作者/ 孫曉偉  泰銳菲克(天津)醫(yī)療科技有限公司(天津 300384)

孫曉偉(1985-)，男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：醫(yī)療器械研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

摘要：家用呼吸機(jī)是針對(duì)睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥患者家庭治療的設(shè)備，檢測(cè)患者呼吸管路中通氣壓力與流量，判斷患者低通氣狀態(tài)與打鼾狀態(tài)，根據(jù)上述參數(shù)調(diào)整風(fēng)機(jī)狀態(tài)，抑制患者疾病發(fā)展，搭建測(cè)試平臺(tái)，建立各種患者呼吸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在原算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使患者感受更舒適。

序言

　　家用呼吸機(jī)簡(jiǎn)稱持續(xù)氣道內(nèi)正壓通氣，它是治療睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥有效的辦法。在睡眠時(shí)佩戴一個(gè)鼻面罩，鼻面罩與呼吸機(jī)連接，通過(guò)呼吸機(jī)提供一個(gè)壓力，將上呼吸道沖開(kāi)，使得上氣道通暢，減輕氣流阻塞，達(dá)到治療打鼾與呼吸暫停等癥狀^[1]。

1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)組成如圖1所示，包括主系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、人機(jī)界面、壓力傳感器、流量傳感器等。

　　主系統(tǒng)完成壓力流量傳感器采樣、風(fēng)機(jī)調(diào)速、人機(jī)界面交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

　　輔助系統(tǒng)完成溫濕度調(diào)節(jié)與加熱板控制等功能，輔助主系統(tǒng)工作。

　　除上述功能外，還需要將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡上，便于醫(yī)師讀取采集數(shù)據(jù)，根據(jù)患者狀況調(diào)整治療方案。同時(shí)，加入血氧模塊分析睡眠質(zhì)量，加入無(wú)線WIFI將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫说裙δ堋?/p>

2 硬件電路

　　系統(tǒng)中采用電源適配器將交流電轉(zhuǎn)換為直流24V供電機(jī)使用，系統(tǒng)其余部分電壓為3.3V，考慮到電壓差過(guò)大，采用兩級(jí)電源軌，先將24V轉(zhuǎn)換為5V，采用DC/DC方式，因LDO方式不適宜用于壓差較大電路，5V轉(zhuǎn)3.3V電源軌采用LDO方式。這樣的電源軌方式可保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

　　風(fēng)機(jī)采用兩極三相無(wú)刷無(wú)霍爾直流電動(dòng)機(jī)外加雙葉輪組成，采用BLDC控制方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用TI公司的DRV10983，與主控芯片采取I2C通訊方式，輸出信號(hào)U、V、W接電機(jī)三相繞組，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速15000轉(zhuǎn)/分鐘，負(fù)載10cmH2O，圖2為其原理框圖。

　　壓力傳感器采用霍尼韋爾公司的電路板級(jí)傳感器，壓力傳感器精度要求為±1.5%，因呼吸機(jī)監(jiān)測(cè)需要保證壓力偏差≤0.5cmH2O，接口采用I2C模式。

　　流量傳感器采用Sensirion的板級(jí)傳感器SDP711，流量傳感器精度要求為±5%，流量監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求偏差≤20%，接口同樣采用I2C模式。該流量傳感器為壓差式傳感器，需要根據(jù)壓力差值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，計(jì)算出實(shí)際流量值。

　　溫/濕度傳感器采用Sensirion新一代SHT20傳感器，它嵌入了適于回流焊的雙列扁平無(wú)引腳DFN封裝，傳感器輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)I2C格式。SHT20 的分辨率可以通過(guò)輸入命令進(jìn)行改變，傳感器可以檢測(cè)到電池低電量狀態(tài)，并且輸出校驗(yàn)和有助于提高通信的可靠性^[2]。

　　LCD采用深圳天馬微電子型號(hào)為TM176220B5NFWGWC4的顯示屏，該型號(hào)顯示屏為2.4寸TFT液晶顯示屏，可以采用并行接口與SPI接口方式完成與主系統(tǒng)的連接，從而完成人機(jī)界面功能。

　　此外，系統(tǒng)還具有SD卡功能，可以將患者的治療信息保存在SD卡中，患者可將SD卡取出交給主治醫(yī)師，主治醫(yī)師根據(jù)上位機(jī)軟件查看患者低通氣、打鼾等信息，根據(jù)采集信息調(diào)整治療方案。

3 軟件部分

3.1 下位機(jī)部分

　　下位機(jī)指呼吸機(jī)本體部分，需要完成如下工作：呼吸過(guò)程平緩程度與漏氣量計(jì)算、壓力采集及計(jì)算、管路損失和流量采集與計(jì)算、臨床信息配置、LCD界面配置、BLDC電機(jī)控制、呼吸狀態(tài)判定、睡眠狀態(tài)判定、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、輸入響應(yīng)、呼吸機(jī)算法等11部分組成。系統(tǒng)調(diào)度有USCOSⅢ系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為5個(gè)優(yōu)先級(jí)。根據(jù)呼吸平緩程度對(duì)呼吸機(jī)算法進(jìn)行改進(jìn)，引入呼吸平緩程度系數(shù)，對(duì)呼吸流速限制起到了指導(dǎo)作用。波形越大，流速限制越大。

　　具體計(jì)算過(guò)程如下：(1)當(dāng)前的呼吸狀態(tài)與相同持續(xù)時(shí)間和平均幅度的參考呼吸狀態(tài)成比例關(guān)系，因此，首先完成參數(shù)的歸一化處理;(2)正常的呼吸狀態(tài)與參考呼吸狀態(tài)是否完全無(wú)法匹配，若是，則該呼吸狀態(tài)是錯(cuò)誤的;(3)呼吸狀態(tài)的平均值取超過(guò)5次的呼吸狀態(tài);(4)計(jì)算均方根偏差值;(5)平緩程度=均方根偏差/參考呼吸幅值。

3.2 上位機(jī)部分

　　上位機(jī)主要完成SD卡數(shù)據(jù)讀取，便于醫(yī)師查看患者疾病狀態(tài)，調(diào)整通氣策略。

　　通過(guò)上述界面右側(cè)的總覽按鈕可以查看患者SD卡中存儲(chǔ)的信息，其中包括：呼吸暫停低通氣指數(shù)、壓力、漏氣量、呼吸容量、呼吸頻率、分鐘通氣率等信息。

4 測(cè)試平臺(tái)

　　前面已經(jīng)完成了家用呼吸機(jī)包括硬件、軟件的搭建工作，測(cè)試平臺(tái)的搭建主要完成呼吸機(jī)功能驗(yàn)證及檢驗(yàn)工作。通過(guò)上述測(cè)試平臺(tái)完成呼吸機(jī)的檢驗(yàn)工作，首先開(kāi)通呼吸機(jī)，調(diào)節(jié)主動(dòng)模擬肺，主要調(diào)整氣阻與順應(yīng)性等參數(shù)，不同的參數(shù)代表不同的患者情況，根據(jù)不同情況測(cè)得的數(shù)據(jù)建立人體呼吸氣路的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型通過(guò)Matlab擬合數(shù)據(jù)，使呼吸機(jī)設(shè)定的壓力波形與實(shí)際壓力波形接近，從而順應(yīng)人體氣路條件，調(diào)整通氣策略[3]。

　　測(cè)試平臺(tái)除了跟蹤壓力波形外，還需做如下測(cè)試：

　　(1)最大壓力限制保證呼吸機(jī)即使在故障情況下，送氣壓力小于30cmH2O;

　　(2)呼吸氣道壓力測(cè)量(壓力顯示精度)精度應(yīng)滿足±(2%滿刻度+4%實(shí)際讀數(shù));

　　(3)動(dòng)態(tài)誤差壓力(實(shí)測(cè)值與設(shè)定值)≤±0.5 cmH2O;

　　(4)靜態(tài)壓力穩(wěn)定度在呼吸管路患者連接口處每30min測(cè)一次，持續(xù)8h。參考儀器設(shè)定值計(jì)算最大正偏差和最大負(fù)偏差，確認(rèn)測(cè)量的平均靜態(tài)壓力值在靜態(tài)壓力準(zhǔn)確限值范圍內(nèi);

　　(5)最大流速測(cè)試

　　1)將長(zhǎng)度為1.9m±0.15m的呼吸管路連接到睡眠呼吸暫停設(shè)備上;

　　2)將一個(gè)壓力測(cè)量裝置及流量計(jì)接到患者連接口處;

　　3)在患者連接口處加入一個(gè)調(diào)節(jié)閥門;

　　4)將壓力設(shè)定到其最小設(shè)定值Pmin，打開(kāi)調(diào)節(jié)閥，直至實(shí)測(cè)壓力值低于壓力設(shè)定值1cmH2O±0.1 cmH2O，讀出相應(yīng)的測(cè)量壓力值及流速值;

　　5)重復(fù)10次步驟4)，記錄這10次測(cè)量結(jié)果的平均值;

　　6)依次測(cè)量最小壓力值、中間壓力值和最大壓力值三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。

　　圖中標(biāo)號(hào)表述如下：1、呼吸機(jī); 2、流量傳感器;3、氣阻; 4、ASL5000主動(dòng)模擬肺;5、壓力傳感器;6、瑞典奧利科PF-300氣流分析儀，可以測(cè)量流量、壓力、頻率、呼吸比;7、呼吸通氣系統(tǒng)。

5 結(jié)論

　　睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥是與高血壓糖尿病等多種疾病有關(guān)聯(lián)，家用呼吸機(jī)可以有效地治療該疾病，通過(guò)調(diào)整通氣策略使患者減輕痛苦，在算法上的改進(jìn)可以保障人機(jī)協(xié)調(diào)，家用呼吸機(jī)已經(jīng)列入十三五國(guó)家全民健康計(jì)劃，其監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也列入指導(dǎo)原則中，本文提到的呼吸機(jī)已經(jīng)通過(guò)測(cè)試平臺(tái)的檢驗(yàn)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，隨著人民對(duì)健康意識(shí)的提高，該產(chǎn)品會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第37頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。