21世纪是生命和健康的世纪,生命科学的飞速进步不断推动着人类对自身健康和疾病的认识,如何开发创新型的医疗电子设备也成为研究的热点之一。
医疗设备研究内容涉及众多工程学研究领域,如电子学、计算机、信息处理、光学、精密机械学等。随着医学的发展、治疗手段的多样化和相关工程领域技术的不断进步,医疗电子设备正变得日益复杂化。一般大型医疗设备由多个子系统组成,需要集成多种传感器、机械部件、电子元件,如FPGA或微处理器等,还会涉及到多种专业总线和协议,其研发周期也相当长,可能需要2年~3年甚至更长的时间。于是,如何缩短整个医疗电子设备系统的开发时间、提高创新程度便成为占领市场的要素。
对于一些小型公司来说,如何从激烈的市场竞争中站稳脚跟并脱颖而出是非常困难的事情。他们的核心技术人员也许是生物医学领域的专家,掌握了一定的专利或研究成果,但如何在团队人员非常有限的情况下,快速的将专利或研究成果转化成产品、并保证产品的可靠性和稳定性是很大的难点。因此在竞争激烈的医疗电子市场,实现快速原型构建是关键。从另外一个角度看,对于大学、研究所或者公司的研发机构来说,他们必须着眼于未来的、有一定前瞻性和创新性的设备研发,因此这部分研发人员需要关注的是,如何快速地对一些算法或理论上的研究成果进行验证、并进一步搭建出实际的系统直至产品化,从而将自己的科研项目或专利产业化,获取更多支持以进入良性循环。
综上所述,对于医疗电子设备的开发人员来说,系统本身在电子、机械、传感器等方面的复杂性以及市场竞争的需求,使得如何快速地对研究成果进行原型验证并产品化成为领先于市场的关键。
通过统一的平台快速构建原型系统
系统开发一般可以分为设计、原型验证、发布三个阶段。设计阶段主要针对产品本身以及其中牵涉到的算法、概念;原型验证是对设计的可行性进行验证或评估;发布是产品的最终实现。设计阶段的主要任务是由开发团队中生物医学、信号处理、图像处理方面的专家或研发人员使用文本和数学工具进行算法或系统设计。原型验证阶段的主要任务是在一定的硬件平台上实现设计算法并进行验证和评估,从而进一步调整算法,这部分任务通常由具有电子工程背景的嵌入式系统开发人员,在 VxWorks、QNX、Linux等嵌入式操作系统上加以完成,他们所使用的软件工具是和硬件平台直接相关的,如CCS, VHDL, VDSP++等。 一般情况下这两个阶段的开发人员和开发平台都是不同的,因此原型阶段的开发者必须无缝地将设计阶段的成果加以吸纳和转换,如果系统需求需要修正或者算法设计有些错误,就会导致原型阶段的大量修正工作甚至返工。 因此,整个系统开发是一个循环递进的过程。
为了减少这两个阶段之间循环往复的次数,很多开发团队都采取了两边互相靠拢的方法,要求前端的算法设计人员对硬件和底层编程有一定了解,而后端的嵌入式系统开发人员也需要有一定的生物医学背景。这种方法一定程度上能够让两个阶段之间更好地进行沟通,但是对开发人员的要求较高,而且缺少系统性,随着医疗电子系统的日益复杂化,不能从根本上解决问题。
一种更为釜底抽薪的解决方案是将这两个阶段的工作移植到统一开发平台之中,即在一个开发平台下集成算法和硬件:一方面,在算法设计阶段引入硬件I/O进行前期的验证,可以在更早阶段发现并修正潜在的错误;另一方面,由于使用同样的开发环境,算法设计的代码可以在原型验证的过程中被重用,从而简化编程的复杂性,降低了对算法设计人员和嵌入式开发人员的要求,从根本上加快循环递进的过程,从而缩短系统的开发时间。
LabVIEW:快速搭建医疗电子原型的图形化平台
LabVIEW 图形化开发平台自1986年诞生以来一直致力于简化编程的复杂性,其图形化编程方式也已成为标准的开发工具。对于医疗电子的开发来说,LabVIEW提供了将硬件I/O引入算法设计的快捷方式,并通过代码重用和商业化、可发布的嵌入式原型平台,简化构建原型系统的复杂性。