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(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)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(dòng)與被動(dòng)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(duì)醫(yī)療設(shè)備通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。結(jié)果 基于LabWindows/CVI軟件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)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(shí)際測試。結(jié)論 測試方法對(duì)于醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷有效，且對(duì)于測試系統(tǒng)后期的實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測

0 引言

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線［1］由于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備通信中，其在X射線機(jī)、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(shí)時(shí)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(jià)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(duì)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(jì)、時(shí)間、資源浪費(fèi)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(duì)其網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)檢測研究顯得越來越重要。而目前針對(duì)醫(yī)療設(shè)備總線通信系統(tǒng)的綜合測試技術(shù)及實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷等需求開發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線接口的醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)室自搭建的模擬平臺(tái)進(jìn)行了“有效性”驗(yàn)證。該測試系統(tǒng)為實(shí)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(duì)于增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備“綠色”、“高效”、“可靠”等優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(duì)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(duì)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(shí)時(shí)交互的過程。其示意如圖1所示，對(duì)應(yīng)的醫(yī)療設(shè)備包括無影燈、手術(shù)床、攝像頭、監(jiān)護(hù)設(shè)備、生命支持設(shè)備等?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)時(shí)記錄設(shè)備的運(yùn)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(diǎn)、底層傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)信息共享及綜合管理。針對(duì)其CAN總線通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、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(yùn)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(shí)時(shí)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?duì)醫(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(shí)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(diǎn)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(lì)，檢測多個(gè)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測。在線捕捉實(shí)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(dòng)態(tài)檢測總線負(fù)載率等實(shí)時(shí)性能指標(biāo)。

1.3.2 測試方法

測試分為主動(dòng)測試和被動(dòng)測試兩種模式。

主動(dòng)測試模式下，測試設(shè)備主動(dòng)向各醫(yī)療設(shè)備功能節(jié)點(diǎn)主動(dòng)模擬發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自檢命令，節(jié)點(diǎn)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(dòng)測試模式下，測試設(shè)備被動(dòng)接收各功能節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息，不主動(dòng)發(fā)送命令信息。

2 通信數(shù)據(jù)解析

2.1 ID標(biāo)識(shí)符定義

設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷測試系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)采用CAN2.0B擴(kuò)展幀格式的幀類型，對(duì)應(yīng)的29位標(biāo)識(shí)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(jí)是CAN數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)，可以有8個(gè)優(yōu)先級(jí)，000具有最高優(yōu)先級(jí)。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(kuò)展碼，當(dāng)DM值小于200時(shí)為目標(biāo)地址DA，當(dāng)DM大于或等于200時(shí)為數(shù)據(jù)類型擴(kuò)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(diǎn)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(diǎn)ID定義如表2所示。

表2 各醫(yī)療設(shè)備ID標(biāo)識(shí)符

2.2 數(shù)據(jù)信息實(shí)例解析

以監(jiān)護(hù)設(shè)備發(fā)送的心率、血壓、血氧濃度等信息為例，對(duì)其ID標(biāo)識(shí)符及數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。監(jiān)護(hù)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(shí)符分配表，當(dāng)優(yōu)先級(jí)為1時(shí)，前兩個(gè)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(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展碼E_DM=10；最后的兩個(gè)字節(jié)SA為發(fā)送節(jié)點(diǎn)CAN總線地址，取值0x02。所以監(jiān)護(hù)設(shè)備發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)ID標(biāo)識(shí)符可解析為0x01C81002，測試系統(tǒng)可識(shí)別此ID進(jìn)而對(duì)監(jiān)護(hù)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(shí)時(shí)采集、解析與分析，進(jìn)行故障診斷。

表3 監(jiān)護(hù)設(shè)備信息定義

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 功能實(shí)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(diǎn)傳輸消息的種類，測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測項(xiàng)目，根據(jù)功能需求可將主界面分為醫(yī)療設(shè)備節(jié)點(diǎn)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(bào)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(jì)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(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，界面設(shè)計(jì)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(jì)有四個(gè)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(bào)警數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不同，故本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)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(shí)時(shí)性，主要通過測試系統(tǒng)的內(nèi)部三級(jí)緩存進(jìn)行調(diào)度處理。一級(jí)緩存用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收；二級(jí)緩存用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析和判斷；三級(jí)緩存用于歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。所有數(shù)據(jù)均通過實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)流程

4 醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)開發(fā)的基于CAN總線的醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)連接到實(shí)驗(yàn)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(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

圖6、圖7為設(shè)計(jì)開發(fā)的測試系統(tǒng)報(bào)警類信息采集與解析診斷工作界面和總線性能分析實(shí)時(shí)工作界面。

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

圖6 報(bào)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(shí)時(shí)曲線

5 總結(jié)

文本針對(duì)醫(yī)療設(shè)備CAN總線通信系統(tǒng)故障機(jī)理不明晰，維修檢測方法單一、效率低造成資源經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)等問題，基于LabWindows/CVI軟件環(huán)境，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于CAN總線的醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)際測試，驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了故障及各類關(guān)鍵信息的全面在線實(shí)時(shí)監(jiān)測與判斷，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)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(yùn)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

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

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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(hù)師，主要從事醫(yī)療采購工作。

孟曉東，E-mail:menxd@126.com