采用虚拟仪器技术实现脉压模拟器的设计

作者：杨秀艳，张学典，李宁，徐可欣

提出了一种新型的基于LabView设计的脉压模拟器，介绍了其设计思想、系统的软硬件构成及应用。

高血压是世界上最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一。此病常引起心、脑、肾等脏器的并发症，严重危害着人类的健康。因此经常测量血压，对早期预防和及时治疗具有极其重要的意义。由于电子血压计具有无创伤检测、携带方便、数字化、快速测量和准确性等优点，现已进入千家万户。血压计在投入使用之前的标定工作十分重要。本文提出了一种新型的脉压模拟器，由软件产生脉压波形（称为动压），通过硬件与标准的人体舒张压、收缩压（这两者称为静压）进行叠加，输出正常人体血压波形，从而达到标定血压计的目的。

脉压模拟器是一个仿真系统，同时也是一个闭环控制系统，涉及到A/D数据采集、波形的实时显示和处理以及D/A模拟输出等技术。美国NI公司的LabView虚拟仪器技术正好符合了本系统的所有要求。LabView语言是一种非常优秀的图形化编程语言，它不但能够完成一般的数学运算、逻辑运算和输入输出功能，而且还带有专门用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具，特别是其专业的数学分析程序包，可以满足复杂的工程计算和分析要求。

采用虚拟仪器技术来设计测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证，具有很高的性价比，节省投资，便于设备更新、功能转换与扩充。

1 系统设计思想

本系统的目的在于模拟一个真正的血压波形。所谓血压是指血液在血管内流动，对血管壁产生的侧压力。血压包含收缩压和舒张压。收缩压是指心脏在收缩时，血液对血管壁的侧压力；舒张压是指心脏在舒张时，血管壁上的侧压力。而收缩压和舒张压的差值一般称为脉压，只有心脏松弛时才出现脉压，且其频率与心率相同。血压波形可人为分解为静压波形和动形波形。心脏收缩期和舒张期的压力波形基本上为一条线性折线，即静压波形；每次心跳产生一个脉压波形，即动压波形。图1为压力波形图。

基于心脏压力波形的特点，可以通过叠加实现血压波形的模拟。用一个气室充气模拟心脏收缩过程的压力曲线图，而用均匀放气的曲线模拟心脏松弛时的压力曲线图。充气放气过程匀速进行，正好符合心脏收缩舒张频率稳定的特点。这样就实现了心脏的静压波形，这也是血压计测量的基本原理。均匀放气过程中，在每次心跳到来之时，用LabView软件产生一个脉压波形，通过D/A输出给一直进行放气和充气的气室；软件产生时其频率与心率相同，正好叠加在静压波形上，成为完整血压波形，从而实现了二种波形的硬件叠加。图2和图3相叠加，就成为图1的心脏压力波形。

2 系统硬件和软件实现

2.1 系统硬件构成

系统硬件构架包括执行机构、压力传感器、A/D输入、计算机和D/A输出，如图4所示。从执行机构的压力传感器输出的压力信号通过调谐电路放大，再通过A/D采样，由计算机进行数据处理计算，给出动压信号。动压波形信号经D/A输出并经放大后驱动执行机构，实现人体脉压和血压的模拟。此时执行机构产生的便是与人体标准血压基本相同的信号。

2.2 系统软件实现

本文采用NI公司生产的NI6035E 16位数据采集卡，从压力传感器中采集数据，同时借助NI公司的LabView开发平台的强大数据采集和图形显示功能。开发的控制软件很好地实现了波形的软件叠加。图5为脉压模拟器软件功能模块图。A/D读入的气室充气和放气时产生的加压和减压的数字信号即为静压波形，在LabView图形控件上显示出来，同时根据实时采集的静压波形，选择其所对应的动压波形进行输出，作为最后的模拟脉压波形。经D/A输出给执行机构，叠加到静压波形上，形成所需要的人体血压波形。

建立一个文本资源文件或数据库存储标准脉压波形数据。该标准脉压波形数据可根据需要通过波形编辑子模块实现，即通过编辑各种静压范围对应的标准人体脉压波形，存入该资源文件。波形编辑子模块为一个单独的程序，可在运行脉压模拟仿真主程序之前进行脉压库的调试。把主模块和子模块分开写成二个独立的程序，减少了占用空间，一旦脉压波形库编辑完成，就无需再调用波形编辑子程序。

3 试验结果与讨论

基于LabView软件设计的脉压模拟器经硬件叠加后输出一个模拟血压波形，如图6所示。从模拟波形结果可看出，除了数据的线性插值使得波形不够平滑外，基本能与人体真实血压波形相吻合。此结果说明了本系统的可行性与准确性。

4 应用与展望

脉压模拟器基于LabVIEW虚拟仪器仿真，由软件产生脉压波形，通过与硬件的叠加，完成整个血压波形的模拟。该系统原理明确，结构紧凑，操作方便，可用来准确地标定血压计。在此基础上作者设计了血压模拟计（NIBPM）并已经应用于血压计的研发和产品的出厂检验当中，运行效果良好。

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