骨質疏松治療儀的軟件研發*

楊 靜 李戰明 韋 哲

1 引 言

對于骨質疏松癥的治療目前主要以藥物治療為主，但由于個別人對藥物治療存在不耐性和危險性，不存在治療的普遍性，因此，探索物理治療方法是目前國內外醫學界關注的焦點。常見的物理治療方法是利用低頻脈沖磁場進行治療。目前骨質疏松治療儀普遍存在著參數配置混亂、療效不確切的問題，多數產品存在著以止痛效果代替骨質疏松療效的問題，所以規范化、個體化的治療，以及與其他方法如藥物療法的聯合運用是本領域今后的主要發展方向。當前的低頻脈沖電磁場治療骨質疏松的參數配置比較單一，也無公認的規范，不同品牌產品往往采用各自不同的參數配置，孰優孰劣，難以比較。經研究表明，不同年齡、性別和不同類型的骨質疏松會對不同的治療參數敏感，一種治療參數及其組合可能僅適合一種類型的人群。因此，只有個體化的參數配置，即針對患者具體情況制定的個性化參數及其組合，才是最佳和最終的解決方法，而目前所有市售產品都沒有解決這一問題[1]。

2 骨質疏松癥軟件系統的設計思路

2.1 骨質疏松癥軟件系統框圖

本系統是一個實時控制系統，主要根據設定好的治療方案，即治療模式，準確無誤地按計劃完成對患者的治療，因此，不但有很高的實時性，還要有多種功能模塊的協調配合。其整體框圖如圖1所示。

圖1 系統軟件整體框圖

圖1中患者綜合數據庫包括患者基本信息和問診情況數據庫，綜合數據庫包括特異性指標標準庫和治療方案庫。

2.2 骨質疏松癥軟件系統的基本功能

2.2.1 對患者的基本信息進行登記，即建立患者基本信息數據庫。本功能的實現基于Access，建立患者注冊窗口和患者基本信息數據庫。

2.2.2 產生治療信號，即根據專家數據庫的病情判定結果，自動給出治療信號（脈沖磁場的激發信號），也可以手動直接設置治療信號。

2.2.3 存儲治療方案，便于未來的治療、療效評估和個體化治療方案的生產。

2.2.4 治療記錄查詢、報告打印、記錄導出和清除等[3-4]。

2.3 患者綜合數據庫和綜合知識庫的建立

2.3.1 根據查閱的資料和目前醫院廣泛應用的病人登記系統，本系統需要建立的患者綜合數據庫中應該包括患者ID號、姓名、身份證號、性別、年齡、體重、身高、治療日期、居住地址、電話等信息，其中前三項如果已有兩項與病歷數據庫中的吻合則提示患者已開始治療，是否進入上次治療模式，中間的性別、年齡、體重和身高需要和綜合知識庫中的特異性指標進行鏈接在推理機制中運算，作為骨質疏松診斷的一個依據，剩余的信息是用來進行病歷隨訪的，方便對療效進行長期的觀察。

2.3.2 本系統中需要建立很多個小型數據庫，并且需要對這些數據庫進行不同的管理，利用Access很容易實現。Access具有以下優點：Access是真正的關系數據庫管理系統，它具有主關鍵字和外部關鍵字定義，提供了數據庫的完整性應用，避免數據遭到不合理的刪除或修改；它還具有數據確認規則，以免輸入的數據是非精確數據；Access是面向數據庫開發人員和最終用戶的數據庫管理系統，對于數據庫開發人員，利用VBA（Visual Basic for Application）語言以及系統提供的可視化工具和向導，便可設計出具有一定規模、功能強大的數據庫應用系統。

2.4 推理機制的設計

2.4.1 不確定推理方法C-F模型

推理機制是針對綜合數據庫中的當前信息，識別和選取知識庫中對當前問題求解所用的知識進行推理。在本治療系統的推理機制中，有些知識是已知的，而有些知識則是未知的，因此需要在知識不完全的情況下假設某些條件已經具備進行推理。在本系統中，我們采用C-F推理模型。

在C-F模型中，知識是用產生式規則表示的，其一般形式為：

其中，E是知識的前提條件；H是知識的結論；CF（H,E）是知識的可信度。 對它們有如下說明：2.4.1.1 前提條件E可以是一個簡單條件，也可以是由合取和析取構成的復合條件。

2.4.1.2 結論H可以是一個單一的結論，也可以是多個結論。

2.4.1.3 可信度CF又稱為可信度因子或規則強度，它實際上是知識的靜態強度。CF（H,E）的取值范圍是[-1,1]，其值表示當前提條件E所對應的證據為真時，該前提條件對結論H為真的支持程度。CF（H,E）的值越大，對結論H為真的支持程度就越大[2]。

在本系統的推理模型中，我們將問診、特異性指標BMD（骨密度）測定和醫生診斷分別作為前提條件E1，E2和E3；而將骨痛、骨量減少、骨質疏松和嚴重骨質疏松作為結論H1，H2，H3和H4。由于三個前提條件之間不是相互獨立的，它們對結論的重要程度有所不同，需要在前提條件中引入加權因子，對各子條件給出相應的權重，以說明它們對結論的重要程度。由此可得出本系統的C-F模型：

，由C-F模型可形成相應的診斷規則。

2.4.2 診斷依據的確定

本系統的推理機制主要分為問診、BMD測定和醫生診斷三個部分，其中問診意在考察與骨質疏松直接相關的體征因子和不良生活習慣，根據其重要性評估骨質疏松發生的可能性；特異性指標的測定旨在通過客觀的測量結果，衡量骨質疏松發生程度；醫生診斷主要在于診斷是否存在原發性、繼發性以及特發性骨質疏松癥。

2.4.2.1 問診結果根據病人注冊模塊的“性別、年齡、體重、身高”進行簡單運算，并回答以下問題，對最終的答案進行綜合評分后得出，具體如下：

（1）性別和年齡為一個組合，當性別為男時，年齡小于60歲，記0分；60～80歲，記2分；80歲以上，記4分；性別選擇為女時，年齡小于48歲，記0分；48～65歲，記2分；65歲以上，記4分。

（2）體重和身高為一個組合，用以計算體重指數公式為：體重/(身高÷100)2 ，注意體重的單位是Kg，身高的單位是cm。當所得值大于20時，記0分；18～20時，記1分；小于18時，記2分。

（3）需病人回答的問題如下：

①是否經常腰背痛；②是否身高明顯降低；（這兩項只要有一項回答是則問診結果直接判定為骨痛，無需借鑒其他結果）；③是否長期嗜酒；④是否吸煙史長且吸煙量大；⑤是否有經常消化不良；⑥自身是否曾發生非創傷性骨折史。

以上問題回答是則計1分，回答否則計0分。綜合所有分值，得出骨骼健康（0～4分之間）、骨痛（根據問題①和②直接得出）、骨量減少（5～7分之間）和骨質疏松（8～10分之間）四種結果。

2.4.2.2 目前，骨質疏松癥特異性指標主要為骨密度值，骨密度是通過骨密度儀來測得的，可以根據對患者不同身體部位測定骨密度值，綜合得出患者的骨質疏松發生程度。

2.4.2.3 病例診斷是醫生根據診療經驗判斷患者的基本情況，最終得出與四種治療模式相對應的結論：即骨痛、骨量減少、骨質疏松和嚴重骨質疏松。

2.4.3 加權因子ωij的確定

根據以上分析，查閱大量文獻，并結合臨床經驗，可確立各前提條件對結論影響的權重對應關系如下：

2.5 建議治療方案

建議治療方案即針對推理機制得出的最終診斷結果對骨質疏松治療儀施加相應的治療信號。通過參考眾多實驗數據和各種骨質疏松治療儀的參數設置，可以總結出針對不同程度的骨質疏松癥的治療信號，主要是對信號幅值和頻率進行控制。

3 軟件設計中的關鍵問題

3.1 LabVIEW對Access數據庫的訪問技術

3.1.1 LabVIEW訪問數據庫的途徑

當編寫記錄采集數據、存儲文件信息、回放存儲波形等應用程序功能模板時，通常需要使用數據庫訪問技術。使用數據庫可以方便的實現大量數據的存儲、管理和條件查詢。相對于文件系統，LabVIEW本身不能直接訪問數據庫，但使用以下方法可以實現LabVIEW中的數據庫訪問。

利用LabVIEW的ActiveX功能，調用ADO控件，使用SQL語言訪問數據庫。這是一種接近底層的編程方法，因此使用這種方法需要對ADO控件和SQL語言有較深入的了解，開發過程相對比較復雜。

利用免費數據庫工具包LabSQL實現對數據庫的訪問。這也是一種基于ADO技術的訪問數據庫的方式，但使用LabSQL工具包用戶不需要再從底層編程，通過調用已封裝好的子VI，可以方便的實現數據庫的訪問。用戶可以從NI網站上下載免費的LabSQL工具包，這樣就節省了系統的開發成本。

利用LabVIEW中的DLL接口間接訪問數據庫。使用這種方法需要通過使用動態鏈接庫實現對數據庫的調用，開發過程比較復雜，不適于沒有使用過DLL調用數據庫的用戶。

利用NI提供的專門的數據庫訪問工具包Database Connectivity Toolkit實現對數據庫的訪問。工具包集成了一系列高級功能模塊，除了提供基本的數據庫操作還提供了很多高級的數據庫訪問功能，但是它的價格比較貴，增加了開發的成本[5-8]。

3.1.2 利用LabSQL工具包訪問數據庫

LabSQL把底層的ADO操作模塊化封裝，主要分為三大模塊：Command（命令）模塊，Connection（連接）模塊，Recordset（記錄集）模塊。其中Command模塊用于完成類似于創建或刪除一個命令之類的基本ADO操作，Connection模塊用于管理LabVIEW與數據庫的連接，Recordset模塊用于對數據庫中的記錄進行操作，例如，讀取數據庫中的某個記錄元或創建一條記錄。其他3個VI將底層VI封裝起來形成頂層VI，其中SQL Execute.vi用于執行SQL命令，SQL Fetch.vi用于獲取數據庫中的組元信息。圖2為查詢和插入數據的程序框圖。

圖2 查詢和插入數據程序框圖

其中Connectionstring是通過前面板輸入字符串“DSN=information”來打開數據源的，數據源打開后通過SQL Execute節點執行Command Text端子輸入的SQL命令，分別為SELECT和INSERT命令語句來實現數據查詢和數據插入的。

3.2 信號發生器的設計

信號發生器用于產生治療信號，并且信號幅值和頻率可調制。信號發生器的程序框圖如圖3所示。

圖3 信號發生器程序框圖

圖中通過前面板的選項卡控件來切換治療波形為單一信號或是合成信號， 可通過下拉列表來選擇波形，信號頻率和幅值可通過旋鈕控件來調節，另外，可在前面板中通過波形圖顯示控件來觀察治療信號的波形。

4 結論

隨著科技的發展與進步，理療設備的智能化是其發展的必然，除了儀器自身的治療效果和性能方面的不斷改進，儀器操作的簡便、可靠和智能化也是理療儀器的改進方向之一。

引入系統軟件后，理療儀器的科技含量大大提高，不僅使得儀器操作更加便捷，增強了儀器的可控性，而且通過計算治療參數實現了儀器的智能化控制，如果治療參數需要變更，則只需修改控制程序的參數，不需要購買新的硬件設備，便能夠對儀器設備進行升級與更新，從而節省了用戶的資金，也提高了產品的競爭力。

由于系統對治療過程具有全程記錄功能，便于分析療效和生成個體化治療方案，為以后完善治療系統提供大量臨床依據，廣受醫療工作者的歡迎。

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