【正文】 術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，探討虛擬儀器的構(gòu)成形式及其特點(diǎn)，并對(duì)虛擬儀器的幾種軟件開發(fā)平臺(tái)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并通過(guò)對(duì)比選取本課題所選用的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)；對(duì)呼吸信號(hào)監(jiān)測(cè)的測(cè)量方法 進(jìn)行研究，主要包括應(yīng)變式傳感器測(cè)量、溫度傳呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 感器測(cè)量、流量傳感器測(cè)量、阻抗法測(cè)量等；對(duì)選取的測(cè)量方法的硬件構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；對(duì)數(shù)據(jù)采集卡與 LabVIEW的連接與使用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)儀軟件系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。 學(xué)習(xí)虛擬儀器以及 LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)呼吸信號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)，并對(duì)軟件的具體模塊編程并 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。 對(duì)設(shè)計(jì)的軟，硬件部分進(jìn)行調(diào)試和控制，完成預(yù)期目標(biāo)效果。 最終提交材料：英文翻譯原文及譯文、畢業(yè)設(shè)計(jì)日志、任務(wù)書及進(jìn)度表、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、完成的設(shè)計(jì)軟件等。 第 1— 3 周工作內(nèi)容：查找、搜集、分析、整理文獻(xiàn)資料 具體要求：查找 15 篇以上的文獻(xiàn)，包括 5 篇外文文獻(xiàn)，并撰寫開題報(bào)告。 第 5 周工作內(nèi)容：總體設(shè)計(jì)方案的擬定與論證 具體要求：確定總體方案。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 第 14 周工作內(nèi)容：撰寫論文 具體要求：論文、說(shuō)明書。 第 16 周工作內(nèi)容：答辯 具體要求：提交相關(guān)資料，進(jìn)行答辯。呼吸信號(hào)的檢測(cè)具有很高的臨床實(shí)用價(jià)值，其中采用傳感器進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)成為成熟的手段。 本文詳細(xì)闡述了呼吸信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件系統(tǒng)編程。 系統(tǒng)軟件采用 LabVIEW 圖形編程。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警和數(shù)據(jù)保存模塊組成，而且系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作方便。這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)護(hù)人體生理指標(biāo)的便 攜式監(jiān)護(hù)設(shè)備就成為未來(lái)家庭健康保健的首選，也是臨床診斷和治療所必不可少的。呼吸監(jiān)護(hù)同樣面臨這樣的困難，它已經(jīng)不僅僅局限于對(duì)呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動(dòng)脈血?dú)庖约捌胀ㄐ仄瘸Ｒ?guī)項(xiàng)目的檢查，能確切反映患者通氣 E 氧合狀況并能指導(dǎo)機(jī)械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨床用藥的指標(biāo)更加受到重視。 研究意義 人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的總過(guò)程，稱為呼吸（ respiration）。所以，呼吸是人體重要的生理過(guò)程，對(duì)人體呼吸的監(jiān)護(hù)檢測(cè)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)以及醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中，呼吸檢測(cè)都是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。 總之，呼吸能夠反映人體的重要新陳代謝知識(shí)，而且呼吸所引起的變化我們是易于用傳感器來(lái)檢測(cè)的，所以，呼吸的測(cè)量既具有實(shí)用價(jià)值，又有重大的醫(yī)學(xué)意義。人呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 2 的呼吸過(guò)程包括三個(gè)互相聯(lián)系 的環(huán)節(jié)：外呼吸，包括肺通氣和肺換氣；氣體在血液中的運(yùn)輸；內(nèi)呼吸，指組織細(xì)胞與血液間的氣體交換。所以，人體的呼吸系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)能量供給來(lái)源以及體內(nèi)空氣凈化器。當(dāng)人用力吸氣，一直到不能再吸的時(shí)候?yàn)橹?；然后再用力呼氣，一直呼到不能再呼的時(shí)候?yàn)橹?，這時(shí)呼出的氣體量稱為肺活量。呼吸頻率是呼吸作用一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，其中蘊(yùn)含著豐富的內(nèi)在的生理信息，并且測(cè)量呼吸頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單些。不過(guò)并不是說(shuō)所有的個(gè)體的呼吸作用都是不相同的，也有一些不同個(gè)體其呼吸作用大致相同的。 呼吸作用除了受主觀因素影響外，還要受客觀因素影響，一般工作量越大，呼吸作用就 會(huì)越快。呼吸系統(tǒng)的速度和深度會(huì)隨著情緒的變化而變化。深沉而緩慢的呼吸表明一種輕松的狀態(tài)；深沉而快的呼吸表明是激動(dòng)的狀態(tài)；膚淺而慢的呼吸表明是平靜或是消極的狀態(tài)；膚淺而急促的呼吸表明緊張情 緒。該傳感器利用壓電效應(yīng)制成。該方法要求傳感器緊貼在小兒肚臍上，小兒呼吸時(shí)傳感器產(chǎn)生壓力變化，從而測(cè)得小兒的呼吸頻率。 阻抗法檢測(cè) 阻抗法是利用人體某部分阻抗的變化來(lái)進(jìn)行生理參數(shù)的測(cè)量， 以幫助進(jìn)行診斷和監(jiān)護(hù)。阻抗法檢測(cè)呼吸信號(hào)是目前呼吸設(shè)備中應(yīng)用最為平常的一種方法 [11]。對(duì)此， 國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都在尋找呼吸阻抗的抗干擾方法， 并取得一定效果 [ 8]。 圖 12 人體阻抗模型 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 4 圖 13 基于諧振的耦合呼吸檢測(cè)電路 呼吸氣流檢測(cè) 在目前使用的中高檔呼吸機(jī)中， 作為容量和流量檢測(cè)部件的流量傳感器已經(jīng)廣泛使用。用于測(cè)量流量的傳感器很多，目前主要有測(cè)壓式、熱絲式和超聲式三種， 基本都是專門設(shè)計(jì)用于醫(yī)用儀 器的探測(cè)部件， 在臨床呼吸機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)有近 20 年歷史 [10]。但是這類傳感器在很低流量的范圍內(nèi)檢測(cè)曲線呈非線性，需要根據(jù)檢測(cè)范圍配置軟件校正來(lái)提高使用范圍。這種流量傳感器制造工藝相對(duì)復(fù)雜一些、成本高。有研究者通過(guò)記錄呼吸時(shí)鼻腔聲音的變化來(lái)監(jiān)護(hù)嬰兒的睡眠呼吸暫停綜合征。由于呼吸聲音比較小，通過(guò)該方法檢測(cè)呼吸容易受其他不相關(guān)聲音的干擾，如夢(mèng)囈、吞咽、咳嗽及鼾聲等，因此需要從強(qiáng)背景下提取弱信號(hào)。由于呼吸運(yùn)動(dòng)能夠引起心電圖中的心率和 QRs 波群發(fā)生周期性波動(dòng)，可通過(guò)分析心電信息和心電向量圖來(lái)獲得呼吸信息，而呼吸頻率是從對(duì)呼吸信號(hào)的功率譜分析中估算出來(lái)的。 第 2 代上世紀(jì) 60 年代后，電子技術(shù)開始滲入呼吸機(jī)，使其有了較好的同步功能、通氣 方式及報(bào)警功能，如紐邦 E100 型呼吸機(jī)等。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)呼吸機(jī)的研制起步較晚， 1958 年在上海制成鐘罩式正負(fù)壓呼吸機(jī)。直到 20 世紀(jì) 90 年代 中末期開始，國(guó)產(chǎn)呼吸機(jī)的開發(fā)力度才有所加大，質(zhì)量得到了普遍提高。目前大部分關(guān)鍵元部件還是以 “ 拿來(lái)主義 ” 的方式為主。 國(guó)內(nèi)的呼吸機(jī)主要有北京航天長(zhǎng)峰股份有限公司的 ACM803 呼吸機(jī)、浙江紹興三五儀表廠的 KTH型系列呼吸機(jī)、揚(yáng)州市寧泰醫(yī)療設(shè)備廠的 HVJ 型系列呼吸機(jī)、江蘇凱泰醫(yī)療設(shè)備有限公司的 HVJ880C 呼吸機(jī)、由南昌飛機(jī)制造公司飛機(jī)設(shè)計(jì)研究 所研制的 XHCIA 型程控雙向噴射呼吸機(jī)和 XHYIA 型仙鶴牌應(yīng)急噴射呼吸機(jī)、江西特力麻醉呼吸設(shè)備有限公司的 TPR4000 電腦多功能呼吸機(jī)、上海醫(yī)療器械廠的 SC 型系列呼吸機(jī)，以及山東淄博科創(chuàng)電子有限公司的 KCH606 型系列呼吸機(jī) [4]。 技術(shù)參數(shù)： （ 1）間歇正壓通氣頻率： 6～ 60 次 /分 （ 2）呼吸比值： 1： 1～ 1： 3 （ 3）潮氣量： 100～ 1500ml/次 （ 4）輸出氣體氧濃度： 40%～ 76%可調(diào) （ 5）吸氣時(shí)間顯示： ～ 2s （ 6） IPPV吸氣流量： ～ 深圳 邁瑞公司 SynoVent E3 呼吸機(jī) SynoVent E5 呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 7 圖 15 SynoVent E3 呼吸機(jī) 圖 16 SynoVent E5 呼吸機(jī) 氣道阻力、順應(yīng)性及呼吸功等參數(shù)的測(cè)定，充分監(jiān)測(cè)病人呼吸力學(xué)的變化，為治療方案的制定、治療效果的評(píng)定提供了更完善的依據(jù)?？膳鋫浜魵饽?CO2模塊，連續(xù)、動(dòng)態(tài)地顯示 EtCO2的數(shù)值及波形，實(shí)時(shí)觀察患者呼吸功能狀況和動(dòng)態(tài)變化。 PF300 具備雙向流量、壓力、溫度、濕度和氧氣濃度測(cè)量能力。主機(jī)內(nèi)置溫度傳感器、濕度傳感器，自動(dòng)測(cè)量氣體溫度、濕度，并實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的自動(dòng)補(bǔ)償，確保證流量測(cè)量的高精度，尤其是小流量、小壓力的穩(wěn)定測(cè)量，是 PF300 的突出優(yōu)勢(shì)?？焖兕A(yù)熱設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確完成呼吸機(jī)/麻醉呼吸機(jī)雙向壓力、流量、容積、呼吸頻率、濕度、溫度、氧濃度等參數(shù)的測(cè)量。 測(cè)試軟件 Webserver 提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測(cè)、圖表式精細(xì)化分析以及趨勢(shì)記錄功能。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外呼吸機(jī)專業(yè)廠商主要有美國(guó) Puritan Bent 公司、 Bear Medical systems 公司、 3M Bird 公司、 Respironics 公司和 Newport 公司、西德 Siemens 公司、法國(guó) Taema公司、德國(guó)的 Drager 公司等。所以，從研發(fā)至今 10 多年仍在國(guó)內(nèi)大、中型醫(yī)院中被廣泛應(yīng)用。進(jìn)氣子系統(tǒng)、活塞 /汽缸子系統(tǒng)、吸氣管路子系統(tǒng)和患者管路子系統(tǒng)的作用是為患者提供空氣和氧氣的吸入和呼出通道，提供壓力過(guò)高氣體排放通道，對(duì)吸入通道和呼出通道進(jìn)行切換，并且對(duì)患者吸氧濃度及潮氣量進(jìn)行控制和檢測(cè)； PEEP 子系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氣箱和 PEEP 泵構(gòu)成，主要作用是產(chǎn)生用戶設(shè)定的 PEEP；呼氣子系統(tǒng)包括呼氣單向閥組件、呼氣加熱器組件、呼氣溫度傳感器組件、呼氣閥組件、呼氣流量傳感器組件等，其作用是提供呼出通道，并且監(jiān)測(cè)呼出潮氣量和呼出氣體溫度 [6]。 缺點(diǎn)：氧濃度監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確。氧濃度越往上調(diào)，偏差越大。主 要由氣動(dòng)單元、電子單元兩大部分組成。 主要元件的工作原理：流量傳感器上有兩通道，大的通道為主通道，小的通道為測(cè)量孔。根據(jù)晶體兩端的電阻變化，可得到相應(yīng)的壓力信號(hào)，由壓力信號(hào)再換算成流量信號(hào)。這是為了防止病人呼出氣體中的水汽在呼氣流量傳感器上凝結(jié)，影響測(cè)量的準(zhǔn) 確度，因而呼出流量傳感器在使用過(guò)程中，加熱電阻被通電加熱。 美國(guó)紐邦 150 型呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 11 圖 111 150 型呼吸機(jī) 其結(jié)構(gòu)緊湊、可移動(dòng)、操作簡(jiǎn)單、功能多、應(yīng)用范圍廣、易于維護(hù)等特點(diǎn)，深受臨床醫(yī)務(wù)人員的喜歡，在臨床上有著大量的使用。研究呼吸系統(tǒng)的力學(xué)問(wèn)題，是希望能有助于對(duì)呼吸生理和病理的了解，因此研究的重點(diǎn) 就在于呼吸力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。 國(guó)外采用呼吸力學(xué)測(cè)量技術(shù)的公司主要有 DatexOhmeda、 GE、 Hamilton、Philips 等，而能以 OEM 方式提供呼吸力學(xué)模塊的生產(chǎn)公司主要有 CPT、NOVAMETRIX 等。 雖然國(guó)內(nèi)呼吸機(jī)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是目前還存在一些不足之處，具體有以下幾點(diǎn)： （ 1）都是在消化吸收國(guó)外先進(jìn)呼吸機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一系列高、中、低檔呼吸機(jī)，然而高檔呼吸機(jī)很少； （ 2）基本功能齊全，操作簡(jiǎn)單明了 [9]。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)呼吸壓力和頻率信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)初級(jí)和次級(jí)放大電路放大后由單片機(jī)內(nèi)部 A/D 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再通過(guò)串口通信方式經(jīng)由 RS485 模塊將數(shù)據(jù)輸入到 PC 機(jī)中進(jìn)行 進(jìn)一步的處理。 Protel 99 SE 簡(jiǎn)介 Protel 99 SE 主要由兩大部分組成。電路圖部分是比較常用的一部分，主要包括電路原理圖的繪制、電路板設(shè)計(jì)和 PCB 的自動(dòng)布線器這三大模塊。在電路仿真和 PLD 設(shè)計(jì)模塊中主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)電路的仿真模擬，也可用于可編程器件的設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行高級(jí)信號(hào)完整性分析。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 14 軟件部分 軟件模塊 圖 22 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)中軟件部分主要實(shí)現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)傳輸、波形顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)保存等功能。首先用戶調(diào)好模擬單片機(jī)串口的端口，點(diǎn)擊測(cè)量，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，顯示波形。除此以外我們還添加了報(bào)警功能，如果數(shù)值正常 LED 燈顯示綠色，如果異常顯示紅色報(bào)警。 本系統(tǒng)的軟件編寫部分使用的時(shí) LabVIEW2020，下面是 LabVIEW2020 的簡(jiǎn)單介紹。利用 LabVIEW 可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上形象的模擬儀器的面板（如顯示器、開關(guān)、按鍵、旋鈕等）以及相應(yīng)功能。這不僅使操作者感到輕松自如， 而且可減少用戶誤操作的可能性。（ 2）能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)并行，即用戶可以在任何時(shí)刻設(shè)定參數(shù)，而不干擾數(shù)據(jù)顯示。除了使用 LabVIEW 開發(fā)軟件提高系統(tǒng)可用性以外，我們還在結(jié)構(gòu)方面，盡量采用子函數(shù)以實(shí)現(xiàn)各種功能減少同樣功能的重復(fù)編寫，減少代碼。 壓力檢測(cè)部分呼吸傳感器的選擇原則： （ 1）檢測(cè)精度較高。 （ 2）檢測(cè)靈敏度較好。 （ 3）外圍檢測(cè)電路要求簡(jiǎn)單。 根據(jù)以上提出了三點(diǎn)選擇原則。 圖 31 DC010NDC4 呼吸壓力傳感器實(shí)物圖 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 17 （ 1） DC 系列壓力傳感器特性： （ 2）超低壓力檢測(cè)達(dá)到 25mBar； （ 3）內(nèi)嵌有 AsIC 技術(shù)； （ 4）有表壓力和差壓量程可選，有比例輸出和固定輸出可選； （ 5）補(bǔ)償溫度為 0~50 度； （ 6）線性和磁滯的組合誤差 士 %滿量程 圖 32 呼吸信號(hào)檢測(cè)模塊電路圖 表壓： 5+/（供電電壓），差壓： 5+/（供電電壓） 頻 率 檢 測(cè) 部 分 我 們 選 用 深 圳 訊 敏 電 子 科 技 有 限 公 司 0402 系列CN0402R221B2900HT，該電阻的尺寸外形如圖 33 所示 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 18 圖 33 熱敏電阻規(guī)格 該電阻 25℃ 時(shí)的阻值 R25=220 歐姆， B（ 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)）值在 25℃ 50℃ 時(shí)的值為 2900，其阻值誤差為 ?3%， B 值誤差為 ?3%，使用溫度范圍為 40～ +125℃ ，額定功率為 100mw。 ② 端電極采用三層電鍍具有優(yōu)良的可焊性及耐熱沖擊性 ,適合波峰焊及再流焊。響應(yīng)速度快。 C⑤ 優(yōu)良的溫度系數(shù) ,工作溫度范圍：－ 40℃ ～＋ 125℃ 。在此基礎(chǔ)上，如果 R1 在應(yīng)變作用下變?yōu)镽1+ΔR1，則電橋的輸出為 EURRRRR RRRRRU ))(( )( 43211 423110 ???? ???? EURRR RR ))(( 43211 31 ???? ??? EURRRRRRRR?????? ??????? ????34121111141/