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

Industry:
Biotechnology, Research, Medical, Education

Products:
LabVIEW

The Challenge:
   將全身麻醉的控制過程自動(dòng)化，并在手術(shù)中監(jiān)控病人，讓麻醉醫(yī)師可以在手術(shù)時(shí)照顧多位病人。

The Solution:
   使用 NI LabVIEW 圖形化程序軟件開發(fā)閉環(huán)控制系統(tǒng)，以自動(dòng)監(jiān)控病人的知覺深度、疼痛程度還有肌肉松弛度，以計(jì)算并施打適當(dāng)?shù)穆樽硭巹┝俊?

 
  醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)時(shí)通常會(huì)使用麻醉藥物，以阻斷病人的疼痛或憂慮等所有知覺。根據(jù)手術(shù)的種類而定，病人會(huì)接受局部、脊椎或全身性的麻醉。使用局部或脊椎麻醉時(shí)，只有手術(shù)部位會(huì)被麻醉，病人還是會(huì)保持部分的知覺，而全身麻醉則會(huì)讓病人失去意識(shí)，在手術(shù)時(shí)進(jìn)入癱瘓狀態(tài)。

   全身麻醉的藥物會(huì)產(chǎn)生 3 種反應(yīng)：催眠狀態(tài)，可以使病人無意識(shí)并沈睡；痛覺缺失，可以阻斷疼痛的知覺；放松，以避免多余的肌肉運(yùn)動(dòng)。醫(yī)生開始手術(shù)之前，麻醉醫(yī)師會(huì)選擇適當(dāng)?shù)乃巹赃_(dá)到上述 3 種反應(yīng)。在手術(shù)過程中，麻醉醫(yī)師必須管理施打的藥劑量，這會(huì)占據(jù)他們 20% 以上的時(shí)間。

McSleepy 帶領(lǐng) LabVIEW 進(jìn)入手術(shù)室

   為了減少麻醉醫(yī)師花在施打麻醉藥劑上的時(shí)間，使其能有更多時(shí)間關(guān)注手術(shù)的其他層面，我們這個(gè)由 McGill 大學(xué)的麻醉醫(yī)師與生物醫(yī)療工程師所組成的小組，發(fā)展了 1 套自動(dòng)麻醉系統(tǒng)的原型。這套系統(tǒng)之所以叫做「McSleepy」是因?yàn)闊衢T的電視影集《實(shí)習(xí)醫(yī)生》中有 2 位醫(yī)生名叫 McDreamy 及 McSteamy，本系統(tǒng)的目的是要協(xié)助麻醉醫(yī)生，而非取代他們。此外，McSleepy不是設(shè)計(jì)來超越麻醉醫(yī)師的能力，但是若需要的話是能做到的。

    McSleepy 是 1 套閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來監(jiān)控病人手術(shù)時(shí)的知覺深度、疼痛程度與肌肉運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，透過靜脈注射適當(dāng)?shù)乃幜?。麻醉醫(yī)師使用 McSleep 時(shí)要先打點(diǎn)滴，然后運(yùn)用傳感器量測病人的肌肉運(yùn)動(dòng)，之后輸入病人的數(shù)據(jù)，包括年齡、身高、體重與性別；進(jìn)行的手術(shù)種類；麻醉醫(yī)師對病人的藥量是否有任何特殊要求。

   系統(tǒng)開始施打藥物之后，便會(huì)透過 1 種數(shù)學(xué)表達(dá)式，以每分鐘為單位監(jiān)控并控制藥量，這種表達(dá)式是我們使用 LabVIEW 圖形程序軟件開發(fā)出來的。病人的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在 1 個(gè)圖形使用接口上，這也是我們使用 LabVIEW 開發(fā)的，這樣一來麻醉醫(yī)師就可以看到病人對于 McSleepy 施打的麻醉劑有何反應(yīng)。使用 LabVIEW 開發(fā)圖形使用接口，我們整合了熟悉的圖形元素，例如長得像里程計(jì)與溫度計(jì)的調(diào)節(jié)器，以及透過畢斯腦波指數(shù)用色碼來追蹤病人的知覺程度。我們也使用自創(chuàng)的「痛覺缺失分?jǐn)?shù)表」 (Analgoscore) 來追蹤病人的疼痛程度。

設(shè)計(jì) McSleepy 成為安全聰明的系統(tǒng)

 為了避免 McSleepy 故障時(shí)會(huì)給病人太多或太少的藥物，我們在閉回路控制系統(tǒng)中建造了多重安全機(jī)制。首先，麻醉醫(yī)師可以手動(dòng)取消系統(tǒng)的任何運(yùn)作。例如，如果有個(gè)傳感器不再傳輸信號(hào)給計(jì)算機(jī)時(shí)，機(jī)器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入基本的手動(dòng)模式。機(jī)器在手術(shù)期間每隔 15 分鐘便會(huì)計(jì)算病人接收的平均藥量。如果系統(tǒng)產(chǎn)生問題時(shí)，它可以施打平均藥量，讓病人保持沈睡無痛的狀態(tài)，直到問題排除或是麻醉醫(yī)師接手為止。

  此外，如果麻醉醫(yī)師用半自動(dòng)模式操作系統(tǒng)，以手動(dòng)輸入藥量時(shí)，當(dāng)輸入發(fā)生問題時(shí)，譬如不小心把某種藥量輸入得太高。那么機(jī)器會(huì)發(fā)出警告說藥量太高。

   McSleepy 的另 1 項(xiàng)特點(diǎn)是我們使用人工智能來設(shè)計(jì)程序。這臺(tái)機(jī)器可以學(xué)習(xí)醫(yī)生的偏好及各種手術(shù)的時(shí)間長度等事情。只要 1 位醫(yī)生在同樣的手術(shù)中使用 McSleepy 達(dá) 20 次，它就能認(rèn)得模式。同時(shí)，每次手術(shù)結(jié)束后，McSleepy都會(huì)儲(chǔ)存趨勢數(shù)據(jù)。一般來說，因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)器是結(jié)合了人工智能與人力輸入的閉回路控制系統(tǒng)，所以其實(shí)會(huì)比只有 1 位麻醉醫(yī)師施打麻藥還來得安全。

使用 LabVIEW 開發(fā)閉回路控制系統(tǒng)的好處

   當(dāng)工程師與科學(xué)家希望以最快的速度將新創(chuàng)意運(yùn)用于臨床試驗(yàn)上，他們需要使用便利的程序語言，用最少的時(shí)間獲得最大的功效，而 LabVIEW 是最能滿足這項(xiàng)目的的工具，因?yàn)橛眠@種圖形化的環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，會(huì)比使用其他困難的語言 (C+ 或 Java) 來得容易。

   再者，使用LabVIEW 開發(fā)圖形使用接口還能解決大多數(shù)閉回路控制系統(tǒng)的共通問題，那就是缺乏用戶接口，用戶無法看到現(xiàn)況的進(jìn)展。McSleepy不是神秘的黑盒子，其與人的互動(dòng)性對于麻醉醫(yī)師來說很重要，這也是為何他們喜歡這套系統(tǒng)的緣故。醫(yī)師可以輕松監(jiān)控藥量，需要時(shí)可隨時(shí)改變。事實(shí)上，在 2009 年 1 月召開的麻醉技術(shù)協(xié)會(huì) (Society for Technology in Anesthesia) 年度會(huì)議中，麻醉醫(yī)師會(huì)員頒發(fā)了技術(shù)創(chuàng)新卓越獎(jiǎng) (Excellence in Technology Innovation Award) 給 McSleepy 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

   我們一開始就使用 LabVIEW 的原因是希望創(chuàng)造出美觀又好用的畫面。其用戶接口是如此的單純，所以手術(shù)室里的麻醉醫(yī)師與外科醫(yī)師都能看懂 McSleepy 上的數(shù)據(jù)。整體而言，LabVIEW 的好處就是使用便利，而且能創(chuàng)造絕佳的圖形化接口。

McSleepy 的未來發(fā)展

我們受到 2009 年 NI 「醫(yī)療儀器機(jī)械贊助計(jì)劃」 (Medical Device Grant Program) 的贊助，升級到 LabVIEW 8.6 平臺(tái)，讓我們能將 McSleepy 的接口放到 PDA 上。如此一來，麻醉醫(yī)師便能以遠(yuǎn)距方式控制、監(jiān)控并記錄病人的情況。這是很重要的一點(diǎn)，因?yàn)樵S多國家缺乏麻醉醫(yī)師這樣的?？漆t(yī)生，而且未來麻醉醫(yī)師可能會(huì)需要同時(shí)照顧好幾位病人。

    我們目前擁有功能齊全的 McSleepy 原型，這是由現(xiàn)成的硬件與利用 LabVIEW 開發(fā)的專利表達(dá)式組合而成。我們打算使用現(xiàn)有的原型，找出適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ?5 年內(nèi)上市。本計(jì)劃包含獲取資金以進(jìn)行更多研究，以改良并商業(yè)化這套系統(tǒng)，并尋求加拿大衛(wèi)生部與美國食品藥物管理局的審核。