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McSleepy 在手術(shù)室

    The Challenge:

　　將全身麻醉的控制過程自動化，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)時通常會使用麻醉藥物，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，病人會接受局部、脊椎或全身性的麻醉。"

　　醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)時通常會使用麻醉藥物，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，病人會接受局部、脊椎或全身性的麻醉。使用局部或脊椎麻醉時，只有手術(shù)部位會被麻醉，病人還是會保持部分的知覺，而全身麻醉則會讓病人失去意識，在手術(shù)時進(jìn)入癱瘓狀態(tài)。

　　全身麻醉的藥物會產(chǎn)生 3 種反應(yīng)：催眠狀態(tài)，可以使病人無意識并沈睡；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。醫(yī)生開始手術(shù)之前，麻醉醫(yī)師會選擇適當(dāng)?shù)乃巹?，以達(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，這會占據(jù)他們 20% 以上的時間。

　　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間，使其能有更多時間關(guān)注手術(shù)的其他層面，我們這個由 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)時的知覺深度、疼痛程度與肌肉運(yùn)動，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 時要先打點(diǎn)滴，然后運(yùn)用傳感器量測病人的肌肉運(yùn)動，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)會顯示在 1 個圖形使用接口上，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 故障時會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)師可以手動取消系統(tǒng)的任何運(yùn)作。例如，如果有個傳感器不再傳輸信號給計(jì)算機(jī)時，機(jī)器就會自動進(jìn)入基本的手動模式。機(jī)器在手術(shù)期間每隔 15 分鐘便會計(jì)算病人接收的平均藥量。如果系統(tǒng)產(chǎn)生問題時，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)師用半自動模式操作系統(tǒng)，以手動輸入藥量時，當(dāng)輸入發(fā)生問題時，譬如不小心把某種藥量輸入得太高。那么機(jī)器會發(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。這臺機(jī)器可以學(xué)習(xí)醫(yī)生的偏好及各種手術(shù)的時間長度等事情。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，每次手術(shù)結(jié)束后，McSleepy都會儲存趨勢數(shù)據(jù)。一般來說，因?yàn)檫@臺機(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，需要時可隨時改變。事實(shí)上，在 2009 年 1 月召開的麻醉技術(shù)協(xié)會 (Society for Technology in Anesthesia) 年度會議中，麻醉醫(yī)師會員頒發(fā)了技術(shù)創(chuàng)新卓越獎 (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，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)師可能會需要同時照顧好幾位病人。

　　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。