基于CAN總線的醫療設備實時監測與故障診斷系統設計實現

陳希霞，王文妍，劉慶春，孟曉東

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

基于CAN總線的醫療設備實時監測與故障診斷系統設計實現

陳希霞1，王文妍2，劉慶春1，孟曉東3

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

目的 為醫療設備總線通信系統故障機理不明晰，維修檢測方法單一、效率低等問題提供解決方法。方法 構建CAN總線網絡主動與被動相結合的數據測試方法，利用數據解析和數據庫管理技術開發針對醫療設備通信系統的實時監測與故障診斷系統。結果 基于LabWindows/CVI軟件環境，實現了針對醫療設備通信系統的測試系統的開發，并通過了模擬搭建的數字化手術室醫療設備集中控制系統的實際測試。結論 測試方法對于醫療設備實時監測與故障診斷有效，且對于測試系統后期的實際應用具有指導作用。

CAN總線；醫療設備通信系統；故障診斷；實時監測

0 引言

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

本文根據某數字化手術室醫療設備集中控制系統總線網絡體系實時監測與故障診斷等需求開發實現了基于CAN總線接口的醫療設備實時監測系統，并通過實驗室自搭建的模擬平臺進行了“有效性”驗證。該測試系統為實際數字化手術室醫療設備使用過程中的在線監控、修前原位檢測和修后綜合聯調打下了基礎，對于增強醫療設備“綠色”、“高效”、“可靠”等優點具有重要指導意義。

1 測試原理

1.1 數字化手術室醫療設備集中控制系統構成

數字化手術室主要是將計算機信息技術、生物醫學工程技術與現代醫學技術結合，對手術室現有設備進行數字化端口改造并通過數字化網絡（CAN總線）集成，由集中控制工作站對術中的醫療設備進行控制，并與院內外網絡信息進行實時交互的過程。其示意如圖1所示，對應的醫療設備包括無影燈、手術床、攝像頭、監護設備、生命支持設備等。可實現對手術室中各類設備集中控制，銜接院內現有信息系統的已有各類信息，實時記錄設備的運行數據和手術過程等［6］。

圖1 數字化手術室醫療設備集中控制系統

1.2 測試系統構成

數字化手術室醫療設備集中控制系統通過總線技術將控制終端、各醫療設備節點、底層傳感器和執行器等設備連接起來，實現信息共享及綜合管理。針對其CAN總線通信系統的實時監測與故障診斷測試系統由計算機、CAN總線接口板卡、自編測試與分析軟件、連接電纜等組成。

測試系統組成如圖2所示，可運用“三通連接法”將測試系統的CAN測試板卡利用總線測試電纜連接到待測醫療設備總線通信系統CAN網絡體系進行實時監測與故障診斷。

圖2 手術室醫療設備集中控制系統CAN網絡測試系統

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。可對醫療設備集中控制總線通信系統進行故障檢測與診斷，并實現故障定位。

2.醫療設備集中控制總線通信系統多設備節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，檢測多個子系統節點的信息共享和綜合控制功能是否完好。

3.系統性能狀態實時監測。在線捕捉實際操作中數字化手術室連接各醫療設備總線通信系統網絡上傳輸的信息以及相關參數信息，動態檢測總線負載率等實時性能指標。

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，測試設備主動向各醫療設備功能節點主動模擬發送網絡節點自檢命令，節點收到命令后作出反應進行自檢，并將相應信息回傳到測試設備。

被動測試模式下，測試設備被動接收各功能節點發來的信息，不主動發送命令信息。

2 通信數據解析

2.1 ID標識符定義

設計的實時監測與故障診斷測試系統總線網絡采用CAN2.0B擴展幀格式的幀類型，對應的29位標識符定義如表1所示。

表1 CAN總線控制域格式

保留位固定填0。3位的優先級是CAN數據包優先級，可以有8個優先級，000具有最高優先級。8位DM為數據類型代碼，8位E_DM/DA為目標地址或數據類型擴展碼，當DM值小于200時為目標地址DA，當DM大于或等于200時為數據類型擴展碼E_DM，DM、E_DM是不同物理意義信息按一定規則賦予的唯一代碼，代表CAN數據的類型和意義。8位SA為發送節點CAN總線地址。模擬搭建的手術室主控終端及各醫療設備節點ID定義如表2所示。

表2 各醫療設備ID標識符

2.2 數據信息實例解析

以監護設備發送的心率、血壓、血氧濃度等信息為例，對其ID標識符及數據進行解析。監護設備參數信息定義如表3所示。根據表1中ID標識符分配表，當優先級為1時，前兩個字節可解析為0x01；DM根據定義為C8；由于C8≥200，所以，緊接著的兩個字節為數據類型擴展碼E_DM=10；最后的兩個字節SA為發送節點CAN總線地址，取值0x02。所以監護設備發送信息的節點ID標識符可解析為0x01C81002，測試系統可識別此ID進而對監護設備發送的病人心率、血壓、血氧濃度等信息進行數據實時采集、解析與分析，進行故障診斷。

表3 監護設備信息定義

3 系統實現

3.1 功能實現

根據數字化手術室醫療設備集中控制系統主控終端、各功能節點傳輸消息的種類，測試系統設計相應的檢測項目，根據功能需求可將主界面分為醫療設備節點在線狀態及網絡聯通測試、重要信息和狀態類信息檢測與解析診斷、報警類信息采集與解析診斷、總線性能分析監測四部分界面。由于LabWindows/CVI設計界面美觀，函數庫調用方便［7］，故本測試系統采用CVI軟件進行人機交互界面的設計與實現，界面設計流程及功能規劃如圖3所示。

3.2 數據庫管理

測試系統設計有四個數據庫，分別用于存放系統歷史使用記錄、自檢信息數據、狀態類信息數據、故障報警數據。由于數據實時性要求不同，故本系統采用數據庫存儲與管理技術來處理各種類型的數據以保證系統的實時性，主要通過測試系統的內部三級緩存進行調度處理。一級緩存用于數據實時接收；二級緩存用于數據實時解析和判斷；三級緩存用于歷史數據的存儲。所有數據均通過實時數據庫統一管理與調度，其管理與調度模型如圖4所示。

3.3 數據采集與測試

測試系統軟件程序主要包括數據采集、數據處理、數據入庫三部分。分別為利用CAN通信卡啟動接收線程進行數據的采集與接收；主程序進行數據的處理、監測與故障診斷；處理的數據及故障診斷結果放入數據庫。軟件實現流程如圖5所示。

圖3 醫療設備CAN網絡體系測試系統功能

圖4 數據庫管理調度模型

圖5 數據采集解析與故障診斷軟件實現流程

4 醫療設備實時監測系統模擬試驗

將設計開發的基于CAN總線的醫療設備實時監測系統連接到實驗室自搭建的數字化手術室醫療設備集中控制系統模擬工作臺進行模擬試驗。

圖6、圖7為設計開發的測試系統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。

實時監測與故障診斷測試系統在整個工作過程中有幾十個數據顯示與操作界面，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，系統運行可靠、穩定，故障診斷快速、方便，監測信息實時、準確。

圖6 報警類信息采集與解析診斷工作過程

圖7 數字化手術室集中控制系統總線性能實時曲線

5 總結

文本針對醫療設備CAN總線通信系統故障機理不明晰，維修檢測方法單一、效率低造成資源經濟浪費等問題，基于LabWindows/CVI軟件環境，設計開發了基于CAN總線的醫療設備實時監測與故障診斷系統，通過實驗室模擬搭建的數字化手術室醫療設備集中控制系統的實際測試，驗證了測試系統的可靠性，實現了故障及各類關鍵信息的全面在線實時監測與判斷，對于指導實際數字化手術室醫療設備使用過程中的在線監控、修前原位檢測和修后綜合聯調具有重要指導意義。

［1］ 饒運濤，鄒繼軍，王進宏，等.現場總線CAN原理與應用技術（第2版）［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007

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

［3］ 黃歡，吳建平，李兵兵，等.基于CAN總線的核醫療設備測控系統設計［J］.核電子學與探測技術，2009，29（2）:336-339

［4］ 張文昌，劉志國.CAN總線在醫療車輛方艙中的應用研究［J］.醫療衛生裝備，2008，29（3）:7-9

［5］ 劉君華.現代檢測技術與測試系統設計［M］.西安:西安交通大學出版社，1999

［6］ 鄭建立，楊勇勇，王云龍.數字化手術室醫療設備集中控制方法的研究［J］. 計算機測量與控制，2013，21（3）:674-676

［7］ 望見新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2011

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，大專學歷，主管護師，主要從事醫療采購工作。

孟曉東，E-mail:menxd@126.com