一種基于全仿真的醫療設備故障預測與健康管理系統開發平臺的研究*

楊燕，顧維佳，楊俊，金偉

(1. 南京醫科大學附屬無錫市人民醫院醫學工程處,無錫 214023; 2. 南京醫科大學附屬無錫市人民醫院采購中心,無錫 214023)

1 引 言

隨著醫學技術不斷進步，醫療設備愈加先進，診治結果也愈加精確和穩定[1]。但由于醫療設備系統部件的磨損、老化以及外部環境的影響，使得醫療設備的性能發生退化，最終導致設備失效。當醫療設備發生故障時，其診治結果就得不到保證，輕則影響醫療秩序，重則影響疾病診治，造成醫院社會經濟效益的損失[2-3]。

長期以來，醫院在維修技術保障方面，投入大量精力在維修技術手段的革新和維修器材的使用上，主要圍繞如何修復醫療設備故障，以上措施只能保證醫療設備的正常使用，但無法預知醫療設備的正常使用期限。如何及時準確地預測醫療設備出現的故障風險，并據此合理實施預防性維護措施，是醫院設備管理部門面臨的嚴峻課題[4-5]。因此，準確預知設備出現故障的節點，制定科學合理的預防性維護策略，不僅能保證醫療設備運行的效率和安全，而且能延長設備的生命周期，提高醫院的社會經濟效益[6]。

故障預測和健康管理(prognostics and health management, PHM)[7-8]技術是利用狀態監測數據，監測、診斷、預測和管理設備健康狀態的技術[9]。與傳統的計劃維護體制相比，基于PHM技術能夠提高醫療設備的使用率，有效地降低故障風險、保障患者的安全，同時能夠減少醫院的社會經濟損失，因此，研究和發展PHM技術具有重要意義。

PHM技術已在多個領域得到了一定程度的應用，由于PHM系統是面向具體對象的，不同的對象和應用需求通常需要不同的PHM系統。因此，設計一種能夠通用于各種醫療設備的PHM系統開發平臺十分必要。基于全仿真方式進行開發平臺的設計尤其適合在PHM系統設計初期進行，因此，本研究基于全仿真的方式設計醫療設備PHM系統開發平臺。

2 PHM系統設計平臺組成

PHM系統是利用傳感器進行數據采集，然后借助各種算法和智能模型來監測、管理、預測評估醫療設備的健康狀況[10-11]，其基本框架見圖1。數據采集指通過各種傳感器或測試點等采集的各種參數信息，如溫度、電壓、電流等；數據處理是對采集到的原始數據進行濾波、特征提取、特征融合等處理；狀態監測是將處理過的數據與預定的失效判據等進行比較，以監測系統當前的狀態，并可通過預定參數指標閾值/極限值進行故障報警等；健康管理主要用于評估醫療設備(或其子系統)的健康狀態(參數退化等)，生成故障診斷記錄并確定故障發生的可能性。預測評估是指綜合利用各種數據信息，完成醫療設備健康狀態的評估和預測；決策生成的主要功能是產生維修、維護活動等建議措施。

圖1 PHM系統基本框架圖

為了實現PHM系統全過程仿真，其開發平臺應具備以下能力：

(1) 滿足仿真系統正常運行狀態；

(2) 滿足仿真關鍵組件的故障狀態；

(3) 能夠采集系統運行狀態數據；

(4) 能夠對狀態監督、故障診斷、故障預測以及決策等算法或模型等進行仿真驗證；

(5) 系統仿真產生的數據能夠滿足PHM系統各種能力驗證要求。

針對上述能力要求，本研究提出的一種基于Proteus+MATLAB的仿真系統設計方案，見圖2。

圖2 基于全仿真的醫療設備PHM系統開發平臺框圖

Proteus是由英國Labcenter electronics公司開發的一款電路設計與實物仿真軟件，它具有模擬電路和數字電路仿真功能，同時支持單片機等微處理器的仿真調試，因此，能夠在硬件仿真的同時調試軟件；通過該方式，在設計之初可以驗證系統方案，降低設計成本，提高開發效率[12]。

采用Proteus仿真軟件模擬醫療設備運行，使用數據采集電路采集相關參數，通過單片機A/D模塊把采集的模擬數據轉換成數字信號，然后通過虛擬串口方式把采集的數據傳輸給MATLAB；MATLAB完成PHM系統數據處理以及狀態檢測、故障診斷、故障預測等算法的開發和驗證等工作。

3 基于Proteus的醫療設備數據仿真及采集系統

3.1 傳感器數據仿真

醫療設備的狀態數據是PHM方法的核心，而傳感器是獲取醫療設備狀態數據的重要手段[13]。對醫療設備而言，最重要的參數信息為電壓、電流等。因此，本研究基于Proteus設計的電壓、電流仿真電路，見圖3。

圖3 電壓、電流仿真電路

圖3中電路由直流電源(電壓為5 V)產生，為了模擬電壓的紋波等信息，本研究在直流電源中增加了噪聲信息，通過加法電路把噪聲信號疊加到直流電源中，噪聲信號通過音頻文件導入到Proteus中。仿真結果見圖4，通道1(黃色曲線)為加了噪聲之后的5 V信號，通道2為5 V直流源信號。電流產生電路通過恒流電路產生，將滑動電阻器RV1的分壓值與TL084反向電壓值作比較，控制MOS功率管的導通與截至，直至電阻器RV1的分壓值與TL084反向電壓值相等，即可達到恒流模式；改變滑動電阻器RV1的分壓值即可改變電流值。

圖4 5 V仿真結果電壓圖

3.2 傳感器數據采集

Proteus產生的傳感器參數傳輸至MATLAB，需設計傳感器數據采集電路，并通過通信接口傳輸至MATLAB。醫療設備一般采用交流電供電，而內部電路多為直流供電，因此，在設計電壓采集電路時，需要分別設計交流電壓、直流電壓采集電路，而電流的采集需要使用霍爾傳感器把電流轉化為電壓，電壓電流采集電路見圖5。

圖5 傳感器數據采集電路

電壓以單相220 V交流電為例，通過電壓互感器實現高壓信號至小信號的轉換，然后由運放構成射級跟隨器。單片機AD輸入電壓要求為0～3.3 V，因此，需要進行電壓偏移，然后再次通過一個射級跟隨器，最后通過0～3.3 V的鉗位電路，確保輸入到單片機的信號范圍為0～3.3 V之間。直流電壓采集較為簡單，通過運放構成一個降壓電路，確保電壓范圍為單片機要求的0～3.3 V。電流采集需要把霍爾傳感器接入需檢測的電流回路中，霍爾傳感器把電流信號按照某種關系轉換為電壓信號，本研究選取的ACS712霍爾傳感器輸出電壓Vout和電流Ip之間的關系為Vout=2.5+0.1×Ip。

3.3 傳感器數據傳輸

本研究基于STM32F103R6單片機通過USART串口將數據傳輸給MATLAB，AD使用STM32 ADC1模塊[14]，為了驗證STM32F103R6單片機的數據傳輸能力，在Keil中編寫了AD采集和串口數據發送程序，把生成的Hex文件導入到Proteus中進行仿真，通過串口助手接受Proteus傳輸的數據，仿真結果見圖6。經驗證，Proteus能夠執行單片機程序，且把AD采集的數據準確的發送出去。

圖6 傳感器數據傳輸仿真結果

4 基于MATLAB的PHM仿真系統

Proteus產生的醫療設備仿真數據通過串口傳輸給MATLAB，根據上述的MATLAB仿真系統框架，本研究基于Simulink搭建PHM仿真系統，見圖7。PHM仿真系統由若干模塊和子系統組成，其中串口配置和串口數據接收模塊根據Proteus串口數據格式進行配置，用于配置串口數據格式和接收Proteus傳輸的數據，并傳輸給數據預處理子系統；數據處理、特征提取、狀態監測、健康管理、故障預測、維修決策等子系統由PHM系統開發者完成，其數據傳遞方式和格式由開發者約定，確保上一個子系統輸出的數據流在下一個子系統時能夠識別且有效，并顯示子系統用于仿真系統中關鍵信息。

每個子系統均由數據輸入接口、輸出接口及Simulink模塊組成。PHM系統開發者除了可以使用Simulink的模塊外，還可把自定義函數或功能模塊通過s-Function、Interpreted matlab function、matlab function等形式集成在子系統中。

為了驗證PHM仿真系統接收Proteus串口數據，使用Proteus發送(在同一臺PC上使用虛擬串口發送)采集的220 V交流電壓以及5 V直流電壓，由于圖7中各子系統均為空白，輸入直接連接到輸出，本研究在Display子系統中使用Scope觀察串口接收的圖形數據，見圖8。

圖7 基于Simulink的PHM仿真系統框架圖

圖8 數據傳輸驗證

5 故障模擬試驗驗證

對PHM仿真系統而言，最重要的功能是縮短故障發生的周期。醫療設備系統的故障一般可以分為漸變型故障和突變型故障。漸變型故障主要是由電路中的元件損耗導致的系統性能的退化；而突變型故障是指在正常工作時，突然出現的故障，導致系統無法正常工作[15]。突變型故障在發生前無明顯的故障數據特征，因此，故障模擬主要針對漸變型故障。

本研究針對電阻電路故障情況進行模擬，部分結果見圖9。其中數字示波器通道1(上方黃色)為該電路中電壓波形，通道2(下方藍色)為通過霍爾傳感器采集的該電路電流信號。圖9(a)表示該電路中電流值有一個變小的過程；圖9(b)表示該電路中電流值有一個增大的過程；圖9(c)表示該電路中有一個電流降低、電壓增大的過程；圖9(d)表示該電路中有一個電壓降低、電流增加的過程。

圖9 故障模擬結果

圖9中結果需要根據具體電路結果進行分析，以串行電阻電路為例，圖9(a)—(b)表示理想情況下負載(電阻)增大、減小的過程；圖9(c)—(d) 主要模擬電源非理想情況下，電路中負載(電阻)增大、減小的過程，在電路中由于電源功率有限，當負載變化時，電源電壓會隨之變化。

6 總結與討論

本研究提出了一種基于全仿真的PHM系統開發平臺，使用Proteus仿真軟件產生傳感器數據，設計了采集電路采集傳感器數據，并通過串口把采集的數據傳輸至MATLAB仿真軟件，MATLAB根據串口接收的數據進行PHM系統相關算法的開發和驗證工作。其創新點在于使用全仿真的方式在前期可以迅速推進PHM系統開發進程，并能根據開發過程中出現的問題及時調整方案；基于Proteus的電路仿真可以根據具體的醫療設備進行裁剪，具有廣泛的適用性。同時，基于Proteus設計的傳感器數據采集電路可以直接作為后期傳感器數據采集硬件設計的參考方案，極大地提高了傳感器數據采集電路設計的進度。對于醫療設備PHM系統開發而言，本研究為基礎性工作，后續我們將選取具體的醫療設備，根據該醫療設備電路特性、故障模式以及歷史故障信息等數據進行PHM仿真系統的開發。