醫(yī)生在進行手術(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動。醫(yī)生開始手術(shù)之前,麻醉醫(yī)師會選擇適當?shù)乃巹?,以達到上述 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」是因為熱門的電視影集《實習醫(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、疼痛程度與肌肉運動,并根據(jù)已知的數(shù)據(jù),透過靜脈注射適當?shù)乃幜?。麻醉醫(yī)師使用 McSleep 時要先打點滴,然后運用傳感器量測病人的肌肉運動,之后輸入病人的數(shù)據(jù),包括年齡、身高、體重與性別;進行的手術(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)學表達式,以每分鐘為單位監(jiān)控并控制藥量,這種表達式是我們使用 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,例如長得像里程計與溫度計的調(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「痛覺缺失分數(shù)表」 (Analgoscore) 來追蹤病人的疼痛程度。
設(shè)計 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制。首先,麻醉醫(yī)師可以手動取消系統(tǒng)的任何運作。例如,如果有個傳感器不再傳輸信號給計算機時,機器就會自動進入基本的手動模式。機器在手術(shù)期間每隔 15 分鐘便會計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。那么機器會發(fā)出警告說藥量太高。
McSleepy 的另 1 項特點是我們使用人工智能來設(shè)計程序。這臺機器可以學習醫(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 20 次,它就能認得模式。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,因為這臺機器是結(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
當工程師與科學家希望以最快的速度將新創(chuàng)意運用于臨床試驗上,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 是最能滿足這項目的的工具,因為用這種圖形化的環(huán)境進行程序設(shè)計,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)計團隊。
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)療儀器機械贊助計劃」 (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)師便能以遠距方式控制、監(jiān)控并記錄病人的情況。這是很重要的一點,因為許多國家缺乏麻醉醫(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)的專利表達式組合而成。我們打算使用現(xiàn)有的原型,找出適當?shù)姆椒ㄔ?5 年內(nèi)上市。本計劃包含獲取資金以進行更多研究,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。