單水平無(wú)創(chuàng)通氣治療機(jī)的設(shè)計(jì)

魏立峰， 李 麟， 王慶輝

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

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單水平無(wú)創(chuàng)通氣治療機(jī)的設(shè)計(jì)

魏立峰， 李 麟， 王慶輝

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

提出便攜式CPAP呼吸機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案.該設(shè)計(jì)采用觸摸按鍵設(shè)置合適的壓力參數(shù)，通過(guò)控制直流無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟管呼吸內(nèi)壓力控制，液晶模塊實(shí)時(shí)顯示壓力值和使用時(shí)間，并通過(guò)SD卡實(shí)時(shí)記錄呼吸數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步提出治療方案提供依據(jù).同時(shí)管道脫落報(bào)警和斷電報(bào)警為設(shè)計(jì)增加了高可靠性和安全性，為CPAP呼吸機(jī)的使用提供更高保障.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CPAP呼吸機(jī)的基本功能，具有價(jià)格低廉、可靠性高、低功耗、便攜等優(yōu)點(diǎn).

CPAP； 呼吸機(jī)； 直流無(wú)刷電機(jī)

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥(obstructive sleep apnea syndrome，OSAS)，又稱睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥，是指每晚7 h睡眠過(guò)程中呼吸暫停反復(fù)發(fā)作30次以上，或者睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)(AHI)≥5次/h，并伴有睡眠中響亮打鼾、夜間低氧血癥、日間嗜睡等為特征的一系列臨床綜合癥[1].OSAS患者會(huì)表現(xiàn)出脾氣暴躁，智力和記憶力減退，等病情，嚴(yán)重者可引起高血壓、冠心病、糖尿病和腦血管疾病等，故需對(duì)病人采取治療措施.對(duì)OSAS的治療可以采用行為、持續(xù)氣道正壓(continuous positive airway pressure，CPAP)、藥物和手術(shù)治療，其中CPAP治療已經(jīng)成為公認(rèn)的治療OSAS最為安全和有效的方法.CPAP呼吸機(jī)即為單水平無(wú)創(chuàng)通氣治療機(jī)，單水平是指能持續(xù)輸出一個(gè)恒定壓力.在文獻(xiàn)[2]中，某醫(yī)院采用CPAP呼吸機(jī)對(duì)30例均有中重度阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥典型癥狀的患者進(jìn)行為期兩周的治療，觀察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)治療后，能迅速改善患者呼吸暫停，睡眠時(shí)打鼾，白天嗜睡、困倦、頭暈、頭痛，等OSAS所引起的一系列臨床并發(fā)癥，確?；颊哒Ｓ行У睾粑?

國(guó)內(nèi)呼吸機(jī)的研制起步較晚，1958年在上海制成鐘罩式正負(fù)壓呼吸機(jī)；1971年制成電動(dòng)時(shí)間切換定容呼吸機(jī)；直到20世紀(jì)90年代中末期，國(guó)產(chǎn)呼吸機(jī)的開發(fā)力度才有所加大，質(zhì)量得到了普遍提高.目前，國(guó)產(chǎn)呼吸機(jī)在技術(shù)上大多還處于借鑒和模仿國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)，在功能質(zhì)量方面，尤其是在可靠性上，落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家[3].國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品多為電動(dòng)氣控型的中低檔呼吸機(jī)，呼吸模式也只能滿足中低端需求.未來(lái)呼吸機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在通氣模式、功能以及信息化的發(fā)展.本文提出了一種便攜式CPAP呼吸機(jī)整體設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了整機(jī)制作與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了CPAP呼吸機(jī)的基本功能，具有價(jià)格低廉、可靠性高、低功耗、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄等優(yōu)點(diǎn)，為CPAP呼吸機(jī)的產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ).

1 CPAP呼吸機(jī)的基本原理

CPAP呼吸機(jī)治療OSAS的原理如圖1[4]所示，(a)為正常咽部結(jié)構(gòu)和正常呼吸；(b)為氣道部分受阻，氣流通過(guò)不暢引起打鼾；(c)為氣道完全阻塞，氣流中斷，發(fā)生呼吸暫停；(d)為CPAP保持氣道通暢.

圖1 CPAP治療OSAS的原理

Fig.1 Principle of CPAP treatment of OSAS

正常人體進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，從鼻子和咽部經(jīng)過(guò)的氣流通暢，可以保持正常的呼吸；而有鼻中隔彎曲、扁桃體肥大、軟腭過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題的OSAS患者會(huì)出現(xiàn)上呼吸道狹窄或阻塞，有憋氣感，致使呼吸氣流中斷，導(dǎo)致短暫性呼吸暫停，進(jìn)而影響睡眠質(zhì)量并引起多種疾病.因而，保持氣道的順暢至關(guān)重要.

CPAP呼吸機(jī)由控制系統(tǒng)控制電機(jī)，當(dāng)電機(jī)輸出設(shè)定壓力時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)軟管、鼻罩進(jìn)入鼻腔.當(dāng)用戶吸氣時(shí)，由于氣道阻塞使得氣道壓低于CPAP水平，則控制電機(jī)加速，增加輸入壓力迫使氣流進(jìn)入肺內(nèi)，使氣道壓保持在CPAP水平；當(dāng)用戶呼氣時(shí)，用戶排出氣流方向和呼吸機(jī)輸出氣流方向互逆，使得氣道壓高于CPAP水平，此時(shí)控制電機(jī)減速，使氣道壓力保持在CPAP水平.在整個(gè)過(guò)程中，CPAP呼吸機(jī)都是持續(xù)往氣道輸入氣流，由于體內(nèi)負(fù)壓、頸屈曲的作用和咽氣道內(nèi)在的不穩(wěn)定性使咽氣道易于塌陷，一旦氣道關(guān)閉，需更大相反的力才能克服咽壁的附著力使咽氣道重新開放.這種氣流壓力的強(qiáng)制性可以保持咽喉部的氣道通暢，以防止氣道狹窄或塌陷而引起呼吸障礙事件的發(fā)生[5].

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體采用閉環(huán)控制流程，設(shè)計(jì)中的硬件部分是壓力傳感器采集用戶軟管內(nèi)壓力，并將采集到的氣道壓轉(zhuǎn)化為電壓值，經(jīng)分壓等處理后傳到主控單片機(jī)，主控單片機(jī)將得到的信號(hào)送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，根據(jù)設(shè)置的轉(zhuǎn)速范圍帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)若遇呼吸機(jī)突然斷電等情況會(huì)報(bào)警，提醒用戶呼吸機(jī)已停止工作.設(shè)計(jì)采用法拉電容存儲(chǔ)電能，以備突然斷電情況的發(fā)生，起到節(jié)能的作用.另外用戶的呼吸情況會(huì)記錄在SD卡中，用以備份.圖2為硬件設(shè)計(jì)原理圖.軟件部分是在Keil界面編寫程序.

硬件電路主要由主控單片機(jī)、電源電路、壓力傳感器、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液晶顯示、觸摸按鍵、斷電報(bào)警、SD卡存儲(chǔ)、時(shí)鐘電路等部分組成.

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理圖

Fig.2 Hardware design schematics

2.1 主控單片機(jī)

采用STM32F103VET6，其資源豐富、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)可滿足呼吸機(jī)的控制應(yīng)用條件.片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集傳輸與控制中常用功能部件和其它外設(shè)功能部件，主要體現(xiàn)在：工作頻率最高可達(dá)72 MHz，可以執(zhí)行0等待狀態(tài)內(nèi)存存取；512 K字節(jié)的閃存和高達(dá)64 kb的SRAM等.其外圍設(shè)備主要有：3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個(gè)2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、3個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)、4個(gè)16位的帶有輸入捕獲/輸出比較/PWM的定時(shí)器、2個(gè)I2C接口、SDIO接口等[6].

2.2 電源電路

圖2為DPD模擬所涉及最高體系濃度(雜雙子表面活性劑體積分率φ=0.5)下,C9-P-NC18體系中各DPD軟粒子的擴(kuò)散系數(shù)(D)隨模擬步數(shù)(Ns)的變化情況.顯然,當(dāng)模擬進(jìn)行一段時(shí)間(至多5×104時(shí)間步)之后,各類粒子的擴(kuò)散系數(shù)均無(wú)大的起伏,僅有小的波動(dòng),充分表明該體系已達(dá)平衡.由此可見,5×105時(shí)間步應(yīng)足以確保每一輪模擬達(dá)到平衡狀態(tài).

CPAP呼吸機(jī)從電源適配器接入24 V直流電源，需要分成3組為電路供電：一組24 V直接供直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分工作；一組由開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576將24 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓(見圖3)，為液晶、蜂鳴器和壓力傳感器等供電；另外一組由正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓(見圖4)，為主控單片機(jī)、觸摸按鍵等提供參考電源.

圖3 電源部分24 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

Fig.3 24 V to 5 V power supply circuit diagram

圖4 電源部分5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

Fig.4 5 V to 3.3 V power supply circuit diagram

2.3 壓力采集電路

采用 Freescale 公司生產(chǎn)的MPXV5004G壓力傳感器.該芯片具有10～60 ℃的溫度補(bǔ)償功能，壓力量程為0～3.92 kPa，輸出壓力范圍為1.0～4.9 V[7].CPAP呼吸機(jī)的壓力范圍為0.4～2.0 kPa，輸出電壓最高為2.5 V.而風(fēng)機(jī)的最大極限壓力為3.0 kPa，相當(dāng)于3.75 V，主控單片機(jī)的AD采集參考電壓為3.3 V，故采用如圖5的分壓過(guò)程將采集到的信號(hào)傳遞給AD.

圖5 壓力信號(hào)采集電路圖

Fig.5 Pressure signal acquisition circuit

2.4 直流電機(jī)控制電路

CPAP呼吸機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是電機(jī)，采用 Motorola 公司生產(chǎn)的第二代直流無(wú)刷電機(jī)控制芯片 MC33035 和電機(jī)調(diào)速芯片MC33039控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.

圖6為三相直流無(wú)刷電機(jī)控制電路，MC33035內(nèi)部有轉(zhuǎn)子位置譯碼器，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置三相檢測(cè)信號(hào)(SA、SB、SC)與正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、使能、電流檢測(cè)等信號(hào)狀態(tài)結(jié)合后編譯運(yùn)算，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號(hào).由 MC33035的1、2、24腳輸出用于直接驅(qū)動(dòng)外部頂端功率開關(guān)晶體管，在19、20、21腳有輸出時(shí)需經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)整，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路整形放大用于驅(qū)動(dòng)外部底端功率開關(guān)晶體管，底部的驅(qū)動(dòng)是由MC33035的18腳來(lái)供電[8].

圖6 MC33035三相直流無(wú)刷電機(jī)控制電路圖

Fig.6 MC33035 DC motor control circuit

MC33035的23腳為制動(dòng)輸入端，內(nèi)部有40 kΩ上拉電阻，故在斷開或開路時(shí)實(shí)施制動(dòng)；當(dāng)主控單片機(jī)有信號(hào)MOTOR23輸出時(shí)，連接MC33035的23腳Brake端電位被拉低，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)(見圖8).制動(dòng)輸入較所有其他輸入具有無(wú)條件的優(yōu)先權(quán)，此設(shè)計(jì)為電機(jī)增加了新的安全保障.

圖7 MC33039閉環(huán)電機(jī)測(cè)速器電路圖

Fig.7 MC33039 closed loop motor speed control

圖8 直流電機(jī)制動(dòng)控制電路圖

Fig.8 DC Braking control circuit

2.5 SD卡存儲(chǔ)

設(shè)計(jì)中加入SD卡用來(lái)存儲(chǔ)用戶的使用時(shí)間和呼吸機(jī)檢測(cè)到的用戶的呼吸數(shù)據(jù).這種記錄有利于醫(yī)生對(duì)用戶睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.SD卡一般支持兩種操作模式：一是SD卡模式(通過(guò)SDIO通信)，二是SPI模式.SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，SPI模式允許簡(jiǎn)單地通過(guò)SPI接口與SD卡通信，這種模式與SD卡模式相比速度低，故采用SD卡模式(見圖9).

圖9 SD卡存儲(chǔ)電路圖

Fig.9 SD card memory circuit

3 CPAP呼吸機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要是采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件主要由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成.CPAP呼吸機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程為：首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、串口、時(shí)鐘模塊等進(jìn)行初始化操作；然后，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，讀取AD并轉(zhuǎn)換為壓力值，對(duì)該數(shù)值進(jìn)行增量式PI算法處理，控制電機(jī)輸出；最后，處理控制標(biāo)識(shí)，將控制結(jié)果返回至壓力傳感器進(jìn)行AD讀取，繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)控制.

CPAP呼吸機(jī)外部按鍵中斷流程為：檢測(cè)被按下的鍵并讀取鍵值，根據(jù)按鍵的設(shè)定對(duì)程序進(jìn)行控制.按鍵功能包括：?jiǎn)?dòng)/暫停呼吸機(jī)、增加/減少壓力值.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

CPAP呼吸機(jī)氣路連接：風(fēng)機(jī)出氣口連接帶有壓力測(cè)試點(diǎn)的連接件，連接件的另一端通過(guò)螺旋管與氣阻相連接.CPAP呼吸機(jī)的壓力設(shè)定范圍為0.4～2.0 kPa，表1為設(shè)定相應(yīng)壓力值時(shí)的實(shí)際輸出壓力；誤差為設(shè)定壓力值與測(cè)得壓力值之差絕對(duì)值的平均值，它是反應(yīng)CPAP呼吸機(jī)的壓力保持能力，是衡量呼吸機(jī)性能的重要指標(biāo).

表1 0.4～2.0 kPa設(shè)定值與測(cè)量值對(duì)比

±0.05 kPa的壓力控制誤差是CPAP呼吸機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).從表1可以看出：測(cè)量的壓力值與設(shè)定值誤差小于0.05 kPa，符合呼吸機(jī)的壓力指標(biāo).

5 結(jié) 論

給出了CPAP呼吸機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求，具有穩(wěn)定、低功耗、便攜等優(yōu)點(diǎn).CPAP呼吸機(jī)在治療OSAS疾病中是最為有效的方法.

[1] 劉清萍.無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)治療OSAS療效觀察及護(hù)理[J].實(shí)用醫(yī)技雜志，2005，12(23):3529.

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[3] 梁曉婷，楊國(guó)忠.我國(guó)呼吸機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)——走訪北京誼安公司后的調(diào)研報(bào)告[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2008，14(1):30-36.

[4] 李淼，胡兆燕，陳正龍，等.CPAP呼吸機(jī)壓力發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2008，14(10):40-44.

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[7] MOTOROLA.MPX5100DP-Integrated Silicon Pressure Sensor數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].[2014-10-10].http://pdf.elecfans.com/MOTOROLA/MPX5100 DP.html.

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Design of a Single Level Non-invasive Ventilation Therapy Machine

WEI Li-feng， LI Lin， WANG Qing-hui

(Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142， China)

Overall design of portable CPAP machine is presented in this paper，the ventilator is designed with touch buttons to set the appropriate pressure parameters，the ventilator by controlling the DC brushless motor to achieve the hose breathing pressure control，LCD module can display real-time pressure value and the use of time，and real-time recording of respiratory data via SD card，provide the basis for further proposed treatment.At the same time the design of pipeline shedding and power failure alarm increases reliability and security，provide greater protection for the use of CPAP breathing machine.The test results show that the CPAP machine is designed with the basic functions，with low cost，high reliability，low power，portability and other advantages.

CPAP(continuous positive airway pressure); ventilator; brushless DC motor

2014-10-13

魏立峰(1962-)，男，浙江紹興人，教授，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究.

2095-2198(2016)04-0366-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.04.016

TH77

A