基于USB 2.0的模拟肺数据采集系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.13MB 57 页 15积分

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摘要

机械通气装置是治疗急慢性呼吸衰竭或呼吸功能不全等疾病的不可或缺的重

要工具。近年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高，机械通气装

置发展十分迅速，应用范围不断扩大，在临床上的地位越来越重要。因此，需要

开发一个可以实时、在线、高精度、快速的机械通气装置检测系统来检测机械通

气装置的质量。本论文是“机械通气装置检测系统--新型模拟肺系统设计研究”

课题的一个重要组成部分，该课题的主要思想在于将设计的新型模拟肺与基于

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）技术的数据采集方法相结合以获取最

佳的检测效果，达到精确测量机械通气装置质量的目的。

本文详细介绍了模拟肺的国内外研究现状、存在问题和发展方向，介绍了模

拟肺的结构和工作原理，并对模拟肺进行了改进；论述了对改进后的模拟肺的基

本结构以及模型正确与否的验证过程，创新性地设计开发了 VC 操作系统与 USB

采集模块相结合的机械通气装置检测系统--新型模拟肺系统。这套系统将模拟肺

与USB 采集模块结合起来，充分发挥了 USB 采集模块方便、快速、准确的优点，

能够精确测量机械通气装置的质量、性能；为引导机械通气装置生产厂家提高产

品合格率提供了一种精确的检测设备。本系统是一种基于 VC 驱动采集程序与 USB

采集模块相结合的数据采集系统，通过传感器与模拟肺之间的配合，实现对机械

通气装置相关信号的实时采集与检测。基于 USB 技术的采集方法的使用，可以避

免大多数场景/测试环境造成的信号干扰，减少检测误差。本系统由计算机实时控

制，控制部分由软件驱动，系统实时采集并处理数据，然后分析测量数据是否符

合要求，并由分析结果判断机械通气装置的性能好坏；采集的数据可以实时绘图，

操作者可通过图形直观分析，判断机械通气装置质量好坏。

本文根据机械通气装置质量、性能检测的实际需求，以实用性、经济性、精

确性为原则，购买了所需软硬件，搭建了整套测试系统。在信号采集系统中实现

了实时采集数据、显示曲线的功能。在实验过程中，来自机械通气装置的呼吸信

号经过模拟肺，通过传感器传到采集模块，采集的信号由 A/D 转换器转换为数字

信号，经 USB 数据线直接送至 PC 机，避免了外界的电磁干扰，提高了检测的准确

度。本文介绍的系统是一套快速、准确的机械通气装置检测系统，可以解决机械

通气装置质量与性能的检测问题，提高产品合格率和安全性，避免人为的误判，

提高检测效率，保证产品的质量。

关键词：机械通气装置模拟肺 USB A/D 检测

ABSTRACT

The machinery ventilated equipment is an important tool for cure people who have

got an acute respiratory failure or respiratory insufficiency. These years, as the speedy

development of science and technology and the escalation of people's living standard,

the machinery ventilated equipment is developed very rapidly. The range of the

machinery ventilated equipment’s applications has been increased. And the machinery

ventilated equipment’s role of clinical application is very more and more important. So

a test system must be designed to calibrate qualities of machinery ventilated equipments.

The system must have these vantages, such as it can do real-time on-line testing; the

data from the system are very accurate; and it has a fast way to test machinery ventilated

equipments. This paper is an important part of the project of the test system of

machinery ventilated equipments, and the project is also called the design of a new lung

simulator. The theme of this paper is that the Universal Serial Bus is used in designing

the date colleting system, and then the USB date colleting system should be used in

collecting signals which come from the new designed lung simulator. The USB

technology used in the data colleting system is great for testing qualities of machinery

ventilated equipments.

The paper introduced following parts, researches status quo on domestic and overseas

for lung simulators, the existing problems and the development orientation, the structure

and principle of lung simulators and the basic structure of modified lung simulators and

the discussion of that whether the designed model is correct. And then the creative

design of the machinery ventilated equipment test system is introduced. The VC

operating system and the USB gathering module are combined into this new lung

simulator test system. The USB gathering module has many advantages, such as

convenient of operating, the fast speed while collecting signals. As these advantages, the

test system can test qualities or performances of machinery ventilated equipments

correctly. With the test system, companies of machinery ventilated equipments can

calibrate machinery ventilated equipments fast and accurately. The date collecting

system combined with VC driving acquisition program and USB gathering module

works together with sensors and lung simulators. The system is a real-time device. It

can collect signals instantly. As USB technology used in data collecting system, it can

avoid interfering signal which come from testing environment during testing machinery

ventilated equipments, so that the detect errors may be reduced as much as possible. The

iii

system is controlled by computer. The soft drives its controlling parts. It can draw signal

curve while collecting. And then operators can judge whether the machinery ventilated

equipment’s quality by the signal curve immediately.

The parts or devices for building the data collecting system are bought according to

the necessaries of machinery ventilated equipments’ quality and performance and based

on practicability, economical efficiency and accuracy. The signal collecting system is a

real time data collecting system, and it also has the function of curve display. The

collecting system’s work process is as following: fist, signals coming from machinery

ventilated equipments pass through the lung simulator, and then these signals reach at

the colleting module by a sensor. Secondly, the collected signals are changed into digital

signals by the analog to digital converter. At last, the digital signals are sent to

computers via USB data lines. This process of data collecting can avoid interfering

signals coming from external environment and improve the test accuracy. The USB data

collecting system introduced in this paper is a fast and accurate ventilator test system, it

can deal with the problem of testing the quality and performance of machinery

ventilated equipments. It can improve the machinery ventilated equipment quality rate

and safety and avoid misjudgment by operators themselves. Detection efficiency on

testing machinery ventilated equipments is raised by the USB data collecting system.

Key word: Machinery Ventilated Equipment, Lung Simulator, USB,

A/D, Test

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题背景 .................................................... 1

§1.2 课题选题意义和依据 .......................................... 2

§1.3 国内外研究现状 .............................................. 3

§1.3.1 国外研究现状 ........................................... 3

§1.3.2 国内研究现状 ........................................... 3

§1.4 模拟肺目前存在的问题及发展方向 .............................. 4

§1.5 论文研究内容及结构 ......................................... 5

第二章模拟肺原理及新型模拟肺系统的设计结构 .......................... 6

§2.1 模拟肺概述 ................................................. 6

§2.1.1 模拟肺简介 ............................................ 6

§2.1.2 模拟肺相关知识及用途 .................................. 6

§2.1.2.1 呼吸原理 .......................................... 6

§2.1.2.2 模拟肺作用 ........................................ 7

§2.2 新型模拟肺系统的设计 ....................................... 7

§2.2.1 模拟肺模型 ............................................. 8

§2.2.2 数据采集系统 ........................................... 9

第三章基于 USB 2.0 的数据采集系统软硬件设计 ......................... 16

§3.1 USB 2.0 数据采集系统的设计 ................................. 16

§3.1.1 系统结构设计 ......................................... 16

§3.1.2 USB 2.0 数据采集系统硬件设计 .......................... 17

§3.1.2.1 硬件构成 ......................................... 17

§3.1.2.2 USB 接口开发 ...................................... 19

§3.1.2.3 CY7C68013A 开发应用 ............................... 21

§3.1.2.4 A/D 转换电路设计 .................................. 21

§3.2 USB 2.0 数据采集系统软件设计 ............................... 24

§3.2.1 固件程序设计 ......................................... 24

§3.2.2 设备驱动程序设计 ..................................... 28

§3.2.3 用户应用程序设计 ..................................... 29

第四章 USB 2.0 数据采集系统的调试及在新型模拟肺中的应用 ............. 34

§4.1 USB 2.0 数据采集系统硬、软件连接与通信 ..................... 34

§4.1.1 硬件平台搭建 ......................................... 34

§4.1.2 软硬件连接与通信 ..................................... 35

§4.2 USB 2.0 数据采集系统的调试 ................................. 35

§4.3 USB 2.0 数据采集系统在新型模拟肺中的应用研究 ............... 38

§4.3.1 实物连接 ............................................. 38

§4.3.2 实验采集与验证 ....................................... 38

§4.3.2.1 对顺应性的推导公式进行验证 ....................... 39

§4.3.2.2 铜丝是否能够维持玻璃瓶内温度恒定的验证实验 ....... 40

§4.3.3 小结 ................................................. 44

第五章课题分析总结与展望 ........................................... 46

§5.1 各种数据采集系统的对比分析 ................................. 46

§5.2 课题创新及总结 ............................................ 47

§5.2.1 课题创新之处 ......................................... 47

§5.2.2 课题总结 ............................................. 47

§5.3 课题不足与展望 ............................................ 48

§5.3.1 课题不足 ............................................. 48

§5.3.2 展望 ................................................. 48

参考文献 ............................................................ 50

在读期间公开发表的论文及承担科研项目及研究成果 ...................... 53

致谢 .............................................................. 54

第一章绪论

§1.1 课题背景

近年来, 随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高，机械通气装置的

应用和治疗作用越来越广泛[1]。它在麻醉呼吸管理、呼吸衰竭治疗以及危重病人抢

救等方面成为必不可少的设备[2]。尤其在 SARS 时期，机械通气装置得到了广泛的

使用, 成为临床治疗 SARS 的主要技术之一[3]。随着机械通气装置重要性提升而

来的问题就是企业生产的机械通气装置的质量检测是否符合国际质量体系认证标

准、在临床应用中是否能够保证机械通气装置的安全性和有效性。因此，一种检

测机械通气装置质量、性能的仪器亟待开发。而本课题即是针对这一问题展开讨

论的，课题中提出的新型模拟肺即是检测和验证机械通气装置性能的一种仪器。

在人体呼吸系统中，肺脏是人体的主要呼吸器官，是进行气体交换的场所，

肺的主要结构是由肺内导管部和无数肺泡组成。人体这种为了完成新陈代谢需要

而不断从空气中摄取氧气和排出二氧化碳气体的过程被称为呼吸。肺部疾病主要

有肺部感染性疾病、慢性阻塞性肺疾病等，严重的甚至可以出现呼吸衰竭等症状[4]。

结合肺的功能人们突发奇想，用外界装置来模拟人体肺的基本功能，于是模拟肺

诞生了。

人们用模拟肺模拟人肺的肺泡、气管、呼吸动力以及呼吸阻力。曾经，人们

用一个气缸或皮囊来等效肺中许多小肺泡，用一个进气口来等效肺中的大量的毛

细气管。人们根据肺的动力和阻力的模拟情况将模拟肺分为两种：被动模拟肺和

主动模拟肺。其中，被动模拟肺只能模拟呼吸阻力，不能模拟呼吸动力；并且模

拟出的阻力通常也是不可调的。此种模拟肺一般采用皮囊模拟肺泡，由皮囊的弹

力模拟呼吸阻力，应用于模拟呼吸很微弱时病人的肺情况。而主动模拟肺既能模

拟呼吸动力，也能模拟呼吸阻力，并且对动力和阻力都可以调节。其一般采用气

缸模拟肺泡，用电机控制活塞的移动来模拟呼吸动力和阻力[5]。

模拟肺主要是对机械通气装置的参数精确度进行测试，从而判断它们是否能

正常工作、能否用于病人[6]。机械通气装置的生产厂家测试机械通气装置一般都是

利用比较庞大的测试平台进行测试，操作复杂繁琐，准确度不高；医院里采用皮

囊制成的被动模拟肺,可以模拟肺脏,进行机械通气装置工作状态的检查和工作参

数的调节，但是它不具备对机械通气装置的呼吸参数的检测与显示功能，即没有

办法检测气体流量（即潮气量）、气体压力等机械通气装置使用中的关键气体参

数，更无法显示和读取这些参数，以及显示参数波形[7]。而且由于成人、小孩以及

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摘要：

i摘要机械通气装置是治疗急慢性呼吸衰竭或呼吸功能不全等疾病的不可或缺的重要工具。近年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高，机械通气装置发展十分迅速，应用范围不断扩大，在临床上的地位越来越重要。因此，需要开发一个可以实时、在线、高精度、快速的机械通气装置检测系统来检测机械通气装置的质量。本论文是“机械通气装置检测系统--新型模拟肺系统设计研究”课题的一个重要组成部分，该课题的主要思想在于将设计的新型模拟肺与基于USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）技术的数据采集方法相结合以获取最佳的检测效果，达到精确测量机械通气装置质量的目的。本文详细介绍了模拟肺的国内外研究现状...

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