采用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)脈壓模擬器的設(shè)計

作者：楊秀艷，張學(xué)典，李寧，徐可欣

提出了一種新型的基于LabView設(shè)計的脈壓模擬器，介紹了其設(shè)計思想、系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成及應(yīng)用。

高血壓是世界上最常見的心血管疾病，也是最大的流行病之一。此病常引起心、腦、腎等臟器的并發(fā)癥，嚴(yán)重危害著人類的健康。因此經(jīng)常測量血壓，對早期預(yù)防和及時治療具有極其重要的意義。由于電子血壓計具有無創(chuàng)傷檢測、攜帶方便、數(shù)字化、快速測量和準(zhǔn)確性等優(yōu)點，現(xiàn)已進入千家萬戶。血壓計在投入使用之前的標(biāo)定工作十分重要。本文提出了一種新型的脈壓模擬器，由軟件產(chǎn)生脈壓波形（稱為動壓），通過硬件與標(biāo)準(zhǔn)的人體舒張壓、收縮壓（這兩者稱為靜壓）進行疊加，輸出正常人體血壓波形，從而達(dá)到標(biāo)定血壓計的目的。

脈壓模擬器是一個仿真系統(tǒng)，同時也是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，涉及到A/D數(shù)據(jù)采集、波形的實時顯示和處理以及D/A模擬輸出等技術(shù)。美國NI公司的LabView虛擬儀器技術(shù)正好符合了本系統(tǒng)的所有要求。LabView語言是一種非常優(yōu)秀的圖形化編程語言，它不但能夠完成一般的數(shù)學(xué)運算、邏輯運算和輸入輸出功能，而且還帶有專門用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的庫函數(shù)和開發(fā)工具，特別是其專業(yè)的數(shù)學(xué)分析程序包，可以滿足復(fù)雜的工程計算和分析要求。

采用虛擬儀器技術(shù)來設(shè)計測試儀器，開發(fā)效率高，可維護性強，測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分保證，具有很高的性價比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新、功能轉(zhuǎn)換與擴充。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想

本系統(tǒng)的目的在于模擬一個真正的血壓波形。所謂血壓是指血液在血管內(nèi)流動，對血管壁產(chǎn)生的側(cè)壓力。血壓包含收縮壓和舒張壓。收縮壓是指心臟在收縮時，血液對血管壁的側(cè)壓力；舒張壓是指心臟在舒張時，血管壁上的側(cè)壓力。而收縮壓和舒張壓的差值一般稱為脈壓，只有心臟松弛時才出現(xiàn)脈壓，且其頻率與心率相同。血壓波形可人為分解為靜壓波形和動形波形。心臟收縮期和舒張期的壓力波形基本上為一條線性折線，即靜壓波形；每次心跳產(chǎn)生一個脈壓波形，即動壓波形。圖1為壓力波形圖。

基于心臟壓力波形的特點，可以通過疊加實現(xiàn)血壓波形的模擬。用一個氣室充氣模擬心臟收縮過程的壓力曲線圖，而用均勻放氣的曲線模擬心臟松弛時的壓力曲線圖。充氣放氣過程勻速進行，正好符合心臟收縮舒張頻率穩(wěn)定的特點。這樣就實現(xiàn)了心臟的靜壓波形，這也是血壓計測量的基本原理。均勻放氣過程中，在每次心跳到來之時，用LabView軟件產(chǎn)生一個脈壓波形，通過D/A輸出給一直進行放氣和充氣的氣室；軟件產(chǎn)生時其頻率與心率相同，正好疊加在靜壓波形上，成為完整血壓波形，從而實現(xiàn)了二種波形的硬件疊加。圖2和圖3相疊加，就成為圖1的心臟壓力波形。

2 系統(tǒng)硬件和軟件實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)架包括執(zhí)行機構(gòu)、壓力傳感器、A/D輸入、計算機和D/A輸出，如圖4所示。從執(zhí)行機構(gòu)的壓力傳感器輸出的壓力信號通過調(diào)諧電路放大，再通過A/D采樣，由計算機進行數(shù)據(jù)處理計算，給出動壓信號。動壓波形信號經(jīng)D/A輸出并經(jīng)放大后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)人體脈壓和血壓的模擬。此時執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生的便是與人體標(biāo)準(zhǔn)血壓基本相同的信號。

2.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本文采用NI公司生產(chǎn)的NI6035E 16位數(shù)據(jù)采集卡，從壓力傳感器中采集數(shù)據(jù)，同時借助NI公司的LabView開發(fā)平臺的強大數(shù)據(jù)采集和圖形顯示功能。開發(fā)的控制軟件很好地實現(xiàn)了波形的軟件疊加。圖5為脈壓模擬器軟件功能模塊圖。A/D讀入的氣室充氣和放氣時產(chǎn)生的加壓和減壓的數(shù)字信號即為靜壓波形，在LabView圖形控件上顯示出來，同時根據(jù)實時采集的靜壓波形，選擇其所對應(yīng)的動壓波形進行輸出，作為最后的模擬脈壓波形。經(jīng)D/A輸出給執(zhí)行機構(gòu)，疊加到靜壓波形上，形成所需要的人體血壓波形。

建立一個文本資源文件或數(shù)據(jù)庫存儲標(biāo)準(zhǔn)脈壓波形數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)脈壓波形數(shù)據(jù)可根據(jù)需要通過波形編輯子模塊實現(xiàn)，即通過編輯各種靜壓范圍對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)人體脈壓波形，存入該資源文件。波形編輯子模塊為一個單獨的程序，可在運行脈壓模擬仿真主程序之前進行脈壓庫的調(diào)試。把主模塊和子模塊分開寫成二個獨立的程序，減少了占用空間，一旦脈壓波形庫編輯完成，就無需再調(diào)用波形編輯子程序。

3 試驗結(jié)果與討論

基于LabView軟件設(shè)計的脈壓模擬器經(jīng)硬件疊加后輸出一個模擬血壓波形，如圖6所示。從模擬波形結(jié)果可看出，除了數(shù)據(jù)的線性插值使得波形不夠平滑外，基本能與人體真實血壓波形相吻合。此結(jié)果說明了本系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性。

4 應(yīng)用與展望

脈壓模擬器基于LabVIEW虛擬儀器仿真，由軟件產(chǎn)生脈壓波形，通過與硬件的疊加，完成整個血壓波形的模擬。該系統(tǒng)原理明確，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可用來準(zhǔn)確地標(biāo)定血壓計。在此基礎(chǔ)上作者設(shè)計了血壓模擬計（NIBPM）并已經(jīng)應(yīng)用于血壓計的研發(fā)和產(chǎn)品的出廠檢驗當(dāng)中，運行效果良好。

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