一种基于全仿真的医疗设备故障预测与健康管理系统开发平台的研究*

杨燕，顾维佳，杨俊，金伟

(1. 南京医科大学附属无锡市人民医院医学工程处,无锡 214023; 2. 南京医科大学附属无锡市人民医院采购中心,无锡 214023)

1 引 言

随着医学技术不断进步，医疗设备愈加先进，诊治结果也愈加精确和稳定[1]。但由于医疗设备系统部件的磨损、老化以及外部环境的影响，使得医疗设备的性能发生退化，最终导致设备失效。当医疗设备发生故障时，其诊治结果就得不到保证，轻则影响医疗秩序，重则影响疾病诊治，造成医院社会经济效益的损失[2-3]。

长期以来，医院在维修技术保障方面，投入大量精力在维修技术手段的革新和维修器材的使用上，主要围绕如何修复医疗设备故障，以上措施只能保证医疗设备的正常使用，但无法预知医疗设备的正常使用期限。如何及时准确地预测医疗设备出现的故障风险，并据此合理实施预防性维护措施，是医院设备管理部门面临的严峻课题[4-5]。因此，准确预知设备出现故障的节点，制定科学合理的预防性维护策略，不仅能保证医疗设备运行的效率和安全，而且能延长设备的生命周期，提高医院的社会经济效益[6]。

故障预测和健康管理(prognostics and health management, PHM)[7-8]技术是利用状态监测数据，监测、诊断、预测和管理设备健康状态的技术[9]。与传统的计划维护体制相比，基于PHM技术能够提高医疗设备的使用率，有效地降低故障风险、保障患者的安全，同时能够减少医院的社会经济损失，因此，研究和发展PHM技术具有重要意义。

PHM技术已在多个领域得到了一定程度的应用，由于PHM系统是面向具体对象的，不同的对象和应用需求通常需要不同的PHM系统。因此，设计一种能够通用于各种医疗设备的PHM系统开发平台十分必要。基于全仿真方式进行开发平台的设计尤其适合在PHM系统设计初期进行，因此，本研究基于全仿真的方式设计医疗设备PHM系统开发平台。

2 PHM系统设计平台组成

PHM系统是利用传感器进行数据采集，然后借助各种算法和智能模型来监测、管理、预测评估医疗设备的健康状况[10-11]，其基本框架见图1。数据采集指通过各种传感器或测试点等采集的各种参数信息，如温度、电压、电流等；数据处理是对采集到的原始数据进行滤波、特征提取、特征融合等处理；状态监测是将处理过的数据与预定的失效判据等进行比较，以监测系统当前的状态，并可通过预定参数指标阈值/极限值进行故障报警等；健康管理主要用于评估医疗设备(或其子系统)的健康状态(参数退化等)，生成故障诊断记录并确定故障发生的可能性。预测评估是指综合利用各种数据信息，完成医疗设备健康状态的评估和预测；决策生成的主要功能是产生维修、维护活动等建议措施。

图1 PHM系统基本框架图

为了实现PHM系统全过程仿真，其开发平台应具备以下能力：

(1) 满足仿真系统正常运行状态；

(2) 满足仿真关键组件的故障状态；

(3) 能够采集系统运行状态数据；

(4) 能够对状态监督、故障诊断、故障预测以及决策等算法或模型等进行仿真验证；

(5) 系统仿真产生的数据能够满足PHM系统各种能力验证要求。

针对上述能力要求，本研究提出的一种基于Proteus+MATLAB的仿真系统设计方案，见图2。

图2 基于全仿真的医疗设备PHM系统开发平台框图

Proteus是由英国Labcenter electronics公司开发的一款电路设计与实物仿真软件，它具有模拟电路和数字电路仿真功能，同时支持单片机等微处理器的仿真调试，因此，能够在硬件仿真的同时调试软件；通过该方式，在设计之初可以验证系统方案，降低设计成本，提高开发效率[12]。

采用Proteus仿真软件模拟医疗设备运行，使用数据采集电路采集相关参数，通过单片机A/D模块把采集的模拟数据转换成数字信号，然后通过虚拟串口方式把采集的数据传输给MATLAB；MATLAB完成PHM系统数据处理以及状态检测、故障诊断、故障预测等算法的开发和验证等工作。

3 基于Proteus的医疗设备数据仿真及采集系统

3.1 传感器数据仿真

医疗设备的状态数据是PHM方法的核心，而传感器是获取医疗设备状态数据的重要手段[13]。对医疗设备而言，最重要的参数信息为电压、电流等。因此，本研究基于Proteus设计的电压、电流仿真电路，见图3。

图3 电压、电流仿真电路

图3中电路由直流电源(电压为5 V)产生，为了模拟电压的纹波等信息，本研究在直流电源中增加了噪声信息，通过加法电路把噪声信号叠加到直流电源中，噪声信号通过音频文件导入到Proteus中。仿真结果见图4，通道1(黄色曲线)为加了噪声之后的5 V信号，通道2为5 V直流源信号。电流产生电路通过恒流电路产生，将滑动电阻器RV1的分压值与TL084反向电压值作比较，控制MOS功率管的导通与截至，直至电阻器RV1的分压值与TL084反向电压值相等，即可达到恒流模式；改变滑动电阻器RV1的分压值即可改变电流值。

图4 5 V仿真结果电压图

3.2 传感器数据采集

Proteus产生的传感器参数传输至MATLAB，需设计传感器数据采集电路，并通过通信接口传输至MATLAB。医疗设备一般采用交流电供电，而内部电路多为直流供电，因此，在设计电压采集电路时，需要分别设计交流电压、直流电压采集电路，而电流的采集需要使用霍尔传感器把电流转化为电压，电压电流采集电路见图5。

图5 传感器数据采集电路

电压以单相220 V交流电为例，通过电压互感器实现高压信号至小信号的转换，然后由运放构成射级跟随器。单片机AD输入电压要求为0～3.3 V，因此，需要进行电压偏移，然后再次通过一个射级跟随器，最后通过0～3.3 V的钳位电路，确保输入到单片机的信号范围为0～3.3 V之间。直流电压采集较为简单，通过运放构成一个降压电路，确保电压范围为单片机要求的0～3.3 V。电流采集需要把霍尔传感器接入需检测的电流回路中，霍尔传感器把电流信号按照某种关系转换为电压信号，本研究选取的ACS712霍尔传感器输出电压Vout和电流Ip之间的关系为Vout=2.5+0.1×Ip。

3.3 传感器数据传输

本研究基于STM32F103R6单片机通过USART串口将数据传输给MATLAB，AD使用STM32 ADC1模块[14]，为了验证STM32F103R6单片机的数据传输能力，在Keil中编写了AD采集和串口数据发送程序，把生成的Hex文件导入到Proteus中进行仿真，通过串口助手接受Proteus传输的数据，仿真结果见图6。经验证，Proteus能够执行单片机程序，且把AD采集的数据准确的发送出去。

图6 传感器数据传输仿真结果

4 基于MATLAB的PHM仿真系统

Proteus产生的医疗设备仿真数据通过串口传输给MATLAB，根据上述的MATLAB仿真系统框架，本研究基于Simulink搭建PHM仿真系统，见图7。PHM仿真系统由若干模块和子系统组成，其中串口配置和串口数据接收模块根据Proteus串口数据格式进行配置，用于配置串口数据格式和接收Proteus传输的数据，并传输给数据预处理子系统；数据处理、特征提取、状态监测、健康管理、故障预测、维修决策等子系统由PHM系统开发者完成，其数据传递方式和格式由开发者约定，确保上一个子系统输出的数据流在下一个子系统时能够识别且有效，并显示子系统用于仿真系统中关键信息。

每个子系统均由数据输入接口、输出接口及Simulink模块组成。PHM系统开发者除了可以使用Simulink的模块外，还可把自定义函数或功能模块通过s-Function、Interpreted matlab function、matlab function等形式集成在子系统中。

为了验证PHM仿真系统接收Proteus串口数据，使用Proteus发送(在同一台PC上使用虚拟串口发送)采集的220 V交流电压以及5 V直流电压，由于图7中各子系统均为空白，输入直接连接到输出，本研究在Display子系统中使用Scope观察串口接收的图形数据，见图8。

图7 基于Simulink的PHM仿真系统框架图

图8 数据传输验证

5 故障模拟试验验证

对PHM仿真系统而言，最重要的功能是缩短故障发生的周期。医疗设备系统的故障一般可以分为渐变型故障和突变型故障。渐变型故障主要是由电路中的元件损耗导致的系统性能的退化；而突变型故障是指在正常工作时，突然出现的故障，导致系统无法正常工作[15]。突变型故障在发生前无明显的故障数据特征，因此，故障模拟主要针对渐变型故障。

本研究针对电阻电路故障情况进行模拟，部分结果见图9。其中数字示波器通道1(上方黄色)为该电路中电压波形，通道2(下方蓝色)为通过霍尔传感器采集的该电路电流信号。图9(a)表示该电路中电流值有一个变小的过程；图9(b)表示该电路中电流值有一个增大的过程；图9(c)表示该电路中有一个电流降低、电压增大的过程；图9(d)表示该电路中有一个电压降低、电流增加的过程。

图9 故障模拟结果

图9中结果需要根据具体电路结果进行分析，以串行电阻电路为例，图9(a)—(b)表示理想情况下负载(电阻)增大、减小的过程；图9(c)—(d) 主要模拟电源非理想情况下，电路中负载(电阻)增大、减小的过程，在电路中由于电源功率有限，当负载变化时，电源电压会随之变化。

6 总结与讨论

本研究提出了一种基于全仿真的PHM系统开发平台，使用Proteus仿真软件产生传感器数据，设计了采集电路采集传感器数据，并通过串口把采集的数据传输至MATLAB仿真软件，MATLAB根据串口接收的数据进行PHM系统相关算法的开发和验证工作。其创新点在于使用全仿真的方式在前期可以迅速推进PHM系统开发进程，并能根据开发过程中出现的问题及时调整方案；基于Proteus的电路仿真可以根据具体的医疗设备进行裁剪，具有广泛的适用性。同时，基于Proteus设计的传感器数据采集电路可以直接作为后期传感器数据采集硬件设计的参考方案，极大地提高了传感器数据采集电路设计的进度。对于医疗设备PHM系统开发而言，本研究为基础性工作，后续我们将选取具体的医疗设备，根据该医疗设备电路特性、故障模式以及历史故障信息等数据进行PHM仿真系统的开发。