開發(fā)滿足醫(yī)療設(shè)備需求的嵌入式軟件技術(shù)及案例
[導(dǎo)讀]一直以來，醫(yī)療設(shè)備都是依賴先進(jìn)的硬件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)某個特定設(shè)備功能的絕大部分特性。如今，醫(yī)療設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)越來越密切，醫(yī)療設(shè)備上所運(yùn)行的多功能軟件變得更加復(fù)雜，并且常常是醫(yī)療產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵所在。此外，
一直以來，醫(yī)療設(shè)備都是依賴先進(jìn)的硬件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)某個特定設(shè)備功能的絕大部分特性。如今，醫(yī)療設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)越來越密切，醫(yī)療設(shè)備上所運(yùn)行的多功能軟件變得更加復(fù)雜，并且常常是醫(yī)療產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵所在。此外，醫(yī)療設(shè)備制造商必須設(shè)計友好的用戶界面（供家用），并提供可現(xiàn)場升級的單元?，F(xiàn)貨供應(yīng)軟件組件更多地被用于家中的消費(fèi)設(shè)備和電腦，但考慮到上述設(shè)計因素，醫(yī)療設(shè)備也開始使用現(xiàn)貨供應(yīng)軟件組件。
本文介紹了當(dāng)前開發(fā)滿足市場新需求的醫(yī)療設(shè)備可用的嵌入式軟件技術(shù)，包括一個公司的真實(shí)例子，該公司使用關(guān)鍵的軟件技術(shù)開發(fā)尖端的醫(yī)療產(chǎn)品。本文還探討了醫(yī)療行業(yè)該如何利用新出現(xiàn)的硬件和軟件技術(shù)，將嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和傳統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合在一起。
復(fù)雜的需求
隨著醫(yī)療設(shè)備功能的增加，需要有更強(qiáng)大和復(fù)雜的嵌入式軟件組件。用于將設(shè)備與外界相連的技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)互連或USB，通常需要用軟件棧來實(shí)現(xiàn)。這些軟件棧通常要依靠操作系統(tǒng)（OS）來確保在醫(yī)療設(shè)備忙于其它任務(wù)的時候，發(fā)送到醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)不會丟失信息。軟件棧越復(fù)雜，那么操作系統(tǒng)就更多地從簡單的實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）向功能全面的操作系統(tǒng)靠攏。然而，許多醫(yī)療設(shè)備仍然需要RTOS的實(shí)時可靠性，用以確保醫(yī)療設(shè)備與病人的通訊質(zhì)量沒有因?yàn)槠渑c外界的通信而打折扣。大多數(shù)商業(yè)的RTOS不僅僅只提供操作系統(tǒng)，還提供有許多與外部設(shè)備通信所需的軟件棧。因此，嵌入式開發(fā)人員可以開發(fā)出用于強(qiáng)大和差異化醫(yī)療設(shè)備所需要的軟件。
但是，使用商業(yè)操作系統(tǒng)感覺上易被某個商業(yè)操作系統(tǒng)供應(yīng)商鎖定。因此，很多醫(yī)療設(shè)備制造商選擇使用開源操作系統(tǒng)，因?yàn)殚_源操作系統(tǒng)對功能、成本以及供應(yīng)商的中立性三者做了很好的平衡。例如，Linux操作系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備中有著良好的使用記錄。但是，Linux操作系統(tǒng)不能滿足所有醫(yī)療設(shè)備軟件的需求，因?yàn)長inux操作系統(tǒng)占用空間大，往往需要為嵌入式設(shè)備增加額外的內(nèi)存和成本，并且有時候不能滿足那些用于采樣或處理實(shí)時大量數(shù)據(jù)的醫(yī)療設(shè)備的實(shí)時處理要求。相比其它桌面操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是非?？煽康?。但是Linux操作系統(tǒng)的安全性不夠，而RTOS有很好的安全性（已經(jīng)被應(yīng)用在航空電子、汽車、工業(yè)控制等行業(yè)中）。若是開發(fā)人員著重空間、性能和安全性，并且不愿意犧牲Linux操作系統(tǒng)所提供的供應(yīng)商中立性以及復(fù)用選項，那么也可以使用基于開放標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化RTOS產(chǎn)品。
基于開放標(biāo)準(zhǔn)的RTOS，如POSIX（可移植操作系統(tǒng)界面），是開源操作系統(tǒng)的又一個選擇。POSIX是一個開放式操作界面標(biāo)準(zhǔn)，它對操作系統(tǒng)各個方面，如信號、調(diào)用、進(jìn)程和線程管理有若干要求。這類操作系統(tǒng)的功能與Linux操作系統(tǒng)非常相似，因?yàn)樗峁┯泄┽t(yī)療設(shè)備與外界相連所需要的軟件棧，并且可以兼容針對Linux操作系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序，只需要將應(yīng)用程序經(jīng)過簡單的重新編譯即可輕松移植進(jìn)來。開放式標(biāo)準(zhǔn)接口也使得代碼今后的移植被簡化，并且消除了使用帶有專利接口的實(shí)時操作系統(tǒng)時所存在的供應(yīng)商鎖定威脅?；跇?biāo)準(zhǔn)的開放式RTOS的最大優(yōu)勢是，它有實(shí)時系統(tǒng)的血統(tǒng)，具有確定性和可靠性以及安全性背景，而這是開源操作系統(tǒng)所不具備的。
使用基于開放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時操作系統(tǒng)
Elekta是一家國際醫(yī)學(xué)技術(shù)公司，該公司當(dāng)前以及未來的醫(yī)療設(shè)備使用了一款基于開放標(biāo)準(zhǔn)的RTOS。該公司新一代醫(yī)療設(shè)備以來自LynuxWorks公司的基于POSIX的LynxOS – SE為核心。
Elekta公司專業(yè)生產(chǎn)用于治療癌癥和腦疾病的放射治療及放射治療系統(tǒng)。Elekta Synergy圖像引導(dǎo)放射治療系統(tǒng)在治療時采用3 – D高清晰度成像。該技術(shù)將患者評估和開始治療的過程加以簡化。它還給醫(yī)生提供最新的圖像數(shù)據(jù)，這樣他們就可以瞄準(zhǔn)更大比例的病變區(qū)，同時盡量減少對周圍健康組織的損傷。
該公司目前的產(chǎn)品開發(fā)工作包括一個數(shù)字治療控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于驅(qū)動數(shù)字直線加速器類產(chǎn)品。對這項技術(shù)而言，公司能夠迅速地將軟件應(yīng)用程序移植到多個產(chǎn)品，以便提高其可靠性和縮短產(chǎn)品的上市時間，這一點(diǎn)很重要。至于其新款治療系統(tǒng)和下一代產(chǎn)品，Elekta公司希望找到一款高性能的對硬盤分區(qū)有額外要求的操作系統(tǒng)—這要就可以同時運(yùn)行其它應(yīng)用程序，而彼此互不干擾。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，Elekta公司選擇了一款基于開放式標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了POSIX技術(shù)。由于LynxOS – SE系統(tǒng)符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，并且完全支持POSIX.1標(biāo)準(zhǔn)，所以Elekta公司可以讓RTOS在未來項目的平臺之間移植軟件。
Elekta公司英國設(shè)計中心的工程師小團(tuán)隊設(shè)計了一款采用LynxOS – SE操作系統(tǒng)的新產(chǎn)品（見圖1）。該工程團(tuán)隊擁有豐富的實(shí)時系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并且在其項目時間進(jìn)度內(nèi)完成了設(shè)計任務(wù)，包括軟件移植和編寫驅(qū)動程序。LynxOS – SE所具有的可移植性和開放標(biāo)準(zhǔn)要素是能夠短時間設(shè)計出首個原型產(chǎn)品的基礎(chǔ)。團(tuán)隊的另一個關(guān)鍵目標(biāo)是創(chuàng)建一個通用的平臺，在此基礎(chǔ)上建立未來的產(chǎn)品。該平臺將包括放射治療系統(tǒng)，以及其它一系列產(chǎn)品，這將使復(fù)雜的程序變得更快和更有效。
因?yàn)镋lekta公司未來的產(chǎn)品戰(zhàn)略還將考慮某些基于64位多核技術(shù)（LynxOS - SE操作系統(tǒng)已經(jīng)支持該技術(shù)）的新硬件架構(gòu)，所以代碼不僅限于在幾個系統(tǒng)之間移植，它也可以跟上以后出現(xiàn)的新技術(shù)。LynxOS - SE操作系統(tǒng)也可以被用于下一代虛擬化硬件平臺。
設(shè)備虛擬化
將醫(yī)療設(shè)備虛擬化的想法似乎有些奇怪，但是將醫(yī)療設(shè)備上運(yùn)行的軟件虛擬化可以使未來的設(shè)備平臺從中受益。虛擬化操作系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心，并正推動軟件應(yīng)用在云計算中的使用。虛擬化技術(shù)還具有能夠提高嵌入式系統(tǒng)尤其是醫(yī)療系統(tǒng)的功能、可用性和安全性的潛力。有一個安全軟件虛擬化的例子，請參閱側(cè)欄“虛擬化安全”。
若只是要求同時連接設(shè)備和運(yùn)行多個應(yīng)用程序，傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)和RTOS就足以勝任。然而，若是單一設(shè)備需要有一個復(fù)雜且熟悉的GUI，要求與臺式機(jī)類似并且還要兼具RTOS的實(shí)時性，那么沒有那款桌面操作系統(tǒng)或?qū)崟r操作系統(tǒng)能夠兩者兼顧。虛擬化技術(shù)可以---通過在單一系統(tǒng)中運(yùn)行多個虛擬操作系統(tǒng)，可以使用傳統(tǒng)的桌面操作系統(tǒng)（如，微軟Windows）來開發(fā)用戶界面；而實(shí)時患者信息部件則采用傳統(tǒng)的實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），如LynxOS - SE。在本案例依賴一款具有實(shí)時屬性的虛擬化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，并且還用到了一個分離內(nèi)核和管理程序（hypervisor）組合產(chǎn)品。
分離內(nèi)核是一個小型、輕量級操作系統(tǒng)，它與處理器的連接是最低級別的。它提供有運(yùn)行應(yīng)用程序的安全分區(qū)，而且每個分區(qū)都給定有其它分區(qū)無法訪問的物理和虛擬資源。分離內(nèi)核不提供諸如磁盤或網(wǎng)絡(luò)訪問等傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)功能，但它管理程序調(diào)度和存儲功能，以及每個分區(qū)有哪些物理設(shè)備（磁盤，圖形，網(wǎng)絡(luò)等）可用。若將分離內(nèi)核與嵌入式系統(tǒng)管理程序相結(jié)合，那么就能夠在相同的硬件平臺上同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)（同時保持它們之間的分離）。
嵌入式管理程序技術(shù)能夠?yàn)樘摂M化客戶機(jī)操作系統(tǒng)提供不同的方案。對準(zhǔn)虛擬化的客戶操作系統(tǒng)加以修改，以便與底層管理程序更加密切地工作。有虛擬化支持的處理器可以提供更好的性能，因?yàn)樗鼘Σ僮飨到y(tǒng)和管理程序以及與底層處理器之間的協(xié)同工作進(jìn)行了優(yōu)化。這種半虛擬化方案通常被RTOS的虛擬化，其中性能和實(shí)時性是關(guān)鍵。對于不能修改或不要求具備實(shí)時性能的操作系統(tǒng)，管理程序可以提供一個完整的虛擬化方案。該方案顯示底層硬件的虛擬視圖，看上去和真實(shí)的硬件平臺完全相同；因此客戶機(jī)操作系統(tǒng)會以為它是運(yùn)行在真正的硬件平臺上。
軟件分區(qū)和管理程序虛擬化還有助于硬件整合，很多醫(yī)療應(yīng)用對此尤其感興趣。通過讓分立的系統(tǒng)運(yùn)行在自己的分區(qū)和允許不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在這些分區(qū)上運(yùn)行，能夠?qū)⑽锢砩溪?dú)立的多個系統(tǒng)整合成單個的物理硬件。
因?yàn)榉蛛x內(nèi)核和嵌入式管理程序（hypervisor）設(shè)計用于嵌入式實(shí)時系統(tǒng)，所以RTOS可以運(yùn)行在與傳統(tǒng)桌面操作系統(tǒng)相同的物理系統(tǒng)中，并且不用犧牲RTOS的實(shí)時性或桌面操作系統(tǒng)的功能。這種嵌入式虛擬化的關(guān)鍵特性是分離內(nèi)核所提供的內(nèi)置安全性。它讓不同的操作系統(tǒng)和其上的應(yīng)用程序訪問同一系統(tǒng)上不同的設(shè)備。例如，在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行的所有應(yīng)用程序，包括潛在的惡意攻擊，除非明確地被允許（如控制應(yīng)用），否則都不能干預(yù)實(shí)時系統(tǒng)。因此，病人敏感的信息和設(shè)備不會曝光給外界。
結(jié)論
高級嵌入式軟件技術(shù)可以提高醫(yī)療設(shè)備的連接性和安全性。這些專用操作系統(tǒng)和運(yùn)行在該操作系統(tǒng)上的任何應(yīng)用程序仍可保持獨(dú)立版本和虛擬化版本，并且可以無縫地移植到虛擬醫(yī)療平臺。這種接口使醫(yī)療設(shè)備公司能夠?qū)⑵洮F(xiàn)有應(yīng)用程序移植到具有桌面功能和與某個端口相連的系統(tǒng)，并且不會影響醫(yī)療設(shè)備的安全性。
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