基于Labview的無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)的設(shè)計

楊衛(wèi)東，陳革，呂維敏，朱清

1.浙江醫(yī)藥高等專科學(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的無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)的設(shè)計

楊衛(wèi)東1，陳革2，呂維敏3，朱清1

1.浙江醫(yī)藥高等?？茖W(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的無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)的設(shè)計過程。該系統(tǒng)以Labview及相關(guān)的傳感器等硬件為平臺，其呼吸機界面利用Labview軟件的控制件和顯示件建立，其各項功能和控制算法利用圖形化的數(shù)據(jù)流形式設(shè)計并實現(xiàn)，具有獨特的呼吸相檢測算法。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠高效地實現(xiàn)呼吸機的各項功能，具有一定的實用價值。

無創(chuàng)呼吸機；Labview；壓力流量傳感器；呼吸相檢測算法

0 前言

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

本研究以Labview及相關(guān)的傳感器等硬件為平臺，設(shè)計了一種無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)。筆者利用Labview軟件豐富的控制件和顯示件建立該系統(tǒng)的呼吸機界面，以圖形化的數(shù)據(jù)流形式來設(shè)計并實現(xiàn)該系統(tǒng)的各項功能和控制算法，且提出了獨特的呼吸相檢測算法，報道如下。

1 硬件電路設(shè)計

無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖以及實物圖，見圖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)機構(gòu)成，其中風(fēng)機用于提供外部高壓氣體，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(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)可避免因頻繁電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)帶來的噪音以及電機調(diào)節(jié)的慣性滯后等問題。電路系統(tǒng)由壓力流量傳感器、A/D轉(zhuǎn)換裝置、計算機系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動構(gòu)成，其中壓力流量數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機系統(tǒng)的檢測和計算后，再通過D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路控制電磁閥和風(fēng)機，然后按照患者的需求設(shè)定參數(shù)控制電磁閥和電機的通氣量[3]。

圖1 無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)實物圖

1.1 流量傳感器電路

人機同步是評價呼吸機的重要指標之一，其理想目標是患者能像正常人一樣處于無阻礙狀態(tài)，事實上，至今尚無法完全解決呼吸機人機同步的問題[4]。但是高靈敏的傳感器無疑是解決人機同步的必備條件。

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。該傳感器實質(zhì)為熱式質(zhì)量流量計，其內(nèi)部包含熱敏電阻與加熱電阻，其流量檢測電路圖，見圖3。

圖3 流量檢測電路圖

集成運放U1、R1、R2、R3以及內(nèi)部加熱電阻Ra、Rb、Rh、Rr構(gòu)成負反饋式加熱器自動控制電路，加熱電阻上流過穩(wěn)定的電流時會產(chǎn)生恒定的功率對管路中的流動氣體加熱，造成加熱點前后兩個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。質(zhì)量流量越大，溫差越大，輸出的電壓差值也越大。該信號經(jīng)RC低通濾波后，送至精密儀表放大器INA126放大，進入A/D1口，進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。由于R6、R7、Rq1、Rq2電橋非嚴格匹配，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SMI公司的SM5651[6]，是一種完全校準和溫度補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行零度校正、零點溫度補償和靈敏度溫度補償，其壓力檢測電路圖，見圖4。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個四電阻電橋，如圖4中元件U4所示，U4的2、4腳為電壓激勵，在1、3腳輸出壓力信號；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 壓力檢測電路圖

1.3 電磁閥控制驅(qū)動電路

電磁閥驅(qū)動電路采用LM4871音頻功率放大器，經(jīng)放大后驅(qū)動電磁閥的線圈改變，控制閥門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)動電路圖，見圖5。圖中D/A5信號為經(jīng)過控制算法計算后的控制信號。

圖5 電磁閥控制驅(qū)動電路圖

2 軟件控制系統(tǒng)

本研究采用虛擬儀器Labview軟件為平臺，進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、呼吸切換點檢測、軟件PID控制等構(gòu)成。

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

圖6 軟件流程圖

為了簡化設(shè)計過程，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，動態(tài)范圍為±10 V，采樣率為500 kHz，同時具有4通道16位D/A輸出。該板卡可完全滿足本研究的設(shè)計要求，并能夠極大地提高設(shè)計效率。

該系統(tǒng)的軟件界面圖，見圖7。該界面包含了吸氣壓力（IPAP）、呼氣壓力（EPAP）、呼吸率等的計算結(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 實驗及分析

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，而呼吸機中的流量和壓力傳感器檢測到的噪聲信號為高頻信號。因此，需要選擇合適的低通濾波器對模擬電路濾波進行補充。本文選取的濾波器為移動平均濾波器，其原理為：將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)分成一段固定長度為N的一維數(shù)組。測量得到新數(shù)據(jù)后，將其插入原數(shù)組的尾部，并去除數(shù)組中的首個數(shù)據(jù)，得到新的一維數(shù)組；然后對該數(shù)組進行算術(shù)平均值的運算，并將該值做為本次測量的結(jié)果。

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

式中yi為任意時候的絕對值。

應(yīng)用無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)采集到的呼吸流量波形和平滑后的波形，見圖8。7～8 s的局部放大波形，見圖9。可以看出，平滑后的波形干擾非常少，符合進一步數(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，能夠在呼吸動作產(chǎn)生之前檢測到膈肌的運動肌電信號，被認為是目前呼吸機中人機對抗最少的一種觸發(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)院高檔呼吸機中可見[10]。

壓力觸發(fā)和流量觸發(fā)是常見的兩種觸發(fā)方式，其實現(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)由機器預(yù)先設(shè)定觸發(fā)閾值，當檢測到患者呼吸管路內(nèi)的壓力流量達到設(shè)定閾值時開啟觸發(fā)；變化量觸發(fā)是通過檢測患者呼氣相與吸氣相的流量壓力變化率來開啟觸發(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，通過對流量數(shù)據(jù)求導(dǎo)，可以獲得觸發(fā)切換的特征信號。流量觸發(fā)公式如下：

其中ai為任意時刻流量的改變速率，dt為采樣時間。

對上述無創(chuàng)呼吸機系統(tǒng)采集到的呼吸流量數(shù)據(jù)進行觸發(fā)切換后，可以得到波峰和波谷的值。在實際應(yīng)用中，可以采用該值作為呼吸機呼氣壓力（EPAP）和吸氣壓力（IPAP）的觸發(fā)時機。呼吸相切換波形，見圖10，求導(dǎo)后的波形曲線形成兩個尖峰，其位置為對應(yīng)的呼吸觸發(fā)切換點。

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的呼吸機平臺設(shè)計，該平臺采用NI公司的PCI6230A/D卡，其精密的壓力和流量傳感器電路，能夠高效的實現(xiàn)呼吸機各項功能，并對呼吸相的切換觸發(fā)算法做了一定的實驗和探討。

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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項目（2013C33194）。

作者郵箱：543719177@qq.com