人工模擬肺及其基于LabVIEW的數據采集系統*

2015-10-18 11:46:12李竹嚴榮國葛斌陳倩郭丹一薩拉

生物醫學工程研究 2015年1期

李竹，嚴榮國，葛斌，陳倩，郭丹一，薩拉

(上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093)

1 引言

人工呼吸機在臨床搶救和治療過程中，可以有效地提高患者的通氣量，迅速解除缺氧和二氧化碳滯留問題，改善換氣功能。隨著醫學技術的發展和人民生活水平的不斷提高，呼吸機在臨床上的應用越來越廣泛，目前，呼吸機已是臨床搶救及治療各種原因引起的急慢性呼吸衰竭或呼吸功能不全等呼吸系統疾病不可缺少的醫學設備[1-3]。由于呼吸機的治療對象主要為危重病情患者，所以，呼吸機性能的安全性和有效性會直接影響患者的治療效果甚至于生命安全，為了使呼吸機在臨床使用中更安全、更可靠，對呼吸機的性能檢測非常重要呼吸機的性能符合性測試一般包括呼吸機的電氣安全測試和機械通氣性能的測試。模擬肺是呼吸機機械通氣性能測試中必不可少的設備，模擬肺的特性、參數精度會直接影響呼吸機機械通氣性能測試的精度和可靠性，所以，模擬肺是呼吸機通氣性能測試研究中的基礎。模擬肺主要是模擬了人體肺的一些重要的物理特征和生理特征，如：順應性、人體氣道阻抗、潮氣量等，從而應用于呼吸機、麻醉機等機械通氣系統的性能測試[4-6]。本研究介紹的模擬肺就具有順應性穩定，氣道阻力可調，可測參數多且精確的特征，能保證呼吸機性能測試的準確性與可靠性。

2 基于玻意耳定律的模擬肺

我們所研究的是基于玻意耳定律的模擬肺。模擬肺主要模擬正常生理或病理狀態下的肺的順應性[7-10]。模擬肺系統總體連接示意圖見圖1，它包括內置一定銅網的玻璃瓶、氣壓傳感器、單片機(下位機)和裝有LabVIEW軟件的計算機(上位機)等部分。

圖1 模擬肺裝置組成示意圖

圖中各數字分別代表：(1)玻璃瓶；(2)銅絲；(3)瓶塞；(4)呼吸機接口；(5)壓力溫度傳感器；(6)溫度變送器；(7)數據采集卡；(8)PC機；(9)(10)、(11)、(12)導線在檢測過程中將呼吸機接入模擬肺，開機檢測，氣壓傳感器感受壓力的變化并將數據傳入下位機，在這里將模擬信號轉化為數字信號再傳入電腦中，用LabVIEW軟件進行波形顯示和處理分析，得出結論。

2.1 玻意耳定律概述

玻意耳定律：在定量定溫下，理想氣體的體積與氣體的壓力成反比[11]。數學表達式即：

(1)

模擬肺模型的主體是一個剛性的玻璃瓶結構，瓶子體積為VB，往瓶內打入壓力為PB、體積為VA的氣體后模型所模擬的呼吸前后的狀態變化，見圖2。

圖2 模擬肺內氣壓變化

根據玻意耳定律有：

(2)

(3)

(4)

(5)

又因為PB為一個大氣壓，所以式(5)可寫為：

(6)

在恒溫的理想狀態下，模型的順應性大小主要決定于剛性玻璃瓶的容積的大小，從而可以通過選擇不同容積大小的模型來模擬不同程度大小順應性特征。而在正常環境中，很難做到瓶內的恒溫狀態，因此，在瓶內添加銅網作為保持恒溫的吸熱材料。

2.2 玻璃瓶

模擬肺的結構主體是剛性玻璃瓶，因為它不但具有高強度，高硬度，不透氣的優點外，化學結構穩定，不易與其他物質發生反應，能較好的實現模擬肺的功能。

在理想情況下，不考慮溫度因素對模擬肺順應特性的影響。由式(6)可得出模擬肺順應性為C=VB/1013.25 mbar。故根據人體不同年齡段的呼吸系統的特征可以得出：

當玻璃瓶容積VB=1 L時，C=0.987 ml/mbar，可以用來模擬小兒呼吸系統的順應性特性，此時剛性玻璃瓶的規格就為1 L；

當VB=20 L時，C=19.74 ml/mbar，可以用來模擬兒童呼吸系統的順應性特性，此時剛性玻璃瓶的規格就為20 L；

當VB=50 L時，C=49.35 ml/mbar，可以用來模擬肺成年人正常情況下的呼吸系統的順應性特性，此時剛性玻璃瓶的規格就為50 L。

2.3 銅網

上述公式的推導過程均在瓶內處于恒溫狀態的前提下進行的，而現實生活中改變瓶內氣體壓力同時會改變瓶內溫度，而溫度會影響最終實驗結果，因此，需要對其進行溫度補償。

實驗中，往玻璃瓶中加入銅網(copper wool)進行溫度補償，因為銅具有比熱容大、導熱性能好、線性膨脹系數小等優點。同時，采用銅網可以在有限的空間內增大吸熱面積，更好地起到溫度補償的作用。

2.4 氣壓傳感器

本系統中采用BMP085氣壓傳感器將玻璃瓶中壓力變化轉變成數字信號傳輸給上位機。BMP085氣壓傳感器采用GY-65氣壓模塊，它是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器。其絕對精度最低可以達到0.03 hPa(1 kPa=10 hPa)，并且耗電極低，只有3 μA。其壓力范圍為300～1 100 hPa，反應時間為7.5 ms，待機電流為0.1 μA，無需外部時鐘電路，芯片內置AD轉換器。

3 LabVIEW

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，LABVIEW)是一種圖形化編程語言的開發環境，已經廣泛地被學術界、研究實驗室和工業界所接受，被視作一個標準的數據采集和儀器控制軟件。它是一個靈活且功能強大的軟件，基于它可以方便地設計開發出自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程簡單及使用直觀方便。因此，采用這種操作系統和開發工具，可以很好的滿足系統設計的要求，并且便于進一步研究、開發和應用等。

LabVIEW的主要特點有：(1)基于G語言的軟件開發，利用圖形化編程代替各種傳統的文本語言編程，不需要寫各種文本程序代碼，取而代之的是一些程序流程圖式的G語言圖形編程；(2)它具有各種應用于數據采集和儀器控制等設計所使用的各種功能庫和開發工具庫；(3)可以方便地實現和各種軟硬件的連接。

模擬肺實驗研究平臺的軟件部分采用LabVIEW軟件設計界面和控制程序，主要是通過傳感器和下位機獲取模擬肺系統的數據并初步處理分析，得到結果，存儲數據并圖像化和數字顯示數據，對于存儲的數據可供做進一步的分析處理和對比分析使用。

3.1 串口配置

VISA串口配置函數使VISA資源名稱指定的串口按特定的設置初始化。本研究所指定的設置有波特率9 600 bps、數據位8位、奇偶校驗無和停止位1位。

3.2 串口讀函數

VISA讀取函數VISA Read中間的輸入端子是每次從串口讀取的數據字節數，本研究設置的字節數是1，它會以字符串的形式從該函數的輸出端子輸出，字符串只包含一個8位字節。

從VISA Read函數輸出的字符串通過“字符串至字節數組轉換”函數，把字符串轉換為無符號字節數據，再通過“索引數組”函數將無符號字節數據連成數組，并將數組用波形圖表顯示出來。

4 實驗結果

以小兒模式為例，體重設置為5 Kg。通氣模式選擇簡歇正壓通氣(intermittent positive pressure ventilation, IPPV)：呼吸頻率為20次/min，吸氣時間為1 s。圖3(a)為LabVIEW與單片機之間的通訊格式設置，圖3(b)為呼吸機供氣波形圖，圖3(c)為LabVIEW應用程序采集到的波形圖。從該圖可以看出，本實驗所設計的系統方案可行，能正確采集到氣體壓強的變化。