基于LabVIEW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