采用虛擬儀器技術實現脈壓模擬器的設計

作者：楊秀艷，張學典，李寧，徐可欣

提出了一種新型的基于LabView設計的脈壓模擬器，介紹了其設計思想、系統的軟硬件構成及應用。

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、腎等臟器的并發癥，嚴重危害著人類的健康。因此經常測量血壓，對早期預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傷檢測、攜帶方便、數字化、快速測量和準確性等優點，現已進入千家萬戶。血壓計在投入使用之前的標定工作十分重要。本文提出了一種新型的脈壓模擬器，由軟件產生脈壓波形（稱為動壓），通過硬件與標準的人體舒張壓、收縮壓（這兩者稱為靜壓）進行疊加，輸出正常人體血壓波形，從而達到標定血壓計的目的。

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

采用虛擬儀器技術來設計測試儀器，開發效率高，可維護性強，測試精度、穩定性和可靠性能夠得到充分保證，具有很高的性價比，節省投資，便于設備更新、功能轉換與擴充。

1 系統設計思想

本系統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流動，對血管壁產生的側壓力。血壓包含收縮壓和舒張壓。收縮壓是指心臟在收縮時，血液對血管壁的側壓力；舒張壓是指心臟在舒張時，血管壁上的側壓力。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定的特點。這樣就實現了心臟的靜壓波形，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 系統硬件和軟件實現

2.1 系統硬件構成

系統硬件構架包括執行機構、壓力傳感器、A/D輸入、計算機和D/A輸出，如圖4所示。從執行機構的壓力傳感器輸出的壓力信號通過調諧電路放大，再通過A/D采樣，由計算機進行數據處理計算，給出動壓信號。動壓波形信號經D/A輸出并經放大后驅動執行機構，實現人體脈壓和血壓的模擬。此時執行機構產生的便是與人體標準血壓基本相同的信號。

2.2 系統軟件實現

本文采用NI公司生產的NI6035E 16位數據采集卡，從壓力傳感器中采集數據，同時借助NI公司的LabView開發平臺的強大數據采集和圖形顯示功能。開發的控制軟件很好地實現了波形的軟件疊加。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生的加壓和減壓的數字信號即為靜壓波形，在LabView圖形控件上顯示出來，同時根據實時采集的靜壓波形，選擇其所對應的動壓波形進行輸出，作為最后的模擬脈壓波形。經D/A輸出給執行機構，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據庫存儲標準脈壓波形數據。該標準脈壓波形數據可根據需要通過波形編輯子模塊實現，即通過編輯各種靜壓范圍對應的標準人體脈壓波形，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，就無需再調用波形編輯子程序。

3 試驗結果與討論

基于LabView軟件設計的脈壓模擬器經硬件疊加后輸出一個模擬血壓波形，如圖6所示。從模擬波形結果可看出，除了數據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。此結果說明了本系統的可行性與準確性。

4 應用與展望

脈壓模擬器基于LabVIEW虛擬儀器仿真，由軟件產生脈壓波形，通過與硬件的疊加，完成整個血壓波形的模擬。該系統原理明確，結構緊湊，操作方便，可用來準確地標定血壓計。在此基礎上作者設計了血壓模擬計（NIBPM）并已經應用于血壓計的研發和產品的出廠檢驗當中，運行效果良好。

責任編輯：gt