一種新型的基于LabVIEW設(shè)計(jì)的脈壓模擬器

高血壓是世界上最常見(jiàn)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(lèi)的健康。因此經(jīng)常測(cè)量血壓，對(duì)早期預(yù)防和及時(shí)治療具有極其重要的意義。由于電子血壓計(jì)具有無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)、攜帶方便、數(shù)字化、快速測(cè)量和準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已進(jìn)入千家萬(wàn)戶。血壓計(jì)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(chēng)為動(dòng)壓)，通過(guò)硬件與標(biāo)準(zhǔn)的人體舒張壓、收縮壓(這兩者稱(chēng)為靜壓)進(jìn)行疊加，輸出正常人體血壓波形，從而達(dá)到標(biāo)定血壓計(jì)的目的。
　　脈壓模擬器是一個(gè)仿真系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，涉及到A/D數(shù)據(jù)采集、波形的實(shí)時(shí)顯示和處理以及D/A模擬輸出等技術(shù)。美國(guó)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(yǔ)言是一種非常優(yōu)秀的圖形化編程語(yǔ)言，它不但能夠完成一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和輸入輸出功能，而且還帶有專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的庫(kù)函數(shù)和開(kāi)發(fā)工具，特別是其專(zhuān)業(yè)的數(shù)學(xué)分析程序包，可以滿足復(fù)雜的工程計(jì)算和分析要求。
　　采用虛擬儀器技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)試儀器，開(kāi)發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)，測(cè)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?xún)r(jià)比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新、功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。
1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
　　本系統(tǒng)的目的在于模擬一個(gè)真正的血壓波形。所謂血壓是指血液在血管內(nèi)流動(dòng)，對(duì)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(shí)，血液對(duì)血管壁的側(cè)壓力；舒張壓是指心臟在舒張時(shí)，血管壁上的側(cè)壓力。而收縮壓和舒張壓的差值一般稱(chēng)為脈壓，只有心臟松弛時(shí)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(dòng)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(gè)脈壓波形，即動(dòng)壓波形。圖1為壓力波形圖。

　　基于心臟壓力波形的特點(diǎn)，可以通過(guò)疊加實(shí)現(xiàn)血壓波形的模擬。用一個(gè)氣室充氣模擬心臟收縮過(guò)程的壓力曲線圖，而用均勻放氣的曲線模擬心臟松弛時(shí)的壓力曲線圖。充氣放氣過(guò)程勻速進(jìn)行，正好符合心臟收縮舒張頻率穩(wěn)定的特點(diǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了心臟的靜壓波形，這也是血壓計(jì)測(cè)量的基本原理。均勻放氣過(guò)程中，在每次心跳到來(lái)之時(shí)，用LabView軟件產(chǎn)生一個(gè)脈壓波形，通過(guò)D/A輸出給一直進(jìn)行放氣和充氣的氣室；軟件產(chǎn)生時(shí)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(shí)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(shí)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(jī)構(gòu)、壓力傳感器、A/D輸入、計(jì)算機(jī)和D/A輸出，如圖4所示。從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力傳感器輸出的壓力信號(hào)通過(guò)調(diào)諧電路放大，再通過(guò)A/D采樣，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，給出動(dòng)壓信號(hào)。動(dòng)壓波形信號(hào)經(jīng)D/A輸出并經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人體脈壓和血壓的模擬。此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的便是與人體標(biāo)準(zhǔn)血壓基本相同的信號(hào)。

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)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(shí)借助NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集和圖形顯示功能。開(kāi)發(fā)的控制軟件很好地實(shí)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(shí)產(chǎn)生的加壓和減壓的數(shù)字信號(hào)即為靜壓波形，在LabVIEW圖形控件上顯示出來(lái)，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的靜壓波形，選擇其所對(duì)應(yīng)的動(dòng)壓波形進(jìn)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(jī)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(gè)文本資源文件或數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)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(guò)波形編輯子模塊實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)編輯各種靜壓范圍對(duì)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(gè)單獨(dú)的程序，可在運(yùn)行脈壓模擬仿真主程序之前進(jìn)行脈壓庫(kù)的調(diào)試。把主模塊和子模塊分開(kāi)寫(xiě)成二個(gè)獨(dú)立的程序，減少了占用空間，一旦脈壓波形庫(kù)編輯完成，就無(wú)需再調(diào)用波形編輯子程序。
3  試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的脈壓模擬器經(jīng)硬件疊加后輸出一個(gè)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(shí)血壓波形相吻合。此結(jié)果說(shuō)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(guò)與硬件的疊加，完成整個(gè)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(lái)準(zhǔn)確地標(biāo)定血壓計(jì)。在此基礎(chǔ)上作者設(shè)計(jì)了血壓模擬計(jì)（NIBPM）并已經(jīng)應(yīng)用于血壓計(jì)的研發(fā)和產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)當(dāng)中，運(yùn)行效果良好。