基于虛擬儀器技術(shù)的呼吸機(jī)測(cè)試

引 言

隨著測(cè)試技術(shù)和總線技術(shù)的發(fā)展，以虛擬儀器為標(biāo)志的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開始出現(xiàn)。所謂虛擬儀器就是在以計(jì)算機(jī)和總線系統(tǒng)設(shè)備為硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，由軟件來實(shí)現(xiàn)原來需要用硬件來完成的功能，使用者只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)的虛擬面板來操作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象測(cè)試的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此，在測(cè)試領(lǐng)域有“軟件即是儀器”的說法。

呼吸機(jī)是當(dāng)前大型醫(yī)院必備的搶救設(shè)備，是延長病人生命為進(jìn)一步治療爭取寶貴時(shí)間的重要工具。適用于出現(xiàn)下面情況的病人：1.嚴(yán)重通氣不良；2.嚴(yán)重?fù)Q氣障礙；3.神經(jīng)肌肉麻痹；4.心臟手術(shù)后；5.顱內(nèi)壓增高；6.新生兒破傷風(fēng)使用大劑量鎮(zhèn)靜劑需呼吸支持時(shí)；7.窒息、心肺復(fù)蘇；8.任何原因的呼吸停止或?qū)⒁Ｖ?。它通過機(jī)械裝置根據(jù)不同的治療目的，為呼吸功能不全的危重病人提供呼吸支持[1]。隨著電子和機(jī)械技術(shù)水平的不斷提高，呼吸機(jī)的性能日臻完善，其適用范圍也日益擴(kuò)大和普及。

目前，國內(nèi)呼吸機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均落后于國外。為了改善推進(jìn)我國呼吸機(jī)研究，首先需要建立一套呼吸機(jī)的測(cè)試平臺(tái)。為此基于LABVIEW構(gòu)建呼吸機(jī)測(cè)試虛擬儀器。本文介紹一種基于LabVIEW的呼吸機(jī)測(cè)試虛擬儀器實(shí)現(xiàn)方法。

圖形化語言

是美國NI（National Instrument Company）公司推出的一種基于G語言（Graphics Language）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。

一個(gè)LABVIEW程序分為3部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)/接線端口。前面板用于構(gòu)建儀器的操作顯示界面；框圖程序則是利用圖形語言對(duì)前面板上的控件對(duì)象（分為控制量和指示量兩種）進(jìn)行控制；圖標(biāo)/接線端口用于把LABVIEW程序定義成一個(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程。利用LABVIEW設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)虛擬儀器前面板。

呼吸機(jī)測(cè)試虛擬儀器實(shí)現(xiàn)方法

整個(gè)測(cè)試儀器由下列設(shè)備組成：PC機(jī)，采集卡，由三個(gè)壓力傳感器和兩個(gè)流速傳感器組成的氣路。

圖1 呼吸機(jī)測(cè)試虛擬儀器框架圖

在測(cè)試時(shí)，需要外接模擬肺。測(cè)試系統(tǒng)采用NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，它擁有16路16位的A/D通道，總采樣速度可高達(dá)250KHz，針對(duì)呼吸機(jī)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)，虛擬儀器采樣頻率為1KHz；壓力傳感器采用森創(chuàng)30 INCH-D-4V型低壓傳感器，具有自校正，零點(diǎn)補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，線形度為0.05%，分辨率為3/40inH2O；流速傳感器采用TSI Model 84020×型高精度流速傳感器，具有溫度補(bǔ)償，準(zhǔn)確度為±2.5%讀數(shù)±0.1Lpm，響應(yīng)速度5ms。圖1是虛擬儀器的框架結(jié)構(gòu)圖。

呼吸機(jī)測(cè)試主要針對(duì)四大參數(shù)：、壓力、流量、時(shí)間（含呼吸頻率、吸呼比）。其余重要參數(shù)胸肺順應(yīng)性、氣道阻力、潮氣量等可通過計(jì)算估計(jì)。測(cè)試過程中要涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，LABVIEW作為圖形化語言在軟件設(shè)計(jì)中有一定的困難。這可以通過與C語言或MATLAB混合編程來實(shí)現(xiàn)。不過MABTLAB是一種腳本語言，其運(yùn)行速度受到很大的限制，因此，在虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)中采用以LABVIEW為主，LABVIEW和C語言混合編程的方法。

和C混合編程利用CIN節(jié)點(diǎn)。CIN是一個(gè)位于LABVIEW框圖程序窗口的帶有輸入輸出端口的圖標(biāo)。用戶可將需調(diào)用的外部代碼編譯成LABVIEW所能識(shí)別的格式后與此結(jié)點(diǎn)相連，當(dāng)此結(jié)點(diǎn)執(zhí)行時(shí)，LABVIEW將自動(dòng)調(diào)用與此結(jié)點(diǎn)相連的外部代碼，并向CIN傳遞特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用CIN技術(shù)，用戶可向CIN傳遞任意復(fù)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用CIN可獲得較高的程序效率。具體使用方法見參考文獻(xiàn)[2][3]。LABVIEW中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式遵循了C語言中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式， 二者完全相同。LABVIEW通過調(diào)用C語言來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，大大簡化了程序的復(fù)雜度，同時(shí)加快了程序的執(zhí)行時(shí)間。圖2所示是LABVIEW直接編程和LABVIEW調(diào)用CIN節(jié)點(diǎn)編程的程序復(fù)雜度與編程效率，執(zhí)行速度的示意圖。圖3是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。

圖2 編程方式不同時(shí)程序復(fù)雜度與

編程效率，執(zhí)行速度的示意圖

圖3 呼吸機(jī)測(cè)試虛擬儀器軟件流程圖

呼吸機(jī)測(cè)試虛擬儀器測(cè)試結(jié)果

是一個(gè)小型、輕便、堅(jiān)固的設(shè)備?？梢援a(chǎn)生非常準(zhǔn)確的流量、容積和壓力波形。采用雙向傳感器技術(shù)用于檢測(cè)氣流。VT-Plus已經(jīng)成為呼吸機(jī)測(cè)試中常用的設(shè)備。

呼吸機(jī)是西門子公司的一款智能型高檔呼吸機(jī)[1]。利用虛擬儀器和VTPLUS同時(shí)測(cè)量Servoi呼吸機(jī)輸出狀態(tài)，得到虛擬儀器性能。

虛擬儀器每通道采樣速率均為1KHz，可以將呼吸機(jī)工作時(shí)的細(xì)微之處捕捉到并實(shí)時(shí)顯示出來。圖4（a）是呼吸機(jī)在PCV模式下工作時(shí)，所得到的壓力和流速曲線。圖中壓力下凹處，是由于手動(dòng)控制產(chǎn)生的漏氣造成的，可以從流速圖中很清晰的觀察到呼吸機(jī)給予的補(bǔ)償。與傳統(tǒng)測(cè)量儀器不一樣的是吸氣氣路流速和呼氣氣路流速分別由兩條曲線顯示。因此流速時(shí)間曲線上能清楚地反映出呼氣機(jī)開閥的瞬間沖擊，關(guān)閥的延時(shí)波動(dòng)和兩閥開啟時(shí)的相互影響。從這些波形特性中，可很快定性的分析出呼吸機(jī)的性能，也可定量的得出呼吸機(jī)補(bǔ)償速度，開閥沖擊大小和關(guān)閥延時(shí)波動(dòng)大小。VT-Plus測(cè)量得到的曲線如圖4（b），可見呼吸機(jī)工作時(shí)的部分特性沒有測(cè)量到。

圖3 PCV模式測(cè)量壓力和流量曲線圖

同時(shí)根據(jù)測(cè)量得到的壓力和流速時(shí)間關(guān)系，經(jīng)計(jì)算可得到實(shí)時(shí)的潮氣量，可計(jì)算得到氣道阻力和肺順應(yīng)性等參數(shù)。表1是圖4的計(jì)算結(jié)果。

表1 測(cè)量計(jì)算參數(shù)值

由上面的數(shù)據(jù)和分析，可見這套虛擬儀器性能與VT-Plus不相上下，能夠滿足呼吸機(jī)測(cè)試要求。

參考文獻(xiàn)

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張凱，郭棟。LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社.