基于虛擬儀器技術的呼吸機測試

引 言

隨著測試技術和總線技術的發展，以虛擬儀器為標志的自動測試系統開始出現。所謂虛擬儀器就是在以計算機和總線系統設備為硬件平臺的基礎上，由軟件來實現原來需要用硬件來完成的功能，使用者只需用鼠標點擊計算機的虛擬面板來操作，即可實現對被測對象測試的自動測試系統，因此，在測試領域有“軟件即是儀器”的說法。

呼吸機是當前大型醫院必備的搶救設備，是延長病人生命為進一步治療爭取寶貴時間的重要工具。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.神經肌肉麻痹；4.心臟手術后；5.顱內壓增高；6.新生兒破傷風使用大劑量鎮靜劑需呼吸支持時；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]。隨著電子和機械技術水平的不斷提高，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現方法。

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工具。是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境。

一個LABVIEW程序分為3部分：前面板、框圖程序、圖標/接線端口。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言對前面板上的控件對象（分為控制量和指示量兩種）進行控制；圖標/接線端口用于把LABVIEW程序定義成一個子程序，從而實現模塊化編程。利用LABVIEW設計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個虛擬儀器前面板。

呼吸機測試虛擬儀器實現方法

整個測試儀器由下列設備組成：PC機，采集卡，由三個壓力傳感器和兩個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，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，虛擬儀器采樣頻率為1KHz；壓力傳感器采用森創30 INCH-D-4V型低壓傳感器，具有自校正，零點補償和溫度補償，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、潮氣量等可通過計算估計。測試過程中要涉及復雜的數學運算，LABVIEW作為圖形化語言在軟件設計中有一定的困難。這可以通過與C語言或MATLAB混合編程來實現。不過MABTLAB是一種腳本語言，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節點。CIN是一個位于LABVIEW框圖程序窗口的帶有輸入輸出端口的圖標。用戶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相連，當此結點執行時，LABVIEW將自動調用與此結點相連的外部代碼，并向CIN傳遞特定數據結構。使用CIN技術，用戶可向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。具體使用方法見參考文獻[2][3]。LABVIEW中數據的存儲格式遵循了C語言中數據的存儲格式， 二者完全相同。LABVIEW通過調用C語言來實現數據的處理和分析，大大簡化了程序的復雜度，同時加快了程序的執行時間。圖2所示是LABVIEW直接編程和LABVIEW調用CIN節點編程的程序復雜度與編程效率，執行速度的示意圖。圖3是整個系統軟件設計流程。

圖2 編程方式不同時程序復雜度與

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

是一個小型、輕便、堅固的設備。可以產生非常準確的流量、容積和壓力波形。采用雙向傳感器技術用于檢測氣流。VT-Plus已經成為呼吸機測試中常用的設備。

呼吸機是西門子公司的一款智能型高檔呼吸機[1]。利用虛擬儀器和VTPLUS同時測量Servoi呼吸機輸出狀態，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的細微之處捕捉到并實時顯示出來。圖4（a）是呼吸機在PCV模式下工作時，所得到的壓力和流速曲線。圖中壓力下凹處，是由于手動控制產生的漏氣造成的，可以從流速圖中很清晰的觀察到呼吸機給予的補償。與傳統測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。因此流速時間曲線上能清楚地反映出呼氣機開閥的瞬間沖擊，關閥的延時波動和兩閥開啟時的相互影響。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，開閥沖擊大小和關閥延時波動大小。VT-Plus測量得到的曲線如圖4（b），可見呼吸機工作時的部分特性沒有測量到。

圖3 PCV模式測量壓力和流量曲線圖

同時根據測量得到的壓力和流速時間關系，經計算可得到實時的潮氣量，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，可見這套虛擬儀器性能與VT-Plus不相上下，能夠滿足呼吸機測試要求。

參考文獻

王寶國，周建新。實用呼吸機治療學[M].北京：人民衛生出版社

劉軍華。基于LABVIEW的虛擬儀器設計[M]. 北京：電子工業出版社。2003年1月

劉軍華。虛擬儀器圖形化編程語言LABVIEW教程。西安：電子科技大學出版社[M].2001年8月

技術內幕[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發[M].北京：國防工業出版社.