and fault diagnosis system for medical equipments based on CAN bus

CHEN Xi-xia1，LIU Qing-chun1，CHEN Yong-xing2，WANG Wen-Yan3

Objective To get a way in solving the problem of unclear fault mechanism，simple and inefficient maintenance inspection methods for medical equipments’ bus communication system. Methods Building an online combining active and passive testing method，using data analysis technology and database management technology，to develop the corresponding test system. Results Based on the software environment of LabWindows/CVI，it realizes the developing of the test system and passes the testing of centralized control system digital operating room’s medical equipments which is built imitatively. Conclusions the test methods are effective to the real-time monitoring and fault diagnosis for medical equipments，and have guidance meaning for the test system’s practical application in latter.

CAN bus； Medical equipments’ communication system；Fault diagnosis； Real-time monitoring

陳希霞，大專學(xué)歷，主管護師，主要從事醫(yī)療采購工作。

孟曉東，E-mail:menxd@126.com