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麦基尔大学(McGill University)使用NI LabVIEW软件为自动化麻醉系统开发闭环控制方

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医生在进行手术时通常会使用麻醉药物,以阻断病人的疼痛或忧虑等所有知觉。根据手术的种类而定,病人会接受局部、脊椎或全身性的麻醉。使用局部或脊椎麻醉时,只有手术部位会被麻醉,病人还是会保持部分的知觉,而全身麻醉则会让病人失去意识,在手术时进入瘫痪状态。

全身麻醉的药物会产生 3 种反应:催眠状态,可以使病人无意识并沈睡;痛觉缺失,可以阻断疼痛的知觉;放松,以避免多余的肌肉运动。医生开始手术之前,麻醉医师会选择适当的药剂,以达到上述 3 种反应。在手术过程中,麻醉医师必须管理施打的药剂量,这会占据他们 20% 以上的时间。

McSleepy 带领 LabVIEW 进入手术室

为了减少麻醉医师花在施打麻醉药剂上的时间,使其能有更多时间关注手术的其他层面,我们这个由 McGill 大学的麻醉医师与生物医疗工程师所组成的小组,发展了 1 套自动麻醉系统的原型。这套系统之所以叫做「McSleepy」是因为热门的电视影集《实习医生》中有 2 位医生名叫 McDreamy 及 McSteamy,本系统的目的是要协助麻醉医生,而非取代他们。此外,McSleepy不是设计来超越麻醉医师的能力,但是若需要的话是能做到的。

McSleepy 是 1 套闭环控制系统,用来监控病人手术时的知觉深度、疼痛程度与肌肉运动,并根据已知的数据,透过静脉注射适当的药量。麻醉医师使用 McSleep 时要先打点滴,然后运用传感器量测病人的肌肉运动,之后输入病人的数据,包括年龄、身高、体重与性别;进行的手术种类;麻醉医师对病人的药量是否有任何特殊要求。

系统开始施打药物之后,便会透过 1 种数学表达式,以每分钟为单位监控并控制药量,这种表达式是我们使用 LabVIEW 图形程序软件开发出来的。病人的数据会显示在 1 个图形使用接口上,这也是我们使用 LabVIEW 开发的,这样一来麻醉医师就可以看到病人对于 McSleepy 施打的麻醉剂有何反应。使用 LabVIEW 开发图形使用接口,我们整合了熟悉的图形元素,例如长得像里程计与温度计的调节器,以及透过毕斯脑波指数用色码来追踪病人的知觉程度。我们也使用自创的「痛觉缺失分数表」 (Analgoscore) 来追踪病人的疼痛程度。

设计 McSleepy 成为安全聪明的系统

为了避免 McSleepy 故障时会给病人太多或太少的药物,我们在闭回路控制系统中建造了多重安全机制。首先,麻醉医师可以手动取消系统的任何运作。例如,如果有个传感器不再传输信号给计算机时,机器就会自动进入基本的手动模式。机器在手术期间每隔 15 分钟便会计算病人接收的平均药量。如果系统产生问题时,它可以施打平均药量,让病人保持沈睡无痛的状态,直到问题排除或是麻醉医师接手为止。

此外,如果麻醉医师用半自动模式操作系统,以手动输入药量时,当输入发生问题时,譬如不小心把某种药量输入得太高。那么机器会发出警告说药量太高。

McSleepy 的另 1 项特点是我们使用人工智能来设计程序。这台机器可以学习医生的偏好及各种手术的时间长度等事情。只要 1 位医生在同样的手术中使用 McSleepy 达 20 次,它就能认得模式。同时,每次手术结束后,McSleepy都会储存趋势数据。一般来说,因为这台机器是结合了人工智能与人力输入的闭回路控制系统,所以其实会比只有 1 位麻醉医师施打麻药还来得安全。

使用 LabVIEW 开发闭回路控制系统的好处

当工程师与科学家希望以最快的速度将新创意运用于临床试验上,他们需要使用便利的程序语言,用最少的时间获得最大的功效,而 LabVIEW 是最能满足这项目的的工具,因为用这种图形化的环境进行程序设计,会比使用其他困难的语言 (C+ 或 Java) 来得容易。

再者,使用LabVIEW 开发图形使用接口还能解决大多数闭回路控制系统的共通问题,那就是缺乏用户接口,用户无法看到现况的进展。McSleepy不是神秘的黑盒子,其与人的互动性对于麻醉医师来说很重要,这也是为何他们喜欢这套系统的缘故。医师可以轻松监控药量,需要时可随时改变。事实上,在 2009 年 1 月召开的麻醉技术协会 (Society for Technology in Anesthesia) 年度会议中,麻醉医师会员颁发了技术创新卓越奖 (Excellence in Technology Innovation Award) 给 McSleepy 的设计团队。

我们一开始就使用 LabVIEW 的原因是希望创造出美观又好用的画面。其用户接口是如此的单纯,所以手术室里的麻醉医师与外科医师都能看懂 McSleepy 上的数据。整体而言,LabVIEW 的好处就是使用便利,而且能创造绝佳的图形化接口。

McSleepy 的未来发展

我们受到 2009 年 NI 「医疗仪器机械赞助计划」 ( Medical Device Grant Program) 的赞助,升级到 LabVIEW 8.6 平台,让我们能将 McSleepy 的接口放到 PDA 上。如此一来,麻醉医师便能以远距方式控制、监控并记录病人的情况。这是很重要的一点,因为许多国家缺乏麻醉医师这样的专科医生,而且未来麻醉医师可能会需要同时照顾好几位病人。

我们目前拥有功能齐全的 McSleepy 原型,这是由现成的硬件与利用 LabVIEW 开发的专利表达式组合而成。我们打算使用现有的原型,找出适当的方法在 5 年内上市。本计划包含获取资金以进行更多研究,以改良并商业化这套系统,并寻求加拿大卫生部与美国食品药物管理局的审核。

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