开发了一种创新的主被动一体式人工模拟肺模型,通过LabVIEW开发的上位机软件,实现了步进电机驱动系统的精确控制和多种呼吸模式的模拟。该系统不仅能够在主动呼吸模式下精确模拟快速呼吸、平静呼吸和深度呼吸,还能在被动模式下通过PID控制实现不同顺应性的精确跟随控制。该人工模拟肺模型为呼吸机设计开发和性能测试提供了高效、可靠的工具。
硬件系统设计
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机械结构:设计并加工了人工模拟肺的外形结构,确保与人体肺部结构相似。
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驱动系统:采用基于步进电机的模拟肺驱动系统,实现精确的位移和力控制。
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步进电机:使用Oriental Motor PKP264D28A2,该电机具有高精度和稳定性,适用于精确控制。
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驱动器:采用Oriental Motor CVD528-K,支持微步进控制,可实现平滑的运动曲线。
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传感器:使用压力传感器和流量传感器实时监测呼吸力学参数。
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压力传感器:选用Honeywell 24PC系列,具有高灵敏度和稳定性。
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流量传感器:使用TSI 4000系列,确保高精度的流量测量。
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LabVIEW上位机控制软件开发
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软件功能模块:
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建模与模拟:LabVIEW模块用于患者呼吸力学的建模与模拟。
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数据分析:实时分析呼吸曲线和力学参数。
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远程控制:通过TCP/IP协议实现远程控制接口,支持外部LabVIEW软件的集成。
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操作界面:
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运行模式选择:提供流量发生器模式、被动模式和主动模式的选择界面。
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波形显示:在中央图形区域显示呼吸波形,包括流量、压力和容积。
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实时反馈:通过模拟运行选项卡显示模拟状态、呼吸次数和患者模型路径。
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PID控制算法:
- 设计了基于PID控制的模拟肺顺应性控制方法,实现被动呼吸模式下不同顺应性时的精确控制。
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通讯协议:
- 支持10/100 Mbit Ethernet和USB/RS 232通讯协议,确保数据传输的稳定性和实时性。
实验结果与分析
在主动呼吸模式下,系统能够精确模拟快速呼吸、平静呼吸和深度呼吸,测量潮气量与目标潮气量误差在±0.05%以内。在被动模式下,通过PID控制实现不同顺应性时的精确跟随,维持目标顺应性误差在±15%以内。
在开发过程中,结合了《主动式呼吸模拟软件设计要点》和《RespiSim用户手册》的介绍,详细了解了呼吸模拟器的设计要点和LabVIEW在呼吸模拟中的应用。通过LabVIEW自定义库的开发和VISA函数的应用,实现了第三方设备的驱动控制和数据采集。采用LabVIEW的图形化编程方式,不仅提高了开发效率,还大大简化了系统的维护和升级。
通过本次开发,我们展示了LabVIEW在复杂医疗设备控制与数据分析中的强大功能,为呼吸机的设计开发和性能测试提供了重要的技术支持。希望未来可以在此基础上进行更多功能的扩展和优化,提高医疗设备的智能化水平。