人工模拟肺及其基于LabVIEW的数据采集系统*

李竹，严荣国，葛斌，陈倩，郭丹一，萨拉

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

人工呼吸机在临床抢救和治疗过程中，可以有效地提高患者的通气量，迅速解除缺氧和二氧化碳滞留问题，改善换气功能。随着医学技术的发展和人民生活水平的不断提高，呼吸机在临床上的应用越来越广泛，目前，呼吸机已是临床抢救及治疗各种原因引起的急慢性呼吸衰竭或呼吸功能不全等呼吸系统疾病不可缺少的医学设备[1-3]。由于呼吸机的治疗对象主要为危重病情患者，所以，呼吸机性能的安全性和有效性会直接影响患者的治疗效果甚至于生命安全，为了使呼吸机在临床使用中更安全、更可靠，对呼吸机的性能检测非常重要呼吸机的性能符合性测试一般包括呼吸机的电气安全测试和机械通气性能的测试。模拟肺是呼吸机机械通气性能测试中必不可少的设备，模拟肺的特性、参数精度会直接影响呼吸机机械通气性能测试的精度和可靠性，所以，模拟肺是呼吸机通气性能测试研究中的基础。模拟肺主要是模拟了人体肺的一些重要的物理特征和生理特征，如：顺应性、人体气道阻抗、潮气量等，从而应用于呼吸机、麻醉机等机械通气系统的性能测试[4-6]。本研究介绍的模拟肺就具有顺应性稳定，气道阻力可调，可测参数多且精确的特征，能保证呼吸机性能测试的准确性与可靠性。

2 基于玻意耳定律的模拟肺

我们所研究的是基于玻意耳定律的模拟肺。模拟肺主要模拟正常生理或病理状态下的肺的顺应性[7-10]。模拟肺系统总体连接示意图见图1，它包括内置一定铜网的玻璃瓶、气压传感器、单片机(下位机)和装有LabVIEW软件的计算机(上位机)等部分。

图1 模拟肺装置组成示意图

图中各数字分别代表：(1)玻璃瓶；(2)铜丝；(3)瓶塞；(4)呼吸机接口；(5)压力温度传感器；(6)温度变送器；(7)数据采集卡；(8)PC机；(9)(10)、(11)、(12)导线在检测过程中将呼吸机接入模拟肺，开机检测，气压传感器感受压力的变化并将数据传入下位机，在这里将模拟信号转化为数字信号再传入电脑中，用LabVIEW软件进行波形显示和处理分析，得出结论。

2.1 玻意耳定律概述

玻意耳定律：在定量定温下，理想气体的体积与气体的压力成反比[11]。数学表达式即：

(1)

模拟肺模型的主体是一个刚性的玻璃瓶结构，瓶子体积为VB，往瓶内打入压力为PB、体积为VA的气体后模型所模拟的呼吸前后的状态变化，见图2。

图2 模拟肺内气压变化

根据玻意耳定律有：

(2)

(3)

(4)

(5)

又因为PB为一个大气压，所以式(5)可写为：

(6)

在恒温的理想状态下，模型的顺应性大小主要决定于刚性玻璃瓶的容积的大小，从而可以通过选择不同容积大小的模型来模拟不同程度大小顺应性特征。而在正常环境中，很难做到瓶内的恒温状态，因此，在瓶内添加铜网作为保持恒温的吸热材料。

2.2 玻璃瓶

模拟肺的结构主体是刚性玻璃瓶，因为它不但具有高强度，高硬度，不透气的优点外，化学结构稳定，不易与其他物质发生反应，能较好的实现模拟肺的功能。

在理想情况下，不考虑温度因素对模拟肺顺应特性的影响。由式(6)可得出模拟肺顺应性为C=VB/1013.25 mbar。故根据人体不同年龄段的呼吸系统的特征可以得出：

当玻璃瓶容积VB=1 L时，C=0.987 ml/mbar，可以用来模拟小儿呼吸系统的顺应性特性，此时刚性玻璃瓶的规格就为1 L；

当VB=20 L时，C=19.74 ml/mbar，可以用来模拟儿童呼吸系统的顺应性特性，此时刚性玻璃瓶的规格就为20 L；

当VB=50 L时，C=49.35 ml/mbar，可以用来模拟肺成年人正常情况下的呼吸系统的顺应性特性，此时刚性玻璃瓶的规格就为50 L。

2.3 铜网

上述公式的推导过程均在瓶内处于恒温状态的前提下进行的，而现实生活中改变瓶内气体压力同时会改变瓶内温度，而温度会影响最终实验结果，因此，需要对其进行温度补偿。

实验中，往玻璃瓶中加入铜网(copper wool)进行温度补偿，因为铜具有比热容大、导热性能好、线性膨胀系数小等优点。同时，采用铜网可以在有限的空间内增大吸热面积，更好地起到温度补偿的作用。

2.4 气压传感器

本系统中采用BMP085气压传感器将玻璃瓶中压力变化转变成数字信号传输给上位机。BMP085气压传感器采用GY-65气压模块，它是一款高精度、超低能耗的压力传感器。其绝对精度最低可以达到0.03 hPa(1 kPa=10 hPa)，并且耗电极低，只有3 μA。其压力范围为300～1 100 hPa，反应时间为7.5 ms，待机电流为0.1 μA，无需外部时钟电路，芯片内置AD转换器。

3 LabVIEW

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，LABVIEW)是一种图形化编程语言的开发环境，已经广泛地被学术界、研究实验室和工业界所接受，被视作一个标准的数据采集和仪器控制软件。它是一个灵活且功能强大的软件，基于它可以方便地设计开发出自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程简单及使用直观方便。因此，采用这种操作系统和开发工具，可以很好的满足系统设计的要求，并且便于进一步研究、开发和应用等。

LabVIEW的主要特点有：(1)基于G语言的软件开发，利用图形化编程代替各种传统的文本语言编程，不需要写各种文本程序代码，取而代之的是一些程序流程图式的G语言图形编程；(2)它具有各种应用于数据采集和仪器控制等设计所使用的各种功能库和开发工具库；(3)可以方便地实现和各种软硬件的连接。

模拟肺实验研究平台的软件部分采用LabVIEW软件设计界面和控制程序，主要是通过传感器和下位机获取模拟肺系统的数据并初步处理分析，得到结果，存储数据并图像化和数字显示数据，对于存储的数据可供做进一步的分析处理和对比分析使用。

3.1 串口配置

VISA串口配置函数使VISA资源名称指定的串口按特定的设置初始化。本研究所指定的设置有波特率9 600 bps、数据位8位、奇偶校验无和停止位1位。

3.2 串口读函数

VISA读取函数VISA Read中间的输入端子是每次从串口读取的数据字节数，本研究设置的字节数是1，它会以字符串的形式从该函数的输出端子输出，字符串只包含一个8位字节。

从VISA Read函数输出的字符串通过“字符串至字节数组转换”函数 ，把字符串转换为无符号字节数据，再通过“索引数组”函数将无符号字节数据连成数组，并将数组用波形图表显示出来。

4 实验结果

以小儿模式为例，体重设置为5 Kg。通气模式选择简歇正压通气(intermittent positive pressure ventilation, IPPV)：呼吸频率为20次/min，吸气时间为1 s。图3(a)为LabVIEW与单片机之间的通讯格式设置，图3(b)为呼吸机供气波形图，图3(c)为LabVIEW应用程序采集到的波形图。从该图可以看出，本实验所设计的系统方案可行，能正确采集到气体压强的变化。

5 结论

我们所研究的是基于玻意耳(Boyle)定律的模拟肺，它可以用于呼吸机机械通气性能测试，也可以用于仪器定标。其主要特征为：

(1)利用一个容积大小固定的刚性玻璃瓶来模拟不同特征的人体肺机构，所设计的固定容积的模拟肺主要是为了得到一个固定的顺应性特征。

(2)模型中设计了一个专门的气道阻抗调节装置以模拟人体呼吸系统的气道阻抗，它连接在模拟肺进出气口处，主要是通过调节通气孔径的大小来调节模拟肺的气道阻抗。

(3)模型中使用了高精度气压传感器，从而可以用来监测模型中的相关压力参数，其中通过分析和计算从而可以得到模拟肺中的各种压力参数，如：峰值压力、气道平均压力、PEEP等参数。

(4)模拟肺的软件部分对压力传感器采集的数据进行了处理和分析，可以得到更多的模拟肺的参数特征，从而更好的用于呼吸性能测试中。