基于CAN总线的医疗设备实时监测与故障诊断系统设计实现

陈希霞，王文妍，刘庆春，孟晓东

（1.武警总医院采购中心 北京100039；2.武警总医院干一科北京100039； 3.武警总医院医疗设备保障中心 北京100039）

基于CAN总线的医疗设备实时监测与故障诊断系统设计实现

陈希霞1，王文妍2，刘庆春1，孟晓东3

（1.武警总医院采购中心 北京100039；2.武警总医院干一科北京100039； 3.武警总医院医疗设备保障中心 北京100039）

目的 为医疗设备总线通信系统故障机理不明晰，维修检测方法单一、效率低等问题提供解决方法。方法 构建CAN总线网络主动与被动相结合的数据测试方法，利用数据解析和数据库管理技术开发针对医疗设备通信系统的实时监测与故障诊断系统。结果 基于LabWindows/CVI软件环境，实现了针对医疗设备通信系统的测试系统的开发，并通过了模拟搭建的数字化手术室医疗设备集中控制系统的实际测试。结论 测试方法对于医疗设备实时监测与故障诊断有效，且对于测试系统后期的实际应用具有指导作用。

CAN总线；医疗设备通信系统；故障诊断；实时监测

0 引言

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线［1］由于实时性强、成本低廉等特点被广泛应用于医疗设备通信中，其在X射线机、CT、核磁共振成像（MRI）、数字化手术室医疗设备一体控制系统、医疗方舱等医疗设备中的应用保证了相关重要信息的实时传输，便捷了医学上人类身体检查与手术的高效、可靠操作［2-4］。然而，由于医疗设备复杂且价格昂贵，一旦发生普通的通信故障等损坏便采取换新或等待专业维修方式处理，对应的故障原因往往不明确、维修方法不系统，这导致经济、时间、资源浪费等不“绿色”的问题［5］。为保障医疗设备CAN总线通信系统的可靠性，针对其网络体系进行相应的实时检测研究显得越来越重要。而目前针对医疗设备总线通信系统的综合测试技术及实时监测研究较少。

本文根据某数字化手术室医疗设备集中控制系统总线网络体系实时监测与故障诊断等需求开发实现了基于CAN总线接口的医疗设备实时监测系统，并通过实验室自搭建的模拟平台进行了“有效性”验证。该测试系统为实际数字化手术室医疗设备使用过程中的在线监控、修前原位检测和修后综合联调打下了基础，对于增强医疗设备“绿色”、“高效”、“可靠”等优点具有重要指导意义。

1 测试原理

1.1 数字化手术室医疗设备集中控制系统构成

数字化手术室主要是将计算机信息技术、生物医学工程技术与现代医学技术结合，对手术室现有设备进行数字化端口改造并通过数字化网络（CAN总线）集成，由集中控制工作站对术中的医疗设备进行控制，并与院内外网络信息进行实时交互的过程。其示意如图1所示，对应的医疗设备包括无影灯、手术床、摄像头、监护设备、生命支持设备等。可实现对手术室中各类设备集中控制，衔接院内现有信息系统的已有各类信息，实时记录设备的运行数据和手术过程等［6］。

图1 数字化手术室医疗设备集中控制系统

1.2 测试系统构成

数字化手术室医疗设备集中控制系统通过总线技术将控制终端、各医疗设备节点、底层传感器和执行器等设备连接起来，实现信息共享及综合管理。针对其CAN总线通信系统的实时监测与故障诊断测试系统由计算机、CAN总线接口板卡、自编测试与分析软件、连接电缆等组成。

测试系统组成如图2所示，可运用“三通连接法”将测试系统的CAN测试板卡利用总线测试电缆连接到待测医疗设备总线通信系统CAN网络体系进行实时监测与故障诊断。

图2 手术室医疗设备集中控制系统CAN网络测试系统

1.3 测试功能及测试方法

1.3.1 测试功能

1.故障快速检测、定位与维修。可对医疗设备集中控制总线通信系统进行故障检测与诊断，并实现故障定位。

2.医疗设备集中控制总线通信系统多设备节点之间信息共享与综合控制功能完好性检测。通过外界加入激励，检测多个子系统节点的信息共享和综合控制功能是否完好。

3.系统性能状态实时监测。在线捕捉实际操作中数字化手术室连接各医疗设备总线通信系统网络上传输的信息以及相关参数信息，动态检测总线负载率等实时性能指标。

1.3.2 测试方法

测试分为主动测试和被动测试两种模式。

主动测试模式下，测试设备主动向各医疗设备功能节点主动模拟发送网络节点自检命令，节点收到命令后作出反应进行自检，并将相应信息回传到测试设备。

被动测试模式下，测试设备被动接收各功能节点发来的信息，不主动发送命令信息。

2 通信数据解析

2.1 ID标识符定义

设计的实时监测与故障诊断测试系统总线网络采用CAN2.0B扩展帧格式的帧类型，对应的29位标识符定义如表1所示。

表1 CAN总线控制域格式

保留位固定填0。3位的优先级是CAN数据包优先级，可以有8个优先级，000具有最高优先级。8位DM为数据类型代码，8位E_DM/DA为目标地址或数据类型扩展码，当DM值小于200时为目标地址DA，当DM大于或等于200时为数据类型扩展码E_DM，DM、E_DM是不同物理意义信息按一定规则赋予的唯一代码，代表CAN数据的类型和意义。8位SA为发送节点CAN总线地址。模拟搭建的手术室主控终端及各医疗设备节点ID定义如表2所示。

表2 各医疗设备ID标识符

2.2 数据信息实例解析

以监护设备发送的心率、血压、血氧浓度等信息为例，对其ID标识符及数据进行解析。监护设备参数信息定义如表3所示。根据表1中ID标识符分配表，当优先级为1时，前两个字节可解析为0x01；DM根据定义为C8；由于C8≥200，所以，紧接着的两个字节为数据类型扩展码E_DM=10；最后的两个字节SA为发送节点CAN总线地址，取值0x02。所以监护设备发送信息的节点ID标识符可解析为0x01C81002，测试系统可识别此ID进而对监护设备发送的病人心率、血压、血氧浓度等信息进行数据实时采集、解析与分析，进行故障诊断。

表3 监护设备信息定义

3 系统实现

3.1 功能实现

根据数字化手术室医疗设备集中控制系统主控终端、各功能节点传输消息的种类，测试系统设计相应的检测项目，根据功能需求可将主界面分为医疗设备节点在线状态及网络联通测试、重要信息和状态类信息检测与解析诊断、报警类信息采集与解析诊断、总线性能分析监测四部分界面。由于LabWindows/CVI设计界面美观，函数库调用方便［7］，故本测试系统采用CVI软件进行人机交互界面的设计与实现，界面设计流程及功能规划如图3所示。

3.2 数据库管理

测试系统设计有四个数据库，分别用于存放系统历史使用记录、自检信息数据、状态类信息数据、故障报警数据。由于数据实时性要求不同，故本系统采用数据库存储与管理技术来处理各种类型的数据以保证系统的实时性，主要通过测试系统的内部三级缓存进行调度处理。一级缓存用于数据实时接收；二级缓存用于数据实时解析和判断；三级缓存用于历史数据的存储。所有数据均通过实时数据库统一管理与调度，其管理与调度模型如图4所示。

3.3 数据采集与测试

测试系统软件程序主要包括数据采集、数据处理、数据入库三部分。分别为利用CAN通信卡启动接收线程进行数据的采集与接收；主程序进行数据的处理、监测与故障诊断；处理的数据及故障诊断结果放入数据库。软件实现流程如图5所示。

图3 医疗设备CAN网络体系测试系统功能

图4 数据库管理调度模型

图5 数据采集解析与故障诊断软件实现流程

4 医疗设备实时监测系统模拟试验

将设计开发的基于CAN总线的医疗设备实时监测系统连接到实验室自搭建的数字化手术室医疗设备集中控制系统模拟工作台进行模拟试验。

图6、图7为设计开发的测试系统报警类信息采集与解析诊断工作界面和总线性能分析实时工作界面。

实时监测与故障诊断测试系统在整个工作过程中有几十个数据显示与操作界面，以上仅列举2个典型功能显示界面加以说明。在实际操作过程中，系统运行可靠、稳定，故障诊断快速、方便，监测信息实时、准确。

图6 报警类信息采集与解析诊断工作过程

图7 数字化手术室集中控制系统总线性能实时曲线

5 总结

文本针对医疗设备CAN总线通信系统故障机理不明晰，维修检测方法单一、效率低造成资源经济浪费等问题，基于LabWindows/CVI软件环境，设计开发了基于CAN总线的医疗设备实时监测与故障诊断系统，通过实验室模拟搭建的数字化手术室医疗设备集中控制系统的实际测试，验证了测试系统的可靠性，实现了故障及各类关键信息的全面在线实时监测与判断，对于指导实际数字化手术室医疗设备使用过程中的在线监控、修前原位检测和修后综合联调具有重要指导意义。

［1］ 饶运涛，邹继军，王进宏，等.现场总线CAN原理与应用技术（第2版）［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007

［2］ 黄世安，刘志国.CAN总线在医疗中的应用及展望［J］.医疗卫生装备，2014，35（8）:112-115

［3］ 黄欢，吴建平，李兵兵，等.基于CAN总线的核医疗设备测控系统设计［J］.核电子学与探测技术，2009，29（2）:336-339

［4］ 张文昌，刘志国.CAN总线在医疗车辆方舱中的应用研究［J］.医疗卫生装备，2008，29（3）:7-9

［5］ 刘君华.现代检测技术与测试系统设计［M］.西安:西安交通大学出版社，1999

［6］ 郑建立，杨勇勇，王云龙.数字化手术室医疗设备集中控制方法的研究［J］. 计算机测量与控制，2013，21（3）:674-676

［7］ 望见新，隋美丽.LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用［M］.北京:化学工业出版社，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

陈希霞，大专学历，主管护师，主要从事医疗采购工作。

孟晓东，E-mail:menxd@126.com