McSleepy 在手術(shù)室

    The Challenge:

　　將全身麻醉的控制過(guò)程自動(dòng)化，并在手術(shù)中監控病人，讓麻醉醫師可以在手術(shù)時(shí)照顧多位病人。

　　The Solution:

　　使用 NI LabVIEW 圖形化程序軟件開(kāi)發(fā)閉環(huán)控制系統，以自動(dòng)監控病人的知覺(jué)深度、疼痛程度還有肌肉松弛度，以計算并施打適當的麻醉藥劑量。

　　"醫生在進(jìn)行手術(shù)時(shí)通常會(huì )使用麻醉藥物，以阻斷病人的疼痛或憂(yōu)慮等所有知覺(jué)。根據手術(shù)的種類(lèi)而定，病人會(huì )接受局部、脊椎或全身性的麻醉。"

　　醫生在進(jìn)行手術(shù)時(shí)通常會(huì )使用麻醉藥物，以阻斷病人的疼痛或憂(yōu)慮等所有知覺(jué)。根據手術(shù)的種類(lèi)而定，病人會(huì )接受局部、脊椎或全身性的麻醉。使用局部或脊椎麻醉時(shí)，只有手術(shù)部位會(huì )被麻醉，病人還是會(huì )保持部分的知覺(jué)，而全身麻醉則會(huì )讓病人失去意識，在手術(shù)時(shí)進(jìn)入癱瘓狀態(tài)。

　　全身麻醉的藥物會(huì )產(chǎn)生 3 種反應：催眠狀態(tài)，可以使病人無(wú)意識并沈睡；痛覺(jué)缺失，可以阻斷疼痛的知覺(jué)；放松，以避免多余的肌肉運動(dòng)。醫生開(kāi)始手術(shù)之前，麻醉醫師會(huì )選擇適當的藥劑，以達到上述 3 種反應。在手術(shù)過(guò)程中，麻醉醫師必須管理施打的藥劑量，這會(huì )占據他們 20% 以上的時(shí)間。

　　McSleepy 帶領(lǐng) LabVIEW 進(jìn)入手術(shù)室

　　為了減少麻醉醫師花在施打麻醉藥劑上的時(shí)間，使其能有更多時(shí)間關(guān)注手術(shù)的其他層面，我們這個(gè)由 McGill 大學(xué)的麻醉醫師與生物醫療工程師所組成的小組，發(fā)展了 1 套自動(dòng)麻醉系統的原型。這套系統之所以叫做「McSleepy」是因為熱門(mén)的電視影集《實(shí)習醫生》中有 2 位醫生名叫 McDreamy 及 McSteamy，本系統的目的是要協(xié)助麻醉醫生，而非取代他們。此外，McSleepy不是設計來(lái)超越麻醉醫師的能力，但是若需要的話(huà)是能做到的。

　　McSleepy 是 1 套閉環(huán)控制系統，用來(lái)監控病人手術(shù)時(shí)的知覺(jué)深度、疼痛程度與肌肉運動(dòng)，并根據已知的數據，透過(guò)靜脈注射適當的藥量。麻醉醫師使用 McSleep 時(shí)要先打點(diǎn)滴，然后運用傳感器量測病人的肌肉運動(dòng)，之后輸入病人的數據，包括年齡、身高、體重與性別；進(jìn)行的手術(shù)種類(lèi)；麻醉醫師對病人的藥量是否有任何特殊要求。

　　系統開(kāi)始施打藥物之后，便會(huì )透過(guò) 1 種數學(xué)表達式，以每分鐘為單位監控并控制藥量，這種表達式是我們使用 LabVIEW 圖形程序軟件開(kāi)發(fā)出來(lái)的。病人的數據會(huì )顯示在 1 個(gè)圖形使用接口上，這也是我們使用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)的，這樣一來(lái)麻醉醫師就可以看到病人對于 McSleepy 施打的麻醉劑有何反應。使用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)圖形使用接口，我們整合了熟悉的圖形元素，例如長(cháng)得像里程計與溫度計的調節器，以及透過(guò)畢斯腦波指數用色碼來(lái)追蹤病人的知覺(jué)程度。我們也使用自創(chuàng )的「痛覺(jué)缺失分數表」 (Analgoscore) 來(lái)追蹤病人的疼痛程度。

　　設計 McSleepy 成為安全聰明的系統

　　為了避免 McSleepy 故障時(shí)會(huì )給病人太多或太少的藥物，我們在閉回路控制系統中建造了多重安全機制。首先，麻醉醫師可以手動(dòng)取消系統的任何運作。例如，如果有個(gè)傳感器不再傳輸信號給計算機時(shí)，機器就會(huì )自動(dòng)進(jìn)入基本的手動(dòng)模式。機器在手術(shù)期間每隔 15 分鐘便會(huì )計算病人接收的平均藥量。如果系統產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)，它可以施打平均藥量，讓病人保持沈睡無(wú)痛的狀態(tài)，直到問(wèn)題排除或是麻醉醫師接手為止。

　　此外，如果麻醉醫師用半自動(dòng)模式操作系統，以手動(dòng)輸入藥量時(shí)，當輸入發(fā)生問(wèn)題時(shí)，譬如不小心把某種藥量輸入得太高。那么機器會(huì )發(fā)出警告說(shuō)藥量太高。

　　McSleepy 的另 1 項特點(diǎn)是我們使用人工智能來(lái)設計程序。這臺機器可以學(xué)習醫生的偏好及各種手術(shù)的時(shí)間長(cháng)度等事情。只要 1 位醫生在同樣的手術(shù)中使用 McSleepy 達 20 次，它就能認得模式。同時(shí)，每次手術(shù)結束后，McSleepy都會(huì )儲存趨勢數據。一般來(lái)說(shuō)，因為這臺機器是結合了人工智能與人力輸入的閉回路控制系統，所以其實(shí)會(huì )比只有 1 位麻醉醫師施打麻藥還來(lái)得安全。

　　使用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)閉回路控制系統的好處

　　當工程師與科學(xué)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(yǔ)言，用最少的時(shí)間獲得最大的功效，而 LabVIEW 是最能滿(mǎn)足這項目的的工具，因為用這種圖形化的環(huán)境進(jìn)行程序設計，會(huì )比使用其他困難的語(yǔ)言 (C+ 或 Java) 來(lái)得容易。

　　再者，使用LabVIEW 開(kāi)發(fā)圖形使用接口還能解決大多數閉回路控制系統的共通問(wèn)題，那就是缺乏用戶(hù)接口，用戶(hù)無(wú)法看到現況的進(jìn)展。McSleepy不是神秘的黑盒子，其與人的互動(dòng)性對于麻醉醫師來(lái)說(shuō)很重要，這也是為何他們喜歡這套系統的緣故。醫師可以輕松監控藥量，需要時(shí)可隨時(shí)改變。事實(shí)上，在 2009 年 1 月召開(kāi)的麻醉技術(shù)協(xié)會(huì ) (Society for Technology in Anesthesia) 年度會(huì )議中，麻醉醫師會(huì )員頒發(fā)了技術(shù)創(chuàng )新卓越獎 (Excellence in Technology Innovation Award) 給 McSleepy 的設計團隊。

　　我們一開(kāi)始就使用 LabVIEW 的原因是希望創(chuàng )造出美觀(guān)又好用的畫(huà)面。其用戶(hù)接口是如此的單純，所以手術(shù)室里的麻醉醫師與外科醫師都能看懂 McSleepy 上的數據。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(lái)發(fā)展

　　我們受到 2009 年 NI 「醫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(lái)，麻醉醫師便能以遠距方式控制、監控并記錄病人的情況。這是很重要的一點(diǎn)，因為許多國家缺乏麻醉醫師這樣的專(zhuān)科醫生，而且未來(lái)麻醉醫師可能會(huì )需要同時(shí)照顧好幾位病人。

　　我們目前擁有功能齊全的 McSleepy 原型，這是由現成的硬件與利用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利表達式組合而成。我們打算使用現有的原型，找出適當的方法在 5 年內上市。本計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，并尋求加拿大衛生部與美國食品藥物管理局的審核。