楊衛(wèi)東，陳革，呂維敏，朱清

1.浙江醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校，浙江 寧波315100；2.寧波市第一人民醫(yī)院，浙江寧波 315010；3.浙江省醫(yī)療器械研究所，浙江 杭州 310009

基于Labview的無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊衛(wèi)東1，陳革2，呂維敏3，朱清1

1.浙江醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校，浙江 寧波315100；2.寧波市第一人民醫(yī)院，浙江寧波 315010；3.浙江省醫(yī)療器械研究所，浙江 杭州 310009

本文闡述了基于Labview的無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)以Labview及相關(guān)的傳感器等硬件為平臺(tái)，其呼吸機(jī)界面利用Labview軟件的控制件和顯示件建立，其各項(xiàng)功能和控制算法利用圖形化的數(shù)據(jù)流形式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，具有獨(dú)特的呼吸相檢測(cè)算法。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠高效地實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)的各項(xiàng)功能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)；Labview；壓力流量傳感器；呼吸相檢測(cè)算法

0 前言

呼吸機(jī)已從急救設(shè)備發(fā)展成為呼吸系統(tǒng)疾病的常用治療設(shè)備，無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)更是已進(jìn)入普通市民家庭，成為治療睡眠呼吸暫停綜合征等疾病的得力助手[1-2]。無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)的基本原理為：可根據(jù)患者的呼吸相自動(dòng)提供兩種不同壓力的氣流。因此，對(duì)患者呼吸相進(jìn)行檢測(cè)有重要的臨床價(jià)值。

本研究以Labview及相關(guān)的傳感器等硬件為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)。筆者利用Labview軟件豐富的控制件和顯示件建立該系統(tǒng)的呼吸機(jī)界面，以圖形化的數(shù)據(jù)流形式來(lái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和控制算法，且提出了獨(dú)特的呼吸相檢測(cè)算法，報(bào)道如下。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖以及實(shí)物圖，見(jiàn)圖1～2。該系統(tǒng)主要由氣體管路和電路系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。氣體管路由呼吸面罩、呼吸管路、電磁閥及風(fēng)機(jī)構(gòu)成，其中風(fēng)機(jī)用于提供外部高壓氣體，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)高壓氣體所提供的總的氣體壓力和流量，電磁閥用于調(diào)節(jié)供給患者的氣體流量和壓力。由于采用了電磁閥調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)可避免因頻繁電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)帶來(lái)的噪音以及電機(jī)調(diào)節(jié)的慣性滯后等問(wèn)題。電路系統(tǒng)由壓力流量傳感器、A/D轉(zhuǎn)換裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，其中壓力流量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的檢測(cè)和計(jì)算后，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥和風(fēng)機(jī)，然后按照患者的需求設(shè)定參數(shù)控制電磁閥和電機(jī)的通氣量[3]。

圖1 無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖

1.1 流量傳感器電路

人機(jī)同步是評(píng)價(jià)呼吸機(jī)的重要指標(biāo)之一，其理想目標(biāo)是患者能像正常人一樣處于無(wú)阻礙狀態(tài)，事實(shí)上，至今尚無(wú)法完全解決呼吸機(jī)人機(jī)同步的問(wèn)題[4]。但是高靈敏的傳感器無(wú)疑是解決人機(jī)同步的必備條件。

該系統(tǒng)流量傳感器采用Honeywell公司的AWM92100質(zhì)量空氣流量傳感器[5]，其量程范圍為±200 sccm，輸出電壓范圍為±80 mV。該傳感器實(shí)質(zhì)為熱式質(zhì)量流量計(jì)，其內(nèi)部包含熱敏電阻與加熱電阻，其流量檢測(cè)電路圖，見(jiàn)圖3。

圖3 流量檢測(cè)電路圖

集成運(yùn)放U1、R1、R2、R3以及內(nèi)部加熱電阻Ra、Rb、Rh、Rr構(gòu)成負(fù)反饋式加熱器自動(dòng)控制電路，加熱電阻上流過(guò)穩(wěn)定的電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生恒定的功率對(duì)管路中的流動(dòng)氣體加熱，造成加熱點(diǎn)前后兩個(gè)不同位置的熱敏電阻（Rq1 與Rq2）出現(xiàn)溫差從而發(fā)生阻值變化，使得與兩個(gè)外接電阻（R6與R7）構(gòu)成的電橋不平衡，從而產(chǎn)生流量信號(hào)。質(zhì)量流量越大，溫差越大，輸出的電壓差值也越大。該信號(hào)經(jīng)RC低通濾波后，送至精密儀表放大器INA126放大，進(jìn)入A/D1口，進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。由于R6、R7、Rq1、Rq2電橋非嚴(yán)格匹配，并且受環(huán)境溫差和溫度漂移的影響，因此存在一個(gè)靜態(tài)的輸出電壓，該靜態(tài)電壓影響U3的放大倍數(shù)設(shè)置，容易造成電路直流阻塞。因此在儀表放大器U3的參考端（U3第5管腳）輸出一個(gè)D/A1直流偏置，以消除靜態(tài)電壓的影響。

1.2 壓力傳感器電路

壓力傳感器電路采用美國(guó)SMI公司的SM5651[6]，是一種完全校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償微差壓雙列直插高性能壓力傳感器，其陶瓷基底貼裝高穩(wěn)定壓阻式壓力傳感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜電阻進(jìn)行零度校正、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償和靈敏度溫度補(bǔ)償，其壓力檢測(cè)電路圖，見(jiàn)圖4。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)四電阻電橋，如圖4中元件U4所示，U4的2、4腳為電壓激勵(lì)，在1、3腳輸出壓力信號(hào)；經(jīng)阻容RC低通濾波后，送至精密儀表放大器INA126中，經(jīng)放大后進(jìn)入A/D3口；D/A3為其靜態(tài)失調(diào)電壓的調(diào)整口。

圖4 壓力檢測(cè)電路圖

1.3 電磁閥控制驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路采用LM4871音頻功率放大器，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電磁閥的線圈改變，控制閥門(mén)大小以精確控制供給患者的空氣壓力和流量的大小。電磁閥控制驅(qū)動(dòng)電路圖，見(jiàn)圖5。圖中D/A5信號(hào)為經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算后的控制信號(hào)。

圖5 電磁閥控制驅(qū)動(dòng)電路圖

2 軟件控制系統(tǒng)

本研究采用虛擬儀器Labview軟件為平臺(tái)，進(jìn)行軟件控制及算法編程。軟件部分由程序界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)平滑、呼吸切換點(diǎn)檢測(cè)、軟件PID控制等構(gòu)成。

軟件系統(tǒng)采用Labview的生產(chǎn)者消費(fèi)者模型，在系統(tǒng)初始化模塊中主要完成電路的硬件檢測(cè)功能，包括壓力傳感器的靜態(tài)偏置檢測(cè)、流量傳感器的靜態(tài)偏置檢測(cè)、A/D卡狀態(tài)檢測(cè)和狀態(tài)設(shè)置等。在界面參數(shù)設(shè)置模塊中，可進(jìn)行吸氣壓力（IPAP）、呼氣壓力（EPAP）、呼吸時(shí)間、呼吸波形顯示、報(bào)警等參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完畢后，系統(tǒng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，建立原始數(shù)據(jù)數(shù)組，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，檢測(cè)呼吸觸發(fā)切換點(diǎn)，控制電磁閥運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到設(shè)定的呼氣或吸氣的壓力流量值。具體的軟件流程圖，見(jiàn)圖6。

圖6 軟件流程圖

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，本研究采用了NI公司PCI6230A/ D卡，該卡是一款帶隔離的多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）板卡，帶有單端8通道或差分4通道的16位A/D通道，動(dòng)態(tài)范圍為±10 V，采樣率為500 kHz，同時(shí)具有4通道16位D/A輸出。該板卡可完全滿足本研究的設(shè)計(jì)要求，并能夠極大地提高設(shè)計(jì)效率。

該系統(tǒng)的軟件界面圖，見(jiàn)圖7。該界面包含了吸氣壓力（IPAP）、呼氣壓力（EPAP）、呼吸率等的計(jì)算結(jié)果及壓力波形和流量波形的顯示等。

圖7 系統(tǒng)軟件界面圖

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 平滑算法及波形

人的正常呼吸頻率為16～20次/min，頻率較低，而呼吸機(jī)中的流量和壓力傳感器檢測(cè)到的噪聲信號(hào)為高頻信號(hào)。因此，需要選擇合適的低通濾波器對(duì)模擬電路濾波進(jìn)行補(bǔ)充。本文選取的濾波器為移動(dòng)平均濾波器，其原理為：將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)分成一段固定長(zhǎng)度為N的一維數(shù)組。測(cè)量得到新數(shù)據(jù)后，將其插入原數(shù)組的尾部，并去除數(shù)組中的首個(gè)數(shù)據(jù)，得到新的一維數(shù)組；然后對(duì)該數(shù)組進(jìn)行算術(shù)平均值的運(yùn)算，并將該值做為本次測(cè)量的結(jié)果。

當(dāng)采樣的數(shù)據(jù)量M＞N時(shí)，任意時(shí)刻的移動(dòng)平均值y-M可用下式表示：

式中yi為任意時(shí)候的絕對(duì)值。

應(yīng)用無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)采集到的呼吸流量波形和平滑后的波形，見(jiàn)圖8。7～8 s的局部放大波形，見(jiàn)圖9。可以看出，平滑后的波形干擾非常少，符合進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理的要求。

圖8 呼吸流量波形和平滑后的波形

圖9 流量局部放大波形

3.2 呼吸觸發(fā)切換算法及波形

目前呼吸機(jī)中所用的觸發(fā)模式主要有壓力觸發(fā)、流量觸發(fā)、膈肌電觸發(fā)以及多模式混合等[7-9]。膈肌電觸發(fā)是近年出現(xiàn)的一種新的觸發(fā)方式，能夠在呼吸動(dòng)作產(chǎn)生之前檢測(cè)到膈肌的運(yùn)動(dòng)肌電信號(hào)，被認(rèn)為是目前呼吸機(jī)中人機(jī)對(duì)抗最少的一種觸發(fā)方式，但是由于需要在患者食道內(nèi)置入膈肌電檢測(cè)電極，增加了操作的復(fù)雜性并給患者增加了額外的痛苦，因此這種觸發(fā)方式只在醫(yī)院高檔呼吸機(jī)中可見(jiàn)[10]。

壓力觸發(fā)和流量觸發(fā)是常見(jiàn)的兩種觸發(fā)方式，其實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一種是閾值觸發(fā)，一種是變化量觸發(fā)。閾值觸發(fā)由機(jī)器預(yù)先設(shè)定觸發(fā)閾值，當(dāng)檢測(cè)到患者呼吸管路內(nèi)的壓力流量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)開(kāi)啟觸發(fā)；變化量觸發(fā)是通過(guò)檢測(cè)患者呼氣相與吸氣相的流量壓力變化率來(lái)開(kāi)啟觸發(fā)。本研究觸發(fā)切換算法采用流量變化率觸發(fā)方式，呼吸氣體流量在呼吸轉(zhuǎn)換中存在流量突變，通過(guò)對(duì)流量數(shù)據(jù)求導(dǎo)，可以獲得觸發(fā)切換的特征信號(hào)。流量觸發(fā)公式如下：

其中ai為任意時(shí)刻流量的改變速率，dt為采樣時(shí)間。

對(duì)上述無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)系統(tǒng)采集到的呼吸流量數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)切換后，可以得到波峰和波谷的值。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用該值作為呼吸機(jī)呼氣壓力（EPAP）和吸氣壓力（IPAP）的觸發(fā)時(shí)機(jī)。呼吸相切換波形，見(jiàn)圖10，求導(dǎo)后的波形曲線形成兩個(gè)尖峰，其位置為對(duì)應(yīng)的呼吸觸發(fā)切換點(diǎn)。

圖10 呼吸相切換波形

4 結(jié)論

本文論及了一種采用虛擬儀器Labview的呼吸機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)，該平臺(tái)采用NI公司的PCI6230A/D卡，其精密的壓力和流量傳感器電路，能夠高效的實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)各項(xiàng)功能，并對(duì)呼吸相的切換觸發(fā)算法做了一定的實(shí)驗(yàn)和探討。

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Design of a Labview-Based Noninvasive Ventilator System

YANG Wei-dong1, CHEN Ge2, LV Wei-min3, ZHU Qing1
1.Zhejiang Pharmaceutical College, Ningbo Zhejiang 315100, China; 2.Ningbo First Hospital, Ningbo Zhejiang 315010, China; 3.Zhejiang Research Institute of Medical Equipment, Hangzhou Zhejiang 310009, China

This paper expounded the design of a non-invasive ventilator system on the basis of Labview. The system taken Labview and hardwares such as related sensors as the platform and made use of the control module and display module of the Labview software to establish its interfaces. With utilization of data fl ow diagram, its multiple functions and control algorithm were designed and realized, which made it a unique respiratory detection algorithm for the system. The actual test results of the system demonstrated its high effi ciency and practical signifi cance in realizing each function.

noninvasive ventilators; Labview; pressure fl ow sensors; respiratory detection algorithm

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.006

1674-1633(2015)05-0021-03

2015-03-01

2015-03-20

浙江省科技廳公益類(lèi)項(xiàng)目（2013C33194）。

作者郵箱：543719177@qq.com