使用LabVIEW软件为自动化麻醉系统开发闭环控制方法

Author(s):
Dr. Thomas M.. Hemmerling - Department of Anesthesiology, McGill University

Industry:
Biotechnology, Research, Medical, Education

Products:
LabVIEW

The Challenge:
将全身麻醉的控制过程自动化，并在手术中监控病人，让麻醉医师可以在手术时照顾多位病人。

The Solution:
使用 NI LabVIEW 图形化程序软件开发闭环控制系统，以自动监控病人的知觉深度、疼痛程度还有肌肉松弛度，以计算并施打适当的麻醉药剂量。

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。 [p]

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。