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基于LabVIEW的呼吸机测试

2012-09-29 10:31:17

[导读] 目前,国内呼吸机的各项性能指标均落后于国外。为了改善推进我国呼吸机研究,首先需要建立一套呼吸机的测试平台。为此基于LABVIEW构建呼吸机测试虚拟仪器。本文介绍一种基于LabVIEW的呼吸机测试虚拟仪器实现方法。

引 言

随着测试技术和总线技术的发展,以虚拟仪器为标志的自动测试系统开始出现。所谓虚拟仪器就是在以计算机和总线系统设备为硬件平台的基础上,由软件来 实现原来需要用硬件来完成的功能,使用者只需用鼠标点击计算机的虚拟面板来操作,即可实现对被测对象测试的自动测试系统,因此,在测试领域有“软件即是仪 器”的说法。

呼吸机是当前大型医院必备的抢救设备,是延长病人生命为进一步治疗争取宝贵时间的重要工具。适用于出现下面情况的病人:1.严重通气不良;2.严重 换气障碍;3.神经肌肉麻痹;4.心脏手术后;5.颅内压增高;6.新生儿破伤风使用大剂量镇静剂需呼吸支持时;7.窒息、心肺复苏;8.任何原因的呼吸 停止或将要停止。它通过机械装置根据不同的治疗目的,为呼吸功能不全的危重病人提供呼吸支持[1]。随着电子和机械技术水平的不断提高,呼吸机的性能日臻 完善,其适用范围也日益扩大和普及。

目前,国内呼吸机的各项性能指标均落后于国外。为了改善推进我国呼吸机研究,首先需要建立一套呼吸机的测试平台。为此基于Labview构建呼吸机测试虚拟仪器。本文介绍一种基于LabVIEW呼吸机测试虚拟仪器实现方法。

图形化语言

是美国NI(National Instrument Company)公司推出的一种基于G语言(Graphics Language)的虚拟仪器软件开发工具。是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。

一个LabVIEW程序分为3部分:前面板、框图程序、图标/接线端口。前面板用于构建仪器的操作显示界面;框图程序则是利用图形语言对前面板上的 控件对象(分为控制量和指示量两种)进行控制;图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序,从而实现模块化编程。利用LabVIEW设计者 可以像搭积木一样,轻松组建一个虚拟仪器前面板。

呼吸机测试虚拟仪器实现方法

整个测试仪器由下列设备组成:PC机,采集卡,由三个压力传感器和两个流速传感器组成的气路。

图1 呼吸机测试虚拟仪器框架图

在测试时,需要外接模拟肺。测试系统采用NI的数据采集卡PCI-6221,它拥有16路16位的A/D通道,总采样速度可高达250KHz,针对 呼吸机,在数据采集时,虚拟仪器采样频率为1KHz;压力传感器采用森创30 INCH-D-4V型低压传感器,具有自校正,零点补偿和温度补偿,线形度为0.05%,分辨率为3/40inH2O;流速传感器采用TSI Model 84020×型高精度流速传感器,具有温度补偿,准确度为±2.5%读数±0.1Lpm,响应速度<5ms。图1是虚拟仪器的框架结构图。

呼吸机测试主要针对四大参数:、压力、流量、时间(含呼吸频率、吸呼比)。其余重要参数胸肺顺应性、气道阻力、潮气量等可通过计算估计。测试过程中 要涉及复杂的数学运算,LabVIEW作为图形化语言在软件设计中有一定的困难。这可以通过与C语言或MATLAB混合编程来实现。不过MABTLAB是 一种脚本语言,其运行速度受到很大的限制,因此,在虚拟仪器软件设计中采用以LabVIEW为主,LabVIEW和C语言混合编程的方法。

和C混合编程利用CIN节点。CIN是一个位于LabVIEW框图程序窗口的带有输入输出端口的图标。用户可将需调用的外部代码编译成 LabVIEW所能识别的格式后与此结点相连,当此结点执行时,LabVIEW将自动调用与此结点相连的外部代码,并向CIN传递特定数据结构。使用 CIN技术,用户可向CIN传递任意复合的数据结构,使用CIN可获得较高的程序效率。具体使用方法见参考文献[2][3]。LabVIEW中数据的存储 格式遵循了C语言中数据的存储格式, 二者完全相同。LabVIEW通过调用C语言来实现数据的处理和分析,大大简化了程序的复杂度,同时加快了程序的执行时间。图2所示是LabVIEW直接 编程和LabVIEW调用CIN节点编程的程序复杂度与编程效率,执行速度的示意图。图3是整个系统软件设计流程。

图2 编程方式不同时程序复杂度与

编程效率,执行速度的示意图

图3 呼吸机测试虚拟仪器软件流程图

呼吸机测试虚拟仪器测试结果

是一个小型、轻便、坚固的设备。可以产生非常准确的流量、容积和压力波形。采用双向传感器技术用于检测气流。VT-Plus已经成为呼吸机测试中常用的设备。

呼吸机是西门子公司的一款智能型高档呼吸机[1]。利用虚拟仪器和VTPLUS同时测量Servoi呼吸机输出状态,得到虚拟仪器性能。

虚拟仪器每通道采样速率均为1KHz,可以将呼吸机工作时的细微之处捕捉到并实时显示出来。图4(a)是呼吸机在PCV模式下工作时,所得到的压力 和流速曲线。图中压力下凹处,是由于手动控制产生的漏气造成的,可以从流速图中很清晰的观察到呼吸机给予的补偿。与传统测量仪器不一样的是吸气气路流速和 呼气气路流速分别由两条曲线显示。因此流速时间曲线上能清楚地反映出呼气机开阀的瞬间冲击,关阀的延时波动和两阀开启时的相互影响。从这些波形特性中,可 很快定性的分析出呼吸机的性能,也可定量的得出呼吸机补偿速度,开阀冲击大小和关阀延时波动大小。VT-Plus测量得到的曲线如图4(b),可见呼吸机 工作时的部分特性没有测量到。

图3 PCV模式测量压力和流量曲线图

同时根据测量得到的压力和流速时间关系,经计算可得到实时的潮气量,可计算得到气道阻力和肺顺应性等参数。表1是图4的计算结果。

表1 测量计算参数值

由上面的数据和分析,可见这套虚拟仪器性能与VT-Plus不相上下,能够满足呼吸机测试要求。

参考文献

王宝国,周建新。实用呼吸机治疗学[M].北京:人民卫生出版社

刘军华。基于LabVIEW虚拟仪器设计[M]. 北京:电子工业出版社。2003年1月

刘军华。虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程。西安:电子科技大学出版社[M].2001年8月

技术内幕[M].北京:希望电子出版社。2001年1月

张凯,郭栋。LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发[M].北京:国防工业出版社.

[整理编辑:CK365测控网]
标签:  LabVIEW[18]    虚拟仪器[20]    呼吸机[25]
 
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