徐晶偉，廖躍華，尚 昆，史清清

（1. 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093；2. 上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海201318）

0 引言

在臨床上，深靜脈血栓(Deep Venous Thrombosis，DVT)十分常見(jiàn)，特別是下肢 DVT[1,2]。其臨床患者輕則日常的生活和工作受到影響或致殘，重則失去生命。通過(guò)分析DVT形成的原理，本項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了壓力抗血栓裝置，該裝置通過(guò)對(duì)下肢或足部施加脈沖氣體來(lái)擠壓血液和淋巴，增加靜脈血液回流，減少血液瘀滯，進(jìn)而治療和預(yù)防深靜脈血栓形成。氣動(dòng)回路作為壓力抗血栓裝置的重要組成部分，其氣密性直接影響到整個(gè)壓力抗血栓裝置的質(zhì)量和使用，因此，需要對(duì)其氣密性能進(jìn)行檢測(cè)。目前市場(chǎng)上雖然也有一些氣密性檢測(cè)設(shè)備，但由于其設(shè)計(jì)理念與本裝置有所不同，無(wú)法滿足使用需求，故有必要研發(fā)一套氣動(dòng)回路氣密性檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的氣密性檢測(cè)。

氣密性檢測(cè)根據(jù)檢測(cè)方式的不同可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是目測(cè)法，即向待測(cè)件內(nèi)充入一定壓力的氣體，然后將其浸入水中或在其表面涂抹易產(chǎn)生氣泡的液體，通過(guò)觀察產(chǎn)生的氣泡情況來(lái)檢測(cè)泄漏狀況及位置。該方法操作簡(jiǎn)單但檢測(cè)精度低，且由于一些工件易生銹，易腐蝕等特點(diǎn)，該檢測(cè)方法不合適。另一類(lèi)是儀器法，這類(lèi)方法要求在氣動(dòng)回路中連接壓力傳感器，通過(guò)壓力傳感器的輸出信號(hào)判斷待測(cè)件氣密性。儀器法又細(xì)分為直接壓力檢測(cè)法、間接壓力檢測(cè)法和差壓檢測(cè)法等3種。每種檢測(cè)方法都有其特點(diǎn)[3-5]。其中，直接壓力檢測(cè)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)選用高精度壓力傳感器就能達(dá)到較高的檢測(cè)水平。間接壓力檢測(cè)法和差壓檢測(cè)法雖然檢測(cè)精度較高但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高。本著經(jīng)濟(jì)合理，精確有效的原則，本裝置采用直接壓力檢測(cè)法，通過(guò)選用高精度壓力傳感器檢測(cè)氣動(dòng)回路內(nèi)部壓力數(shù)據(jù)。

影響氣密性檢測(cè)準(zhǔn)確性的因素有：待測(cè)件容積，測(cè)試壓力，檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度，保壓時(shí)間等，很難建立這些因素與氣密性能之間的確切關(guān)系。目前見(jiàn)到的應(yīng)用到氣密型檢測(cè)的模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊聚類(lèi)等，但是其分類(lèi)準(zhǔn)確性的提高是以大量有效的訓(xùn)練樣本為基礎(chǔ)，而實(shí)際氣密性測(cè)量的數(shù)據(jù)樣本較少，因此，這兩類(lèi)模型應(yīng)用在氣密型檢測(cè)中并不理想。而支持向量機(jī)（SVM）是在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種通用學(xué)習(xí)機(jī)器，具有小樣本學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)，能有效提高算法的泛化能力，是處理有限樣本學(xué)習(xí)的有效工具，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)SVM在模式分類(lèi)及檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究[6-10]。

故本文提出支持向量機(jī)的方法，建立氣密性與各影響因素間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證該方法的可行性，提高氣密性檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

圖1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理方框圖Fig.1 Block diagram of test system principle

如圖1所示，該系統(tǒng)的工作原理為：用戶根據(jù)氣囊容積來(lái)設(shè)置氣缸容積，上位機(jī) PC發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)控制電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，根據(jù)位移傳感器反饋的位移信號(hào)，推動(dòng)氣缸到指定位置，產(chǎn)生一定的容積，氣泵對(duì)氣缸充氣，氣體壓力傳感器將壓力信號(hào)反饋回PC機(jī)。測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將得到的保壓時(shí)間，保壓階段的氣壓下降量等數(shù)據(jù)保存下來(lái)，然后通過(guò)支持向量機(jī)（SVM）算法來(lái)判定氣動(dòng)回路氣密性能是否滿足壓力抗血栓裝置的需求[11]。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件主體分為兩個(gè)部分：氣動(dòng)回路部分和測(cè)控系統(tǒng)部分。氣動(dòng)回路部分主要由氣泵、步進(jìn)電機(jī)、氣缸、氣體壓力傳感器、手動(dòng)閥和溢流閥組成。構(gòu)成壓力抗血栓裝置的氣路部分，也即為待測(cè)部分。測(cè)控系統(tǒng)部分主要由上位機(jī)PC、數(shù)據(jù)采集卡、電源電路和信號(hào)調(diào)理電路組成，該部分為氣動(dòng)回路氣密性檢測(cè)的主體，具體測(cè)量氣動(dòng)回路氣密性好壞，并使得檢測(cè)結(jié)果直觀顯示在相應(yīng)界面上。

（1）氣動(dòng)回路系統(tǒng)：如圖2所示，氣泵通過(guò)管路系統(tǒng)向氣缸供氣；為防止氣體倒流損壞氣泵，安裝單向閥保證氣體單向輸送；為防止氣動(dòng)回路出現(xiàn)異常高壓，損壞測(cè)試系統(tǒng)安裝了溢流閥；手動(dòng)閥用于回路排氣[12,13]。

圖2 氣動(dòng)回路圖Fig.2 Pneumati c circuit diagram

（2）測(cè)控系統(tǒng)：如圖3所示，上位機(jī)PC通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理電路控制氣動(dòng)回路的運(yùn)行，傳感器模塊將測(cè)量信號(hào)反饋給上位機(jī)PC，系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行分析處理。其中數(shù)據(jù)采集模塊采用阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡 USB5935；信號(hào)調(diào)理模塊由信號(hào)隔離和濾波電路組成；氣體壓力傳感器采用MD-PSG010壓力傳感器，直線位移傳感器采用德國(guó)NOVOTECHNIK位移傳感器TLH系列[14]。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure flow chart of measurement and control system

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與算法

3.1 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 主程序流程圖Fig.4 Diagram of main program flow

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。啟動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)置充氣容積，步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)氣缸到達(dá)相應(yīng)的容積位置，選擇壓力測(cè)量范圍，設(shè)置允許誤差和氣壓保持時(shí)間 T，啟動(dòng)氣泵向氣缸充氣，記錄時(shí)間 t1，氣體壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)氣缸壓力，并通過(guò)上位機(jī) PC的氣壓時(shí)間圖表顯示，到達(dá)設(shè)定壓力值時(shí)，記錄時(shí)間 t2，氣泵停止，進(jìn)入保壓階段，記錄保壓階段氣壓下降量ΔP，充氣周期到達(dá)后兩位三通閥動(dòng)作，氣缸內(nèi)氣體排出，當(dāng)壓力降為大氣壓力或達(dá)到規(guī)定排氣時(shí)間時(shí)，測(cè)試結(jié)束停止記錄，測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算充氣時(shí)間 t=t2-t1，保壓階段的氣壓下降量ΔP，并將相關(guān)數(shù)據(jù)保存。系統(tǒng)采用支持向量機(jī)(SVM)算法，以氣缸體積V，保壓時(shí)間T和保壓階段氣壓下降量ΔP為輸入量，氣密性合格與否為輸出量，判斷回路氣密性能。

本文基于Windows操作平臺(tái)，利用美國(guó)NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW[15]，開(kāi)發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)軟件。采用模塊化編程思想，將軟件分為參數(shù)設(shè)置模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊等，其主要功能包括：①可設(shè)置測(cè)試參數(shù)并錄入測(cè)試項(xiàng)目的相關(guān)信息；②發(fā)送指令控制測(cè)試過(guò)程的通斷；③對(duì)測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理；④對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能計(jì)算，自動(dòng)給出測(cè)試結(jié)論并顯示；⑤提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能，為產(chǎn)品性能對(duì)比提供依據(jù)。測(cè)試軟件的多參數(shù)顯示界面如圖5所示，包括氣缸體積設(shè)置界面、測(cè)試界面和報(bào)表界面，氣缸體積設(shè)置界面包括設(shè)置體積、當(dāng)前體積和體積調(diào)整；測(cè)試界面實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，包括測(cè)定壓力值、偏移量、保壓時(shí)間以及壓力波形圖；報(bào)表界面對(duì)采集的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理，即通過(guò)后文介紹的理論分析，判斷該氣動(dòng)回路是否滿足要求，系統(tǒng)還可以保存數(shù)據(jù)、瀏覽分析歷史數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)軟件算法

本文數(shù)據(jù)處理方法為支持向量機(jī)（SVM，Support Vector Machine）算法。由于在充氣過(guò)程中所測(cè)得的壓力值會(huì)有一定的誤差，所以若單一的設(shè)定壓差閾值來(lái)判定氣密性能，會(huì)導(dǎo)致最終的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，而引入支持向量機(jī)算法，選取氣動(dòng)回路容積V、實(shí)測(cè)壓差ΔP以及保壓時(shí)間T作為輸入量，氣密性合格與否作為輸出量，能夠使得檢測(cè)結(jié)果更加精確。

支持向量機(jī)（SVM）算法是由Vapnik首先提出的，像多層感知網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)一樣，可用于模式分類(lèi)以及線性或非線性回歸。支持向量機(jī)的主要思想是建立一個(gè)分類(lèi)超平面，該平面能夠精確的將兩類(lèi)訓(xùn)練樣本分開(kāi)且使得兩類(lèi)分類(lèi)間距最大。支持向量機(jī)的理論基礎(chǔ)是統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，更精確的說(shuō)，支持向量機(jī)是結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的近似實(shí)現(xiàn)[16]。支持向量機(jī)（SVM）屬于有監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法，即已知訓(xùn)練點(diǎn)的類(lèi)別，求訓(xùn)練點(diǎn)和類(lèi)別間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便將訓(xùn)練集按照類(lèi)別分開(kāi)，或預(yù)測(cè)新的訓(xùn)練點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的類(lèi)別[17]。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)主界面Fig.5 Main interface of test system

兩類(lèi)樣本構(gòu)成的兩個(gè)邊界超平面間的距離為：2/||w||。故在滿足兩邊界超平面方程間距最小的條件下，最優(yōu)分類(lèi)平面問(wèn)題可等效為求函數(shù)：

的最小值。為此，引入Lagrange函數(shù)：

其中， αi≥0為L(zhǎng)agrange系數(shù)，把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸二次規(guī)劃的對(duì)偶問(wèn)題：

這是一個(gè)不等式約束下二次函數(shù)機(jī)制問(wèn)題，存在唯一最優(yōu)解。若最優(yōu)解，則

i i 1 = 0 求解，由此求得的最優(yōu)分類(lèi)函數(shù)是：

其中，sgn()是符號(hào)函數(shù)。

對(duì)于線性不可分的情況，可將輸入樣本映射到一個(gè)高維特征空間，尋找能將特征空間分為兩個(gè)區(qū)域的最優(yōu)超平面，通過(guò)核函數(shù)，取代高維特征空間的內(nèi)積運(yùn)算，即K(xi, xj) = φ ( xi) ? φ ( xj)，從而避免了維數(shù)災(zāi)難。當(dāng)用一個(gè)超平面不能把兩類(lèi)點(diǎn)完全分開(kāi)時(shí)，可引入松弛變量ξi和懲罰參數(shù)C，將尋找最優(yōu)分類(lèi)面問(wèn)題轉(zhuǎn)化為[18]：

最優(yōu)分類(lèi)函數(shù)可表示為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境溫度為 20℃，壓強(qiáng)為101.33 KPa，相對(duì)濕度為 45%，試驗(yàn)臺(tái)保持干凈整潔。測(cè)試對(duì)象為氣動(dòng)回路，測(cè)試時(shí)分別改變回路容積（1000, 500, 300 ml），設(shè)定壓力大小分別為（60, 70,80, 90 mmHg），保壓時(shí)間分別選擇為（5, 10, 15,20 s）。開(kāi)始工作后，設(shè)定保壓時(shí)間 T，系統(tǒng)自動(dòng)記錄保壓階段開(kāi)始時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值P1和保壓結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值P2,并計(jì)算保壓階段的氣壓下降量ΔP=P2- P1。本實(shí)驗(yàn)共獲得20組數(shù)據(jù)，前 10組數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)合格氣動(dòng)回路的數(shù)據(jù)，其類(lèi)型定義為1。中間5組數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)不合格氣動(dòng)回路的數(shù)據(jù)，其類(lèi)型定義為-1。最后5組數(shù)據(jù)是待測(cè)氣動(dòng)回路的數(shù)據(jù)，其類(lèi)型未知待測(cè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

利用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)生成超平面方程，然后用生成的超平面方程對(duì)待測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)中的實(shí)際分類(lèi)值和預(yù)測(cè)分類(lèi)值進(jìn)行比較，以判斷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，結(jié)果如下表所示。

該算法以氣缸體積V、保壓時(shí)間T和壓降ΔP為輸入量，以所屬類(lèi)型為輸出量來(lái)判斷該氣動(dòng)回路氣密性能，1代表氣密性合格，-1代表氣密性不合格。運(yùn)行程序結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Te sting data

故可以得到超平面方程為：

y = sgn(1.4001* T - 2 .5677 * V - 3 .3821* ΔP +0.31145)預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所列。

由上表所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，支持向量機(jī)算法成功的對(duì)15組訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)5組待測(cè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)。該數(shù)據(jù)的分類(lèi)錯(cuò)誤率為1/15=6.67%，達(dá)到了預(yù)期的精度要求。故該實(shí)驗(yàn)方法合理，測(cè)結(jié)果可靠，能夠快速準(zhǔn)確地判斷氣動(dòng)回路的氣密性能。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種新型的氣動(dòng)回路氣密性檢測(cè)系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)基于Labview虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行多參數(shù)顯示。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，對(duì)氣動(dòng)回路的氣密性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)測(cè)氣密性與真實(shí)氣密性誤差只有5%，故該測(cè)試系統(tǒng)可同時(shí)方便高效地進(jìn)行氣動(dòng)回路氣密性的測(cè)試、分析、顯示和存儲(chǔ)，從而使氣動(dòng)回路能更準(zhǔn)確地應(yīng)用于壓力抗血栓裝置中，操作方便、精度高、且智能化。

表2 SVM 程序輸出結(jié)果Tab.2 Output result of SVM program

表3 訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分類(lèi)與真實(shí)分類(lèi)Tab.3 Predictive sample data predictive classification and real classification

表4 待測(cè)數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果Tab.4 The classification results of the data to be measured

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