基于虛擬儀器技術(shù)的呼吸機測試

引 言

隨著(zhù)測試技術(shù)和總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，以虛擬儀器為標志的自動(dòng)測試系統開(kāi)始出現。所謂虛擬儀器就是在以計算機和總線(xiàn)系統設備為硬件平臺的基礎上，由軟件來(lái)實(shí)現原來(lái)需要用硬件來(lái)完成的功能，使用者只需用鼠標點(diǎn)擊計算機的虛擬面板來(lái)操作，即可實(shí)現對被測對象測試的自動(dòng)測試系統，因此，在測試領(lǐng)域有“軟件即是儀器”的說(shuō)法。

呼吸機是當前大型醫院必備的搶救設備，是延長(cháng)病人生命為進(jìn)一步治療爭取寶貴時(shí)間的重要工具。適用于出現下面情況的病人：1.嚴重通氣不良；2.嚴重換氣障礙；3.神經(jīng)肌肉麻痹；4.心臟手術(shù)后；5.顱內壓增高；6.新生兒破傷風(fēng)使用大劑量鎮靜劑需呼吸支持時(shí)；7.窒息、心肺復蘇；8.任何原因的呼吸停止或將要停止。它通過(guò)機械裝置根據不同的治療目的，為呼吸功能不全的危重病人提供呼吸支持[1]。隨著(zhù)電子和機械技術(shù)水平的不斷提高，呼吸機的性能日臻完善，其適用范圍也日益擴大和普及。

目前，國內呼吸機的各項性能指標均落后于國外。為了改善推進(jìn)我國呼吸機研究，首先需要建立一套呼吸機的測試平臺。為此基于LABVIEW構建呼吸機測試虛擬儀器。本文介紹一種基于LabVIEW的呼吸機測試虛擬儀器實(shí)現方法。

圖形化語(yǔ)言

是美國NI（National Instrument Company）公司推出的一種基于G語(yǔ)言（Graphics Language）的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開(kāi)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/接線(xiàn)端口。前面板用于構建儀器的操作顯示界面；框圖程序則是利用圖形語(yǔ)言對前面板上的控件對象（分為控制量和指示量?jì)煞N）進(jìn)行控制；圖標/接線(xiàn)端口用于把LABVIEW程序定義成一個(gè)子程序，從而實(shí)現模塊化編程。利用LABVIEW設計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)虛擬儀器前面板。

呼吸機測試虛擬儀器實(shí)現方法

整個(gè)測試儀器由下列設備組成：PC機，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 呼吸機測試虛擬儀器框架圖

在測試時(shí)，需要外接模擬肺。測試系統采用NI的數據采集卡PCI-6221，它擁有16路16位的A/D通道，總采樣速度可高達250KHz，針對呼吸機，在數據采集時(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)補償和溫度補償，線(xiàn)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，具有溫度補償，準確度為±2.5%讀數±0.1Lpm，響應速度5ms。圖1是虛擬儀器的框架結構圖。

呼吸機測試主要針對四大參數：、壓力、流量、時(shí)間（含呼吸頻率、吸呼比）。其余重要參數胸肺順應性、氣道阻力、潮氣量等可通過(guò)計算估計。測試過(guò)程中要涉及復雜的數學(xué)運算，LABVIEW作為圖形化語(yǔ)言在軟件設計中有一定的困難。這可以通過(guò)與C語(yǔ)言或MATLAB混合編程來(lái)實(shí)現。不過(guò)MABTLAB是一種腳本語(yǔ)言，其運行速度受到很大的限制，因此，在虛擬儀器軟件設計中采用以L(fǎng)ABVIEW為主，LABVIEW和C語(yǔ)言混合編程的方法。

和C混合編程利用CIN節點(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。用戶(hù)可將需調用的外部代碼編譯成LABVIEW所能識別的格式后與此結點(diǎn)相連，當此結點(diǎn)執行時(shí)，LABVIEW將自動(dòng)調用與此結點(diǎn)相連的外部代碼，并向CIN傳遞特定數據結構。使用CIN技術(shù)，用戶(hù)可向CIN傳遞任意復合的數據結構，使用CIN可獲得較高的程序效率。具體使用方法見(jiàn)參考文獻[2][3]。LABVIEW中數據的存儲格式遵循了C語(yǔ)言中數據的存儲格式， 二者完全相同。LABVIEW通過(guò)調用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現數據的處理和分析，大大簡(jiǎn)化了程序的復雜度，同時(shí)加快了程序的執行時(shí)間。圖2所示是LABVIEW直接編程和LABVIEW調用CIN節點(diǎn)編程的程序復雜度與編程效率，執行速度的示意圖。圖3是整個(gè)系統軟件設計流程。

圖2 編程方式不同時(shí)程序復雜度與

編程效率，執行速度的示意圖

圖3 呼吸機測試虛擬儀器軟件流程圖

呼吸機測試虛擬儀器測試結果

是一個(gè)小型、輕便、堅固的設備?？梢援a(chǎn)生非常準確的流量、容積和壓力波形。采用雙向傳感器技術(shù)用于檢測氣流。VT-Plus已經(jīng)成為呼吸機測試中常用的設備。

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

虛擬儀器每通道采樣速率均為1KHz，可以將呼吸機工作時(shí)的細微之處捕捉到并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。圖4（a）是呼吸機在PCV模式下工作時(shí)，所得到的壓力和流速曲線(xiàn)。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(guān)察到呼吸機給予的補償。與傳統測量?jì)x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(xiàn)顯示。因此流速時(shí)間曲線(xiàn)上能清楚地反映出呼氣機開(kāi)閥的瞬間沖擊，關(guān)閥的延時(shí)波動(dòng)和兩閥開(kāi)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的性能，也可定量的得出呼吸機補償速度，開(kāi)閥沖擊大小和關(guān)閥延時(shí)波動(dòng)大小。VT-Plus測量得到的曲線(xiàn)如圖4（b），可見(jiàn)呼吸機工作時(shí)的部分特性沒(méi)有測量到。

圖3 PCV模式測量壓力和流量曲線(xiàn)圖

同時(shí)根據測量得到的壓力和流速時(shí)間關(guān)系，經(jīng)計算可得到實(shí)時(shí)的潮氣量，可計算得到氣道阻力和肺順應性等參數。表1是圖4的計算結果。

表1 測量計算參數值

由上面的數據和分析，可見(jiàn)這套虛擬儀器性能與VT-Plus不相上下，能夠滿(mǎn)足呼吸機測試要求。

參考文獻

王寶國，周建新。實(shí)用呼吸機治療學(xué)[M].北京：人民衛生出版社

劉軍華?；贚ABVIEW的虛擬儀器設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社。2003年1月

劉軍華。虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)ABVIEW教程。西安：電子科技大學(xué)出版社[M].2001年8月

技術(shù)內幕[M].北京：希望電子出版社。2001年1月

張凱，郭棟。LabVIEW虛擬儀器工程設計與開(kāi)發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社.