基于LabVIEW的無創(chuàng)呼吸機實驗平臺的研制

許煜聰，譚志堅，羅語溪

1 廣州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院設備科，廣州市，510120

2 中山大學工學院，廣州市，510006

0 引言

呼吸機是臨床搶救和治療疾病不可缺少的重要工具[1]。本文采用虛擬儀器技術搭建了一種呼吸機實驗平臺。本平臺的主要思想在于：它根據現(xiàn)有呼吸機的結構原理將硬件和軟件集合于一體，實現(xiàn)了通氣的功能；同時在此開發(fā)環(huán)境中，控制策略可不斷被改善和實現(xiàn)，軟硬件的資源調用變得更為容易，縮短開發(fā)時間。呼吸機基本結構及工作流程如圖1所示：

圖1 呼吸機的基本結構Fig.1 The basic structure of ventilator

渦輪風機產生的氣流經過呼吸導管和鼻面罩輸送給受試者，使其肺部進行壓縮和擴張運動；傳感器檢測呼吸導管內的壓力和流速，并通過處理器不斷修正輸出控制信號，從而調整渦輪風機的轉速和呼吸閥門閉合，輸送符合生理規(guī)律的氣流[2]。

1 硬件設計

實驗平臺的硬件結構如圖2所示，它主要由信號采集電路、數(shù)據采集卡、渦輪風機和計算機組成。其中：信號采集電路用于采集通氣過程的壓力和流量，并對渦輪風機輸出控制信號；采集卡將信號采集電路獲取的電壓信號回傳至計算機并作進一步處理[3]。

圖2 實驗平臺的硬件結構Fig.2 The hardware structure of experiment platform

1.1 信號采集電路

信號采集電路是自制的集壓力檢測、流量檢測、風機驅動和信號反饋于一體的電路板，其基本結構如圖3所示。

圖3 信號采集電路結構Fig.3 The circuit of signal acquisition

1.1.1 電源管理模塊

電源管理模塊采用24 V直流電進行供電，其中，場效應驅動電路需12 V供電，因此采用了LM2576-12電源芯片進行電壓轉換以給驅動模塊正常供電，而壓力傳感器和流速傳感器則分別由LM2576-5和LM7808電源芯片對其進行5 V和8 V供電[4]。安全是電路設計的首要原則，因此在電源模塊的各分壓電路中需加入二極管以防止電流倒灌而燒毀芯片，并在各級電源芯片輸入端加入不同容量的電容以起整流和濾波的作用，使輸出的電壓更加穩(wěn)定。

1.1.2 傳感器模塊

本平臺選擇Freescale公司的MPXV5004G作為壓力傳感器，Honeywell公司的163PC01D75作為流速傳感器。以壓力傳感器為例，其內部集成的高精度應變片可檢測氣體壓力的變化，通氣過程中隨著壓力不斷增大，其中一管腳將輸出相應的電壓。壓力與電壓值的關系如下所示：

其中，VS為供電電源5 V，0.025.VFSS為壓力補償，VFSS為該傳感器的壓力最大量程，為40 cmH2O。

1.1.3 風機控制模塊

實驗平臺選用德國Ebm-papst公司生產的無刷電機，并采用MC33035作為渦輪風機的控制芯片，它主要是通過對下側半橋的功率開關管輸出PWM波，實現(xiàn)對電機速度的調整[5]。該模塊設計初期曾添加了MC33039芯片，但調試過程中發(fā)現(xiàn)，MC33039具有增強電機硬特性的功能，電機的轉速不會因外界負載變化而產生變化。對于開環(huán)系統(tǒng)，具有硬特性的電機可使系統(tǒng)保持穩(wěn)定輸出，但本實驗平臺中，由于渦輪風機需要根據受試者不同的呼吸相切換而快速輸出不同的壓力，而且控制策略采用的是閉環(huán)回路，因此該模塊并沒有加入MC33039芯片。

1.2 數(shù)據采集卡

本平臺選取了NI公司的USB-6341作為數(shù)據采集設備。該款采集卡由NI公司生產，具有500 ks/s的采樣率和吞吐量，還提供16位分辨率的16路模擬輸入和2路模擬輸出[6]。由于本平臺檢測的信號屬于模擬量，因此只需用到采集卡上模擬信號的I/O端口，其中，AI0和AI1分別連接壓力傳感器和流速傳感器的輸出端，AO0則作為控制MC33035的信號輸出端。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 基本結構

呼吸機實驗平臺的控制軟件采用LabVIEW編寫，控制軟件的流程框架如圖4所示。

圖4 控制軟件的流程圖Fig.4 The diagram of software

在平臺對各項指標進行初始化后，需對吸氣壓力、呼氣壓力、呼吸頻率等參數(shù)進行設定。通氣過程中，采集電路將對氣流實時采樣并建立數(shù)據組，控制策略即時分析反饋回來的數(shù)據，計算出所需壓力值并穩(wěn)定在一定范圍內[7]。

2.2 數(shù)據采集

本平臺中的傳感器及電機控制信號均屬于模擬量，因此在DAQmx庫中直接調用即可。軟件系統(tǒng)需對數(shù)據卡上的模擬輸入口進行指定，如圖5所示，通過創(chuàng)建虛擬通道設置了兩路輸入通道，即可將兩路傳感器模擬信號回傳至計算機。

圖5 傳感器數(shù)據采集模塊Fig.5 The module of sensor data

2.3 控制策略模塊設計

呼吸機以穩(wěn)定的頻率和通氣壓力來撐開患者塌陷的氣道，因此需要保證氣流平穩(wěn)。本平臺的控制策略窗口以PID控制器作為基礎算法，其原理如圖6所示。

圖6 PID控制器原理Fig.6 The principle of PID controller

PID控制器將根據實際輸出值與預定值形成偏差，然后按照比例、積分和微分對偏差進行計算，并對受控對象進行控制[8]，其算法可由公式（2）表示：

PID控制器是一種適合于呼吸機控制的理想算法。如圖7所示，是本平臺建立初期采用PID控制器輸出的壓力響應曲線，其中，設定的壓力為6 cmH2O，PID控制器在通過不斷地減小誤差和修正偏差信號的過程中，使系統(tǒng)逐漸地逼近預設壓力并最終穩(wěn)定下來，從中我們能更清楚地認識到PID控制器的工作原理。

圖7 采用PID控制器下輸出的壓力響應波形Fig.7 The pressure response waveform outputted by PID controller

為了使風機輸出更準確的壓力響應，需測定風機在開環(huán)狀態(tài)下輸入電壓和壓力響應之間的關系，實驗平臺采用TSI公司的Certifier FA Plus氣流分析儀來標定。方法如下：

（1）將皮托管取下，把氣流分析儀的測試部分接入風機出口處和通氣管路進口處，并保證連接處密封。

（2）設定不同的電壓值并驅動風機運行，測試儀將顯示對應的輸出壓力響應。

（3）在Matlab中繪制對輸入電壓和壓力響應進行擬合，獲得公式如下所示：

其中，v為控制風機的輸入電壓，p為壓力響應值。

（4）獲得上述擬合曲線后，即可將公式置于軟件中并通過建立子VI來實現(xiàn)風機電壓輸出。

3 結果

本平臺在對數(shù)據保存路徑、吸氣壓力、呼氣壓力和觸發(fā)流量等參數(shù)設定完畢后，即可開始通氣。如圖8所示，是一次通氣過程保存的數(shù)據，其中，吸氣壓力為10 cmH2O（1 cmH2O=100 Pa），呼氣壓力為3 cmH2O，觸發(fā)流量為10 L/min，呼吸頻率為12 次/min。在呼氣階段，呼氣壓力一直穩(wěn)定在設定值附近；隨著流量逐步提升并達到閾值后，平臺立刻觸發(fā)并使風機快速達到預定轉速，輸出所需的吸氣壓力；在吸氣末期，流量到達極值后將開始下降，平臺降低風機的轉速以便快速釋放管道內的壓力，從圖8中可觀察出，壓力迅速下降。但值得注意的是，由于本平臺未設置呼氣閥，因此在吸氣相轉呼氣相的時刻出現(xiàn)一微小的壓力尖峰，造成管道內壓力瞬時升高了大約2 cmH2O，這在一定程度上造成了使用不舒適，在下一步研究中，將通過改善控制策略來消除該壓力尖峰。

圖8 實驗平臺的呼吸波形Fig.8 Respiration waveform of experiment platform

4 結論

在以往的呼吸機開發(fā)過程中，需將編寫好的代碼進行編譯并燒錄到主控芯片上，同時還要串聯(lián)氣流分析儀等設備進行對比，過程較為復雜且效率較低，不利于項目的進展[9-10]。在本平臺中，使用人員無需在開發(fā)環(huán)境方面花精力去設計，只需在控制策略模塊內進行操作即可實現(xiàn)預想的功能，因此在產品的初期階段，可快速推出原型機，并在原有基礎上做出改進，可較大程度提高產品的開發(fā)效率。