骨质疏松治疗仪的软件研发*

2011-01-29李战明

中国医学装备 2011年5期

杨静李战明韦哲

1 引言

对于骨质疏松症的治疗目前主要以药物治疗为主，但由于个别人对药物治疗存在不耐性和危险性，不存在治疗的普遍性，因此，探索物理治疗方法是目前国内外医学界关注的焦点。常见的物理治疗方法是利用低频脉冲磁场进行治疗。目前骨质疏松治疗仪普遍存在着参数配置混乱、疗效不确切的问题，多数产品存在着以止痛效果代替骨质疏松疗效的问题，所以规范化、个体化的治疗，以及与其他方法如药物疗法的联合运用是本领域今后的主要发展方向。当前的低频脉冲电磁场治疗骨质疏松的参数配置比较单一，也无公认的规范，不同品牌产品往往采用各自不同的参数配置，孰优孰劣，难以比较。经研究表明，不同年龄、性别和不同类型的骨质疏松会对不同的治疗参数敏感，一种治疗参数及其组合可能仅适合一种类型的人群。因此，只有个体化的参数配置，即针对患者具体情况制定的个性化参数及其组合，才是最佳和最终的解决方法，而目前所有市售产品都没有解决这一问题[1]。

2 骨质疏松症软件系统的设计思路

2.1 骨质疏松症软件系统框图

本系统是一个实时控制系统，主要根据设定好的治疗方案，即治疗模式，准确无误地按计划完成对患者的治疗，因此，不但有很高的实时性，还要有多种功能模块的协调配合。其整体框图如图1所示。

图1 系统软件整体框图

图1中患者综合数据库包括患者基本信息和问诊情况数据库，综合数据库包括特异性指标标准库和治疗方案库。

2.2 骨质疏松症软件系统的基本功能

2.2.1 对患者的基本信息进行登记，即建立患者基本信息数据库。本功能的实现基于Access，建立患者注册窗口和患者基本信息数据库。

2.2.2 产生治疗信号，即根据专家数据库的病情判定结果，自动给出治疗信号（脉冲磁场的激发信号），也可以手动直接设置治疗信号。

2.2.3 存储治疗方案，便于未来的治疗、疗效评估和个体化治疗方案的生产。

2.2.4 治疗记录查询、报告打印、记录导出和清除等[3-4]。

2.3 患者综合数据库和综合知识库的建立

2.3.1 根据查阅的资料和目前医院广泛应用的病人登记系统，本系统需要建立的患者综合数据库中应该包括患者ID号、姓名、身份证号、性别、年龄、体重、身高、治疗日期、居住地址、电话等信息，其中前三项如果已有两项与病历数据库中的吻合则提示患者已开始治疗，是否进入上次治疗模式，中间的性别、年龄、体重和身高需要和综合知识库中的特异性指标进行链接在推理机制中运算，作为骨质疏松诊断的一个依据，剩余的信息是用来进行病历随访的，方便对疗效进行长期的观察。

2.3.2 本系统中需要建立很多个小型数据库，并且需要对这些数据库进行不同的管理，利用Access很容易实现。Access具有以下优点：Access是真正的关系数据库管理系统，它具有主关键字和外部关键字定义，提供了数据库的完整性应用，避免数据遭到不合理的删除或修改；它还具有数据确认规则，以免输入的数据是非精确数据；Access是面向数据库开发人员和最终用户的数据库管理系统，对于数据库开发人员，利用VBA（Visual Basic for Application）语言以及系统提供的可视化工具和向导，便可设计出具有一定规模、功能强大的数据库应用系统。

2.4 推理机制的设计

2.4.1 不确定推理方法C-F模型

推理机制是针对综合数据库中的当前信息，识别和选取知识库中对当前问题求解所用的知识进行推理。在本治疗系统的推理机制中，有些知识是已知的，而有些知识则是未知的，因此需要在知识不完全的情况下假设某些条件已经具备进行推理。在本系统中，我们采用C-F推理模型。

在C-F模型中，知识是用产生式规则表示的，其一般形式为：

其中，E是知识的前提条件；H是知识的结论；CF（H,E）是知识的可信度。对它们有如下说明：2.4.1.1 前提条件E可以是一个简单条件，也可以是由合取和析取构成的复合条件。

2.4.1.2 结论H可以是一个单一的结论，也可以是多个结论。

2.4.1.3 可信度CF又称为可信度因子或规则强度，它实际上是知识的静态强度。CF（H,E）的取值范围是[-1,1]，其值表示当前提条件E所对应的证据为真时，该前提条件对结论H为真的支持程度。CF（H,E）的值越大，对结论H为真的支持程度就越大[2]。

在本系统的推理模型中，我们将问诊、特异性指标BMD（骨密度）测定和医生诊断分别作为前提条件E1，E2和E3；而将骨痛、骨量减少、骨质疏松和严重骨质疏松作为结论H1，H2，H3和H4。由于三个前提条件之间不是相互独立的，它们对结论的重要程度有所不同，需要在前提条件中引入加权因子，对各子条件给出相应的权重，以说明它们对结论的重要程度。由此可得出本系统的C-F模型：

，由C-F模型可形成相应的诊断规则。

2.4.2 诊断依据的确定

本系统的推理机制主要分为问诊、BMD测定和医生诊断三个部分，其中问诊意在考察与骨质疏松直接相关的体征因子和不良生活习惯，根据其重要性评估骨质疏松发生的可能性；特异性指标的测定旨在通过客观的测量结果，衡量骨质疏松发生程度；医生诊断主要在于诊断是否存在原发性、继发性以及特发性骨质疏松症。

2.4.2.1 问诊结果根据病人注册模块的“性别、年龄、体重、身高”进行简单运算，并回答以下问题，对最终的答案进行综合评分后得出，具体如下：

（1）性别和年龄为一个组合，当性别为男时，年龄小于60岁，记0分；60～80岁，记2分；80岁以上，记4分；性别选择为女时，年龄小于48岁，记0分；48～65岁，记2分；65岁以上，记4分。

（2）体重和身高为一个组合，用以计算体重指数公式为：体重/(身高÷100)2 ，注意体重的单位是Kg，身高的单位是cm。当所得值大于20时，记0分；18～20时，记1分；小于18时，记2分。

（3）需病人回答的问题如下：

①是否经常腰背痛；②是否身高明显降低；（这两项只要有一项回答是则问诊结果直接判定为骨痛，无需借鉴其他结果）；③是否长期嗜酒；④是否吸烟史长且吸烟量大；⑤是否有经常消化不良；⑥自身是否曾发生非创伤性骨折史。

以上问题回答是则计1分，回答否则计0分。综合所有分值，得出骨骼健康（0～4分之间）、骨痛（根据问题①和②直接得出）、骨量减少（5～7分之间）和骨质疏松（8～10分之间）四种结果。

2.4.2.2 目前，骨质疏松症特异性指标主要为骨密度值，骨密度是通过骨密度仪来测得的，可以根据对患者不同身体部位测定骨密度值，综合得出患者的骨质疏松发生程度。

2.4.2.3 病例诊断是医生根据诊疗经验判断患者的基本情况，最终得出与四种治疗模式相对应的结论：即骨痛、骨量减少、骨质疏松和严重骨质疏松。

2.4.3 加权因子ωij的确定

根据以上分析，查阅大量文献，并结合临床经验，可确立各前提条件对结论影响的权重对应关系如下：

2.5 建议治疗方案

建议治疗方案即针对推理机制得出的最终诊断结果对骨质疏松治疗仪施加相应的治疗信号。通过参考众多实验数据和各种骨质疏松治疗仪的参数设置，可以总结出针对不同程度的骨质疏松症的治疗信号，主要是对信号幅值和频率进行控制。

3 软件设计中的关键问题

3.1 LabVIEW对Access数据库的访问技术

3.1.1 LabVIEW访问数据库的途径

当编写记录采集数据、存储文件信息、回放存储波形等应用程序功能模板时，通常需要使用数据库访问技术。使用数据库可以方便的实现大量数据的存储、管理和条件查询。相对于文件系统，LabVIEW本身不能直接访问数据库，但使用以下方法可以实现LabVIEW中的数据库访问。

利用LabVIEW的ActiveX功能，调用ADO控件，使用SQL语言访问数据库。这是一种接近底层的编程方法，因此使用这种方法需要对ADO控件和SQL语言有较深入的了解，开发过程相对比较复杂。

利用免费数据库工具包LabSQL实现对数据库的访问。这也是一种基于ADO技术的访问数据库的方式，但使用LabSQL工具包用户不需要再从底层编程，通过调用已封装好的子VI，可以方便的实现数据库的访问。用户可以从NI网站上下载免费的LabSQL工具包，这样就节省了系统的开发成本。

利用LabVIEW中的DLL接口间接访问数据库。使用这种方法需要通过使用动态链接库实现对数据库的调用，开发过程比较复杂，不适于没有使用过DLL调用数据库的用户。

利用NI提供的专门的数据库访问工具包Database Connectivity Toolkit实现对数据库的访问。工具包集成了一系列高级功能模块，除了提供基本的数据库操作还提供了很多高级的数据库访问功能，但是它的价格比较贵，增加了开发的成本[5-8]。

3.1.2 利用LabSQL工具包访问数据库

LabSQL把底层的ADO操作模块化封装，主要分为三大模块：Command（命令）模块，Connection（连接）模块，Recordset（记录集）模块。其中Command模块用于完成类似于创建或删除一个命令之类的基本ADO操作，Connection模块用于管理LabVIEW与数据库的连接，Recordset模块用于对数据库中的记录进行操作，例如，读取数据库中的某个记录元或创建一条记录。其他3个VI将底层VI封装起来形成顶层VI，其中SQL Execute.vi用于执行SQL命令，SQL Fetch.vi用于获取数据库中的组元信息。图2为查询和插入数据的程序框图。