基于虚拟仪器技术的呼吸机测试

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的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的虚拟仪器设计[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.