基于Matlab的心肺復(fù)蘇術(shù)仿真模型GUI的實現(xiàn)

徐 林

（韓山師范學(xué)院計算機科學(xué)與工程系，廣東潮州 521041）

目前，我國每年心源性猝死超過50萬例.據(jù)專家介紹，當(dāng)病人出現(xiàn)昏迷時，及時開展心肺復(fù)蘇（Cardiopulmonary Resuscitation,CPR）急救，可有效挽救生命.為此，我們利用數(shù)學(xué)建模的方法，基于Matlab中的Simulink建立了心肺復(fù)蘇術(shù)仿真模型[1，2].利用仿真模型研究心肺復(fù)蘇術(shù)，可以避免臨床試驗中因各種外在因素的影響，諸如心肺復(fù)蘇實施的最佳時刻、受治患者的身體狀況、臨床試驗樣本的選取等等，而造成的不確定性結(jié)果.同時，實驗者可以通過設(shè)置不同的外力作用的參數(shù)值，模擬仿真各種心肺復(fù)蘇術(shù)下血流動力學(xué)效果，例如標(biāo)準(zhǔn)心肺復(fù)蘇術(shù)（Standard CPR，S-CPR）、主動按壓放松心肺復(fù)蘇術(shù)（Active Compression Decompression CPR,ACD-CPR）等，還可仿真中山醫(yī)科大學(xué)袁衡新等人提出的新型雙泵復(fù)蘇術(shù)（ACD-CPR coupled with Enhanced External Counter-pulsation and Inspiratory Impedance Threshold Valve,AEI-CPR）.這為心肺復(fù)蘇術(shù)的研究開辟了一個新的研究領(lǐng)域.

但是，Simulink創(chuàng)建的仿真模型是基于模塊化的，其中各種參數(shù)的設(shè)置必須在模塊內(nèi)進行修改，可讀性較差.因此，利用Matlab中的對象設(shè)計編輯器，創(chuàng)建了仿真模型的GUI界面，可使實驗者較為直觀地設(shè)置心肺復(fù)蘇術(shù)中的各外力作用參數(shù)，并可方便地運行該模型獲得仿真結(jié)果.仿真結(jié)果包括心肺復(fù)蘇術(shù)下血流動學(xué)效果的幾個主要的生理參數(shù)：胸主動脈壓、右房壓、冠脈灌注壓和頸部血流量.

1 Simulink環(huán)境下建立的心肺復(fù)蘇術(shù)仿真模型

Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境.在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng).

基于生理解剖學(xué)、血流動力學(xué)和心肺復(fù)蘇術(shù)的基本原理，利用Matlab中的Simulink建立了心肺復(fù)蘇術(shù)仿真模型，如圖1所示.

圖1 Simulink下的心肺復(fù)蘇術(shù)仿真模型

圖1 中左邊部分為人體血液循環(huán)系統(tǒng)模型，用來仿真心肺復(fù)蘇術(shù)下人體血流動力學(xué)的效果，其中各矩形框分別表示了人體的各生理部分，模型運行后可以通過這些子模塊獲得相關(guān)生理參數(shù)的動態(tài)變化值.圖1中橢圓1所標(biāo)識的模塊為心臟模塊，該模塊中的具體內(nèi)容如圖2所示.

圖1中右邊部分為心肺復(fù)蘇術(shù)外力作用的耦合模型，用來仿真心肺復(fù)蘇術(shù)的外力作用，其中各矩形框分別表示了作用于人體不同部分（如胸部、下肢等）的外力作用效果.圖1中橢圓2所標(biāo)識的模塊為胸部作用力模塊，該模塊中的具體內(nèi)容如圖3所示.

在Simulink中，要改變模塊中的參數(shù)值如胸部按壓力，必須進入對應(yīng)的模塊進行修改.而如圖2和圖3所示，心肺復(fù)蘇術(shù)仿真模型非常復(fù)雜，使得對Simulink的環(huán)境不熟悉的實驗人員無法快速了解該數(shù)學(xué)模型的運行機制.因此，利用Matlab的GUI功能，設(shè)計實現(xiàn)了可視化的模型操作界面，使只關(guān)心雙泵復(fù)蘇術(shù)血流動力學(xué)效果的實驗人員可以很便捷地修改心肺復(fù)蘇術(shù)外力作用的各個控制參數(shù)，并對該作用下所產(chǎn)生的血流動力學(xué)效果進行研究分析，而不需要了解該仿真模型在Simulink環(huán)境下實際的運行方式，極大地方便了課題組跨專業(yè)成員之間對相關(guān)問題的討論.

圖2 人體血液循環(huán)系統(tǒng)模型中心臟模塊

圖3 心肺復(fù)蘇術(shù)外力作用耦合模型中的胸部按壓力模塊

3 Matlab中仿真模型GUI界面的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 Matlab中仿真模型GUI界面的設(shè)計

作為強大的科學(xué)計算軟件，Matlab也提供了GUI的設(shè)計與開發(fā)功能.Matlab中的基本圖形用戶界面對象分為3類：用戶界面控件對象（uicontrol）、下拉式菜單對象（uimenu）和內(nèi)容式菜單對象（uicontextmenu）.利用上述對象，進行周密的組織、設(shè)計，就可以設(shè)計出一個界面良好、操作簡便、功能強大的圖形用戶界面[3].

在Matlab命令窗口內(nèi)，選擇File主菜單的New子菜單，會看到一個GUI的二級子菜單，單擊它，就會顯示GUI的程序設(shè)計模板，如圖4所示.

Matlab為GUI設(shè)計一共準(zhǔn)備了4種模板，根據(jù)設(shè)計的需要，選擇“Blank GUI（Default）”，就會打開一個空白的對象設(shè)計編輯器，如圖5所示.在圖的左邊，Matlab提供了設(shè)計界面所需的各種控件對象.在本界面中主要用到的控件對象有：Push Button（）、Edit Text（）、Static Text（）和Axes坐標(biāo)軸對象（）.

根據(jù)仿真模型的運行需求，設(shè)計的仿真模型的GUI界面如圖6所示.圖6中的左方是5個Axes坐標(biāo)軸對象，用來顯示運行仿真模型后幾個主要的生理參數(shù)值的動態(tài)變化結(jié)果，包括：外作用力的按壓波形、胸主動脈壓、右房壓、冠脈灌注壓和頸部血流量.圖6中的右上方是一組Static Text控件和EditText控件對，Static Text控件對象用來為用戶顯示提示信息，并在對應(yīng)的信息后面添加EditText控件對象，用來接收用戶輸入的心肺復(fù)蘇術(shù)外力作用的控制參數(shù)數(shù)據(jù).用戶可輸入的心肺復(fù)蘇術(shù)外力作用控制參數(shù)包括：按壓頻率、胸部按壓力、胸部上提力、下肢按壓力，對下肢實施序貫式加壓的時刻，胸部按壓與下肢按壓時間的比例.圖6的右下方有兩個Push Button控件對象，點擊“Run Module”按鈕，將運行仿真模型.點擊“Exit”按鈕，將退出本界面程序.

3.2 Matlab中仿真模型GUI界面的代碼實現(xiàn)

根據(jù)圖6的仿真模型GUI界面的設(shè)計，當(dāng)用戶點擊“Run Module”按鈕時，系統(tǒng)將接受用戶在EditText中輸入的外作用力控制參數(shù)值，并利用這些參數(shù)值運行仿真模型，最后將運行結(jié)果顯示在左方的Axes坐標(biāo)軸對象中.以上這些操作，需要在“Run Module”按鈕的回調(diào)函數(shù)（Callback）中完成，具體的代碼實現(xiàn)如下.

圖4 GUI設(shè)計模板界面

圖5 對象設(shè)計編輯器中的Blank GUI模板界面

圖6 仿真模型的GUI界面

第一步，獲取用戶在EditText控件對象中輸入的各控制參數(shù)的數(shù)值.Matlab GUI中的所有控件使用同一個handles結(jié)構(gòu)體，handles結(jié)構(gòu)體中保存了圖形窗口中所有對象的句柄，因此可以使用handles.ControlName獲取或設(shè)置某個對象的屬性.例如，若將用來輸入按壓頻率的Edit Text控件命名為txt-Freq，則要獲取該控件中用戶輸入的數(shù)據(jù)，可使用語句get（handles.txtFreq,'String'），其中g(shù)et函數(shù)的作用是從指定的控件對象中獲取相關(guān)的信息，handles.txtFreq為要獲取信息的控件的名字，而參數(shù)‘String’則為指定控件的String屬性，用戶在該控件中輸入的數(shù)據(jù)就保存在該屬性中.因為從Edit Text控件中獲取的數(shù)據(jù)都為字符型的，所以還需要用str2num（）函數(shù)將字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值型數(shù)據(jù).獲得的數(shù)據(jù)保存在指定的變量中，如“f_c=str2num（get（handles.txtFreq,’String’）;”.

第二步，將獲得的用戶輸入的控制參數(shù)值存放到Matlab的base空間中，以便Simulink仿真模型可以使用.在Matlab中，函數(shù)運行所使用的空間是與Matlab的base空間相獨立的，默認(rèn)情況下函數(shù)中所定義的變量為局部變量，而仿真模型運行所需要的數(shù)據(jù)都是由base空間讀取的，因此，必須將讀取的控制參數(shù)值由函數(shù)的運行空間存放到base空間中.例如，若將按壓頻率的值存放到base空間中，則使用語句“assignin（'base','f_c',f_c）;”.其中，第一個參數(shù)’base’指明要存放的空間的名字，第二個參數(shù)’f_c’為要在指定的base空間中保存該數(shù)據(jù)的變量的名字，第三個參數(shù)f_c則為本函數(shù)中保存按壓頻率的變量名.

第三步，運行Simulink仿真模型.若所建仿真模型的名字為MyCPRModule.mdl，則使用語句為“sim（'MyCPRModule.mdl'）;”.其中sim（）函數(shù)的作用就是運行指定的simulink仿真模型.

第四步，Simulink仿真模型運行結(jié)束后，將所得到的運行結(jié)果在GUI界面左方的Axes坐標(biāo)軸對象中顯示出來.這一步的操作主要是通過plot（）函數(shù)來實現(xiàn)的.例如，要顯示胸主動脈壓可使用如下語句來完成：

%在指定的Axes對象中顯示波形，橫軸為time，縱軸為Pao（即胸主動脈壓）

plot（handles.axePao,time,Pao） ;

%因為模型運行后得到的數(shù)據(jù)量較大，且數(shù)據(jù)是隨時間循環(huán)的，所以只截取其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)即可.Xlim（）函數(shù)的作用是在Axes中顯示指定范圍的數(shù)據(jù).

xlim（handles.axePao,[45,45+t_c*2]）；

%grid（）函數(shù)的作用是指定Axes中是否顯示表格，參數(shù)'on'就表示顯示

grid（handles.axePao,'on'）;

%ylabel（）函數(shù)的作用是顯示縱軸的標(biāo)簽

ylabel（handles.axePao,'Pao'）；

3 仿真模型GUI界面的運行結(jié)果

完成了上述編程任務(wù)，就可以運行GUI界面了.首先，分別在Edit Text控件中輸入指定的控制參數(shù)值，然后點擊“Run Module”按鈕，Simulink仿真模型將在后臺完成運行，運行完成后，指定的運行結(jié)果就會在Axes坐標(biāo)軸對象中分別顯示出來.運行結(jié)果如圖7所示.

[1]WU X M,ZHANG Y R,XU L,et al.The Computer Model in View of Hemodynamic Effects of Electro Ventilation Double Pump CPR.Peng Y.,Weng X.H..APCMBE 2008[C].United States:Springer,2008：562-566.

[2]ZHANG Y R,WU X M,XU L,etal.The Hemodynamic Effects Analysis ofthe New CPR Technique-Electro Ventilation Double Pump CPR：Studies in the Computer Model.ICBBE2008[C].United States：IEEE，2008：1761-1764.

[3]阮沈勇，王永利，桑群芳.MATLAB程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社.2004：7.

[4]黃永安，馬路，劉慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真開發(fā)與高級工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：5.

圖7 simulink仿真模型的GUI界面運行結(jié)果