LabVIEW人工模拟肺控制系统开发

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

1. 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。

2. 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。

   • 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。

   • 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。

3. 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。

   • 压力传感器：选用Honeywell 24PC系列，具有高灵敏度和稳定性。

   • 流量传感器：使用TSI 4000系列，确保高精度的流量测量。

LabVIEW上位机控制软件开发

1. 软件功能模块：

   • 建模与模拟：LabVIEW模块用于患者呼吸力学的建模与模拟。

   • 数据分析：实时分析呼吸曲线和力学参数。

   • 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。

2. 操作界面：

   • 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。

   • 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。

   • 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。

3. 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。

4. 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。