采用LabVIEW为平台开发多参数病人监护仪自动测试系统

采用LabVIEW为平台开发多参数病人监护仪自动测试系统
Develop Automatic Test System for Multi-parameter Patient Monitor Based on LabVIEW Platform

作者：陈祥
职务：高级测试开发工程师
公司：飞利浦（中国）投资有限公司

应用领域：
产品测试

挑战：
以NI LabVIEW为软件核心，集成了多种数据采集卡，通信板卡，各类通用仪器，医疗专用仪器，安规仪器，切换夹具等硬件，共同构成多参数病人监护仪的全功能及安全测试平台。

使用的产品：
 测试硬件：
1) 标准工控机
2) NI PCI GPIB通信板卡(778032-01)
3) NI PCI-6528 24路通道间光隔离漏/源输入
4) NI PCI RS232/4串口通信板卡(777642-04)
5) NI PCI-6733 高速模拟输出(AO)
6) NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ
7) USB-I2C总线适配器
8) Chroma AC Source 61601A交流电源
9) Agilent 53132A高精度频率计数器
10) Agilent N6700可控模块化电源
11) Vitrek V4高压测试仪
12) Metron QA-90漏电流测试仪
13) Kakogawa MT210 Digital Manometer高精度数字压力仪
14) Fluke SPO2 Index2血氧模拟仪
15) Fluke MPS450多参数病人信号模拟仪
16) Bluetooth Dongle蓝牙适配器
17) 标准CO2气体
 测试软件
1) Windows XP Professional操作系统
2) Window Office 2003 Professional (including EXCEL and ACCESS)
3) NI LabVIEW 8.0图形化编程环境
4) NI Application Builder 8.0应用程序生成器
5) NI Report Generation Toolkit用于Microsoft Office的报告生成工具包
6) NI Database Connectivity Toolkit数据库连接工具包
7) NI GPIB Driver
8) NI RS232 Driver
9) NI DAQmx(DAQ Assist)
10) NI Signal Processing Toolkit数据分析工具
11) NI TCP Communication Driver TCP通信协议
12) NI Bluetooth Communication Driver蓝牙通信协议
13) NI Windows Registry Access Vis注册表工具
14) SMbus driver( An External Driver Installed in LabVIEW 8.0)

 相关医疗标准：
1) ANSI/AAMI EC13:2002/(R)2007 《Cardiac monitors, heart rate meters, and alarms》
2) YY91079 《心电监护仪专用标准》
3) BS EN60601-1:1990 BS 5724-1:1989《Medical electrical equipment —Part 1: General requirements for safety》
4) GB 9706.1-2007《医用电气设备_第1部分_安全通用要求》

病人监护仪介绍：
病人监护仪属医疗设备，用于临床实时监护病人的ECG(心电图), SPO2(血氧饱和度)，NIBP(无创血压)，IBP(有创血压)，Temperature(温度), etCO2(末端二氧化碳/呼吸)等各种生理特征参数。

测试系统的架构
测试系统以工控机为控制平台。由内部的GPIB和串口卡来对外围的可编程仪器的控制；由数据采集卡对测试信号进行采集；DIO (数字输入输出) 对自制夹具内部的继电器切换控制；由直流电源控制电磁阀进行测试气体回路管理；通过网路服务器进行测试数据库，测试报表，登录信息的存储管理；
 
图一 系统结构

测试系统的界面
1) 用户管理：
   为了测试系统的操作安全和信息安全，该测试站只允许培训合格的用户访问。该系统还根据使用者的级别定义了相应的操作权限。所有访问信息都会通过网络传入服务器的登录数据库中。
 
图二 登录界面

2) 测试界面：
   该测试界面记录了测试站名称，版本号，待测物的型号，序列号，操作者名称，测试时间，测试数据等必要信息。测试过程还会实时显示当前测试项名称，进度条。
 
图三 测试界面

心电监护仪的测量原理
1) ECG心电功能
   ECG心电图人体非常重要的生理信号，该信号可以反应心率和强度，医生以从中分析病人心脏的状态，如早搏，缺损，室颤，停搏等。
a) 标准心电信号测试
  按标准ANSI/AAMI EC13由NI PCI-6733 高速模拟输出通道(AO)产生标准心电信号；
 
图四 标准心电信号
  按标准ANSI/AAMI EC13设计ECG心电测试信号切换器，NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ的数字输入输出负责内部继电器的切换。
 
图五ECG心电测试信号切换器
b) 心电信号仿真测试
NI RS232 通信模块通过NI PCI RS232/4(777642-04) 通信板卡向Fluke MPS450多参数病人信号模拟仪发送控制指令，设置ECG的心率 (Heart Rate) 和幅度 (Amplitude) 。该模拟还可以模拟多种病理性心电信号。

2) NIBP无创血压功能
   无创血压功能的检测要点是对其内部的气压的精度进行校准。本系统采用可串口编程的Kakogawa MT210 Digital Manometer数字压力仪，该仪器具有很高的测量精度。

3) SPO2血氧饱和度功能
   测试系统通过串口控制卡，设置血氧模拟仪 Fluke SPO2 Index2，输出仿真血氧模拟信号；将信号输入到监护仪，对其精度和相应速度进行测量。

4) IBP有创血压功能
   有创血压用于直接测量人体血管组织内的压力。实际测试中由工控机串口控制MPS450输出仿真信号，来模拟血管压力传感器的信号。

5) etCO2末端二氧化碳/呼吸功能
   EtCO2末端二氧化碳/呼吸功能是利用呼出气体中CO2的分压力量来侦测病人的呼吸率的。本系统采用一瓶标准含量的CO2混合气，来模拟人体呼出的气体。 该气体经过减压阀、流量计、电磁阀组成的气体通路到达待测产品。测试系统通过GPIB总线，设置可编程模块化电源 Agilent N6700，输出直流电压来控制电磁阀的通断。

6) YSI400体温测量功能
  YSI400是一种相当成熟的体温测量方法。 该方法利用电阻的热敏效应测量温度，即特定的温度下该电阻会显现特定的电阻值。测试系统拥有自制的YSI400温度模拟器，是一种可控电阻阵列。NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ的DIO16～23可将该模拟器的切换到不同电阻值，对待测物的各个温度点进行校准。

7) SMbus智能电池接口功能
   SMbus是目前比较流行的一种智能电池接口，工作在3.3VDC。它由 ＋，Temperature，SCL，SDA，Ground组成，其结构与I2C非常类似。测试系统采用USB-I2C总线适配器。该总线适配器附有LabVIEW驱动，测试程序可以调用该驱动，与监护仪的SMbus接口通讯。

8) 时钟信号校准
   时钟信号是由待测物主板上晶体振荡器产生的振荡信号，它的频率特性相当稳定，用作系统时钟的源信号。但晶体振荡器个体之间的频率却是有差异的。测试系统通过GPIB总线读取Agilent 53132A的高精度频率读数，然后将之转换成32位码存入寄存器中。监护仪在启动后会自动读取该寄存器以计算时间。

9) 电路板模拟电信号分析
   待测物的电路板预留很多测试点，这些信号通过针床被引入NI USB-6251 USB高速M系列多功能DAQ的模拟输入通道。使用该数据采集卡的用户不必具有很深硬件知识，可以通过NI DAQmx模块中的DAQ Assist助手快速定制用户所需的测量类型，测量范围，采样率，触发方式，触发延时等。
NI Signal Processing Toolkit 是一种非常有用的信号处理工具，系统使用该工具对采集到的原始信号进行滤波处理，功率谱分析等。

10) Bluetooth蓝牙功能
   为了更加方便地向中心基站传送病人数据，许多病人监护仪都带有蓝牙天线。 测试系统中采用了USB 蓝牙适配器，测试程序中调用NI Bluetooth Communication Driver蓝牙通讯模块，实现适配器和待测物的蓝牙无线互连。

11) LAN以太网通信接口
    以太网通信接口是另一种向中心基站传送病人数据的方式。测试系统更多地将其视为测试接口。所有的待测物的状态设置，数据获取都是通过该接口完成。LabVIEW中的NI TCP Communication Driver支持以太网通讯。

12) 安规测试
   医疗标准对产品的绝缘和漏电流有专门明确的规定。这里对该标准不赘述。本测试系统设计了一种安全测试切换器，由可耐高压的继电器阵列构成。该继电器阵列由PCI-6528 24路光隔离通道来控制，切换来自Vitrek V4高压测试仪和Metron QA-90漏电流测试仪的电路，实现绝缘特性和漏电流等安规指标的测试。

13) 测试数据的管理
为了保证数据安全，测试系统的测试规格数据库，测试报表，访问记录被存储在网络服务器中。
a) 测试规格数据库(Test Specification Database)
测试规格数据库以Access的文件形式存储于网络服务器中，测试站终端通过Database Connectivity Toolkit数据库连接工具包来调用该数据库。
b) 访问记录(Login History)
该文件的存储位置和调用方式与a)类似。每当有操作者登录测试站是就会自动记录下来，以备将来查证。
c) 测试报告(Test Report)
系统调用报告生成工具（NI Report Generation Toolkit）来产生Excel报告。生成的报告会被存储于网络服务器中。

14) 项目化管理和执行程序的封装
   LabVIEW 8.0开始向用户提供项目管理的编辑环境，使程序看上去更有条理，有利于大型程序的编写。
   我们可以将NI Application Builder 生成的执行程序进一步封装成安装文件。用户可直接将该文件安装到目标测试平台上，还可以通过操作系统中的“Add/Remove Programs”工具移除测试程序文件。

心电监护仪测试系统的性能评估
   心电监护仪传统的手动测试非常耗时费力，结果更多地依靠测试人员判断，一致性和可靠性都不好。而本系统属全自动测试系统，测量的重复性可靠性非常好，而且测试效率得到了大幅度提升。

结束语
    LabVIEW图像化编程语言无缝透明地支持了板卡类仪器，使测试工程师不必关注底层硬件；同时兼容了传统台式仪器，特殊接口专用仪器，避免了更新仪器带来的成本负担；为工程师提供了丰富的工具和通信接口模块，完全满足病人监护仪自动测试平台的开发需求。