一種新型便攜式制氧系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

陳娟娟 蔡雪花* 林海東 紀(jì)學(xué)鑫

目前,吸氧已成為醫(yī)療救治不可或缺的手段,尤其是隨著人們生活水平的不斷提高和改善,對健康的需求逐漸增強,吸氧將逐步成為家庭和社區(qū)康復(fù)中一種重要手段[1].在患者治療過程中,如果長期吸氧量不足,患者體內(nèi)有氧代謝率降低,無氧酵解加強,機體代謝效率下降;長期重度缺氧可引起肺部血管收縮,造成肺動脈高壓,右心室負擔(dān)增加,長久下去可引起肺心病等.在生活中,有些孕婦或者老人長期缺氧時,會造成呼吸次數(shù)增多、呼吸困難、胸悶及氣憋等;還會出現(xiàn)夜間睡眠障礙,睡眠質(zhì)量下降,白天思睡,頭暈頭痛等癥狀[2].

現(xiàn)階段吸氧方式是采用傳統(tǒng)的氧氣瓶吸氧和制氧機進行吸氧.氧氣瓶作為備用氣體,是患者在移動治療和轉(zhuǎn)移治療時的吸氧方式,需要不定期的充氧才能滿足患者長時間吸氧,氧氣瓶比較笨重,無法滿足患者在運動過程中吸氧,而且無法對吸入氣體中的氧濃度進行控制.而采用制氧機進行吸氧,可滿足患者的吸氧要求,但因制氧機多數(shù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,整體比較笨重,無法滿足患者移動吸氧,且大部分采用市電供電,導(dǎo)致其戶外吸氧無法實現(xiàn).基于此,本研究設(shè)計一種新型便攜式制氧系統(tǒng),采用高效鋰電池供電,并配備背帶式結(jié)構(gòu),便于患者在移動過程中吸氧.該制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎,使用簡單、攜帶方便,能在戰(zhàn)地、事故現(xiàn)場、野外旅行保健及各種不同層次人群需求[3].

1 新型便攜式制氧系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要包括單片機主控制模塊、電源模塊、制氧控制模塊、氧濃度監(jiān)測模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及報警模塊等,整個系統(tǒng)采用變壓吸附(pressure swing adsorption,PSA)原理進行制氧,人體工學(xué)一體化設(shè)計,便于患者的攜帶與使用[4].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 便攜式制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)外觀

系統(tǒng)將所有模塊一體化設(shè)計,并統(tǒng)一封裝成長方體形狀,主機的上方為液晶顯示模塊,便于患者時時關(guān)注氧濃度;主機右側(cè)的上方為氧氣調(diào)節(jié)按鈕,便于患者調(diào)節(jié)氧濃度;主機右側(cè)的中間封裝有空氣進風(fēng)口,內(nèi)部帶有空氣過濾器,便于過濾空氣中的塵埃;氧氣出口接上轉(zhuǎn)接頭連接氧氣吸入管,便于患者吸氧;主機的前端帶有風(fēng)扇,起到冷卻作用[5].制氧系統(tǒng)外觀見圖2.

圖2 便攜式制氧系統(tǒng)外觀

1.2.2 電源電路

設(shè)計的新型便攜式制氧系統(tǒng)主要用于患者戶外吸氧,并滿足患者邊吸氧邊運動的特殊要求,因此該系統(tǒng)不僅可以采用市電供電,還采用大容量的鎳氫電池供電,容量為6000 mAh,額定輸出電壓為5 V,拆卸與安裝都非常方便[6].電源供電電路和電池充電電路見圖3.

圖3 電源供電和電池充電電路

圖3 顯示,市電電壓經(jīng)過變壓器T1進行變壓,再經(jīng)過D1、D2、D3及D4橋式整流后得到直流電,再經(jīng)過C1、C2濾波后加到穩(wěn)壓芯片7812的1腳上,其2腳輸出12 V,用于壓縮機供電和電池充電;輸出12 V電壓再經(jīng)過C3、C4濾波后輸入穩(wěn)壓芯片7805的1腳上,其2腳輸出5 V,用于單片機系統(tǒng)的供電[7].

1.2.3 壓縮機控制電路

制氧系統(tǒng)的制氧原理采用變壓吸附原理,吸附劑為沸石分子篩,在等溫條件下,當(dāng)吸附壓力增加時對氮氣的平衡吸附量要比氧氣增加很多,當(dāng)吸附壓力減少時,其對氮氣的平衡吸附量比氧氣減少很多,利用這一特性,可采用加壓吸附,減壓解吸循環(huán)操作的方法制取氧氣.整個制氧系統(tǒng)的空氣先經(jīng)過一級過濾器和二級過濾器后進入無油空氣壓縮機變壓,再經(jīng)過冷卻系統(tǒng)進行冷卻,一方面經(jīng)過控制閥進入吸附塔系統(tǒng)進行制氧進而輸出氧氣,另一方面直接經(jīng)過調(diào)節(jié)閥輸出空氣,空氣和氧氣進行混合后輸出患者所需的氧氣.患者可以根據(jù)需要通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣流量的大小,進而控制輸出氧氣的濃度[8].制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 制氧原理框圖

系統(tǒng)采用的中央處理器為AT89S51,其為低功耗、高性能CMOS 8位單片機,具有4 K字節(jié)可編程FLASH存儲器、三級程序存儲器保密鎖定、128X8位內(nèi)部RAM、兩個16位定時器/計數(shù)器、低功耗的閑置和掉電模式等.當(dāng)AT89S51的P0.0輸出高電平時,開關(guān)管Q1導(dǎo)通,壓縮機正向工作;當(dāng)AT89S51的P0.1輸出高電平時,開關(guān)管Q2導(dǎo)通,壓縮機反相工作.穩(wěn)壓管D5、D6起到穩(wěn)壓作用,電容C5、C6起到加壓啟動的作用[9].壓縮機控制電路見圖5.

圖5 壓縮機控制電路

1.2.4 氧濃度監(jiān)測電路

系統(tǒng)氧濃度監(jiān)測電路采用氧電池采集氧濃度,并轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號,并通過運放放大器放大電壓信號給中央處理芯片,在經(jīng)過轉(zhuǎn)化后在顯示屏上顯示氧濃度,氧信號采集電路見圖6.

圖6 氧信號采集電路

氧電池采集的信號輸入到運放芯片LM358的IN1+引腳上,再通過OUT2引腳輸出到主芯片的P0.3腳上,圖6中C7、R1和C8及R5啟動穩(wěn)壓濾波作用,R3、R4啟動分壓作用[10].

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

新型便攜式制氧機系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)軟件的初始化,然后進行按鍵掃描和液晶顯示掃描后進行患者正常使用的參數(shù)設(shè)置狀態(tài).患者在使用過程中,可以設(shè)定吸氧時間和需要濃度等參數(shù),然后啟動制氧機后即可.患者在吸氧過程中,系統(tǒng)的液晶顯示器顯示吸氧時間、吸氧濃度等信息.當(dāng)系統(tǒng)吸氧時間或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,報警系統(tǒng)啟動,提示患者吸氧結(jié)束或者設(shè)備出現(xiàn)異常,請停止吸氧[11].制氧系統(tǒng)主程序見圖7.

圖7 便攜式制氧系統(tǒng)主程序框圖

2 新型便攜式制氧系統(tǒng)臨床測試

吸氧對于孕婦、老年人以及呼吸困難患者都有著不可替代的作用,對于一些亞健康人群,也可以通過吸氧緩解大腦疲勞,舒緩腦神經(jīng)壓力、改善記憶力等功能[12].本研究設(shè)計的新型便攜式制氧系統(tǒng)采用高效鎳氫電池供電,并配備小型壓縮機和吸附塔對空氣進行變壓吸附,進而輸出患者需要的氧氣.整個系統(tǒng)一體化封裝設(shè)計,重量<3 kg,便于患者攜帶或者邊散步邊吸氧;系統(tǒng)設(shè)有氧濃度調(diào)節(jié)閥,可根據(jù)患者需要調(diào)節(jié)氧濃度;系統(tǒng)設(shè)有吸氧時間、吸氧濃度、電池電量檢測、系統(tǒng)故障等參數(shù)信息,便于患者使用時關(guān)注吸氧狀態(tài)[13].整個系統(tǒng)與傳統(tǒng)的中央制氧系統(tǒng)及氧氣瓶具有明顯的優(yōu)勢,其與傳統(tǒng)制氧設(shè)備對比見表1.

表1 新型便攜式制氧系統(tǒng)與傳統(tǒng)制氧系統(tǒng)及氧氣瓶分析對比

在臨床測試過程中,采用FLUKE氣流檢測儀(型號為VT-PLUS標(biāo)準(zhǔn)器)對該系統(tǒng)氧濃度進行監(jiān)測,其誤差<±10%,符合國家計量控制標(biāo)準(zhǔn).在臨床使用過程中,通過對100例孕婦、100例老年患者以及100例呼吸困難者進行吸氧使用測試,其氧濃度最高可達95%,吸氧時間≥3 h,可以滿足患者的戶外吸氧要求[14].

3 結(jié)語

對于急救患者及時并長期吸氧可以緩解支氣管痙攣、減輕呼吸困難,改善通氣功能障礙,改善患者體質(zhì)和大腦功能,提高運動耐力和生命質(zhì)量[15];同時還可以改善慢性阻塞性肺疾病,延長生命,減少住院次數(shù),節(jié)約醫(yī)療費用,減少手術(shù)后的感染等.本研究針對傳統(tǒng)制氧系統(tǒng)的不足和缺陷,設(shè)計一種新型便攜式制氧系統(tǒng),患者可以根據(jù)自身的需要,設(shè)置吸氧濃度,自由的選擇吸氧環(huán)境,最大的滿足患者隨時隨地的吸氧,對于提高患者的生命力,具有較大的臨床意義.