一種供氧面罩防窒息活門(mén)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

顧 昭，于立華，溫冬青，薛利豪，施維茹，王桂友

(空軍軍醫(yī)大學(xué) 空軍特色醫(yī)學(xué)中心,北京 100142)

0 引言

航空供氧面罩是飛行員的主要個(gè)體防護(hù)裝具之一，是供氧防護(hù)人機(jī)界面的關(guān)鍵交接點(diǎn)，在實(shí)際飛行中使用頻率最高，其性能對(duì)飛行員供氧及救生具有極重要的影響[1]。彈射跳傘已經(jīng)拯救上萬(wàn)名飛行員的生命，但彈射傷的發(fā)生率仍高達(dá)50%～90%，據(jù)報(bào)道兩名參加夜間訓(xùn)練飛行員彈射離機(jī)后都出現(xiàn)意識(shí)喪失，墜海后自行清醒，并吞服大量海水[2]。飛行員彈射離機(jī)后出現(xiàn)昏迷或上肢受傷等情況，當(dāng)傘氧耗盡后無(wú)法自行取下面罩時(shí)，會(huì)導(dǎo)致飛行員窒息或溺水死亡[3]。供氧面罩增加防窒息活門(mén)，在應(yīng)急情況它可給飛行員供給周?chē)h(huán)境中的空氣，防止其窒息或溺水。美國(guó)海軍在面罩上都備有防窒息活門(mén),當(dāng)吸氣阻力增加到一定閾值(2 kPa)時(shí),防窒息活門(mén)便開(kāi)啟[1]。LSS(Life Support System)是波音公司為第四代戰(zhàn)斗機(jī) F-22 研制的生保系統(tǒng)，具有全面的綜合防護(hù)能力，并且較好地兼顧了飛行員的視野、舒適性、活動(dòng)性等，其供氧面罩也采用了防窒息/溺亡活門(mén)結(jié)構(gòu)[4]。開(kāi)展防窒息活門(mén)相關(guān)研究，是提高飛行員供氧安全必不可少的步驟。供氧面罩防窒息活門(mén)測(cè)試系統(tǒng)是研究防窒息活門(mén)特性及對(duì)人體影響不可缺少的手段。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

參考外軍同類(lèi)防窒息活門(mén)主要技術(shù)參數(shù)，防窒息活門(mén)測(cè)試裝置應(yīng)當(dāng)可完成面罩壓、通氣流量及開(kāi)啟壓力的測(cè)量。防窒息活門(mén)通常安裝于供氧面罩殼體下端，屬于在特定壓力下開(kāi)啟的吸氣活門(mén)，為保證正常供氧不受干擾，其吸氣阻力相對(duì)較高。過(guò)高的吸氣阻力增加會(huì)引起代償性呼吸頻率和幅度的增加，導(dǎo)致飛行員出現(xiàn)過(guò)度換氣，過(guò)度換氣達(dá)到一定程度時(shí)，機(jī)體出現(xiàn)呼吸性酸中毒[5]。為研究防窒息活門(mén)對(duì)人體呼吸模式影響，防窒息活門(mén)測(cè)試裝置還應(yīng)可完成吸氣阻力、通氣流量、通氣流量峰值、潮氣量、呼吸頻率等的分析統(tǒng)計(jì)。臧斌等人研制的KYCC-2007低壓艙氧氣裝備供氧參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，可完成面罩壓及呼吸流量的測(cè)量[6]。但無(wú)法完成防窒息活門(mén)開(kāi)啟壓力等主要指標(biāo)檢測(cè)，同時(shí)其采用PLC可編程控制器開(kāi)發(fā)，體積大，不便于在海上等外場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用。針對(duì)以上不足，文中防窒息活門(mén)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)采用 CompactDAQ平臺(tái)，采用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了對(duì)面罩壓、通氣流量及開(kāi)啟壓力等的測(cè)試系統(tǒng)，以滿(mǎn)足防窒息活門(mén)特殊測(cè)量使用需求。

在實(shí)驗(yàn)中為防止面罩腔意外進(jìn)水導(dǎo)致志愿者溺水，系統(tǒng)應(yīng)配置應(yīng)急閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其在面罩壓超過(guò)特定值后開(kāi)啟，為志愿者提供額外的供氣通道。

1.2 測(cè)量原理

面罩壓、通氣流量等可通過(guò)直接測(cè)量獲得，但呼吸氣阻力測(cè)量較為復(fù)雜。表達(dá)外加吸氣阻力大小比較規(guī)范的方法是：用維持空氣單位時(shí)間流率的壓力值來(lái)表示阻力值的大小,例如記作cmH2O·L-1·S[7]。馬瑞山等人報(bào)道呼吸阻力感覺(jué)與面罩壓波動(dòng)密切相關(guān)[8]。即評(píng)價(jià)防窒息活門(mén)對(duì)人體呼吸的影響時(shí)，吸氣阻力可通過(guò)測(cè)量面罩壓替代。通氣流量峰值、通氣量及潮氣量可使用通氣流量信號(hào)分析統(tǒng)計(jì)獲得；吸氣相面罩壓峰值、呼吸頻率通過(guò)面罩壓呼吸波動(dòng)分析統(tǒng)計(jì)獲得；額外呼吸功通過(guò)面罩壓及通氣流量計(jì)算獲得。

1.3 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

各參數(shù)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)范圍及精度如下：

1)面罩壓(P，mmH2O)：測(cè)量范圍-10～1 kPa，測(cè)量精度0.5%FS，介質(zhì)空氣；

2)流量(L,L/min)：測(cè)量范圍0～150 L/min，測(cè)量精度1%FS，介質(zhì)空氣；

3)流量峰值(VImax,L/min)：每吸氣相流量的極值，通過(guò)截取每吸氣相流量信號(hào)，并求得極值，統(tǒng)計(jì)范圍0～150 L/min；

4)潮氣量(VTI,L)：每次呼吸吸入氣的氣量，通過(guò)截取吸氣相流量信號(hào)，并對(duì)其積分，求得吸氣相潮氣量，統(tǒng)計(jì)范圍0～10 L；

5)呼吸頻率(f,次/min)：每分鐘呼吸次數(shù)，通過(guò)分析面罩壓呼吸波動(dòng)獲得，動(dòng)統(tǒng)計(jì)范圍0～60次/min；

6)通氣量(MV,L/min)：每分鐘呼吸吸入氣量，通過(guò)1 min內(nèi)的流量積分值獲得，統(tǒng)計(jì)范圍0～100 L/min；

7)吸氣相面罩壓峰值(PImax，mmH2O)：每吸氣相面罩壓的極值，通過(guò)截取每吸氣相面罩壓信號(hào)，并求得極值，統(tǒng)計(jì)范圍0～150 L/min；

8)額外呼吸功(cmH2O·L-1·S),附加阻力帶來(lái)的呼吸功，統(tǒng)計(jì)范圍0～150 cmH2O·L-1·S，在額外呼吸功的計(jì)算中：

W=F×L

F=P×S

其中:W為額外呼吸功;F為附加阻力;L為距離;P為面罩壓(口腔壓，面罩阻力);S為面積;V為體積;Q為流量。

即可用壓力與瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的積分求得額外呼吸功；

9)開(kāi)啟壓力(POx，mmH2O)：當(dāng)通過(guò)防窒息活門(mén)氣體流量達(dá)到規(guī)定值時(shí)，當(dāng)前面罩壓，即為開(kāi)啟壓力統(tǒng)計(jì)范圍0～-300 mmH2O。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為完成以上測(cè)量需求，系統(tǒng)主要由壓力、流量變送器、數(shù)據(jù)采集卡、無(wú)線信號(hào)傳輸模塊、上位計(jì)算機(jī)組成。

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)和功能要求，為降低干擾，面罩壓測(cè)量采用了電流型壓力變送器，輸出電流4～20 mA。

因系統(tǒng)流量檢測(cè)條件類(lèi)似呼吸機(jī)，流量傳感器的選擇依據(jù)以下原則：

1)對(duì)流過(guò)傳感器的空氣應(yīng)有靈敏和快速的反應(yīng)；

2)為測(cè)量開(kāi)啟壓力，在小流量下有較高的準(zhǔn)確性；

3)為測(cè)量通氣量，同時(shí)具有在大流量下良好的重復(fù)性[9]。

系統(tǒng)選用了Siargo Ltd 的FS105CL系列質(zhì)量流量傳感器。其具有靈敏度高使動(dòng)流量極小、量程比大、零點(diǎn)穩(wěn)定度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)計(jì)使用環(huán)境為醫(yī)療設(shè)備兼容環(huán)境。

信號(hào)采集本系統(tǒng)采用了基于NI CompactDAQ 的8槽以太網(wǎng)機(jī)箱。 CompactDAQ機(jī)箱專(zhuān)為小型便攜式傳感器測(cè)量系統(tǒng)而設(shè)計(jì), 可滿(mǎn)足惡略環(huán)境下的高速采集需求，并可靈活地與CompactDAQ I/O模塊配置使用，快速建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)配置NI-9263 8通道電流采樣模塊采集壓力傳感器電流信號(hào)，配置NI-9215 4通道電壓同步采樣模塊采集FS105CL系列質(zhì)量流量傳感器電壓信號(hào)及系統(tǒng)移動(dòng)電源電壓；配置 NI-9203 4通道模擬信號(hào)輸出模塊，控制兩路應(yīng)急閥門(mén)，在面罩壓超標(biāo)時(shí)迅速打開(kāi)，防止溺水，如圖1所示。本系統(tǒng)機(jī)箱采用通過(guò)無(wú)線模塊建立802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，連接到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了低成本的無(wú)線監(jiān)測(cè)。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)在LabVIEW2010平臺(tái)下進(jìn)行。包含DAQ采集，并使用選項(xiàng)卡控件區(qū)分零位設(shè)置、開(kāi)啟壓力測(cè)量、檢測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)回顧及統(tǒng)計(jì)幾個(gè)功能。根據(jù)使用需求，軟件總體流程如圖2所示。首先系統(tǒng)進(jìn)行自檢，確認(rèn)硬件配置正確，并開(kāi)啟系統(tǒng)電源監(jiān)控。對(duì)部分信號(hào)進(jìn)行調(diào)零設(shè)置，并根據(jù)任務(wù)需要選擇測(cè)試項(xiàng)目，配置測(cè)試參數(shù)。開(kāi)始測(cè)量任務(wù)后，可實(shí)時(shí)顯示各路信號(hào)，進(jìn)行呼吸頻率、通氣量、面罩壓峰值、開(kāi)啟壓力等的在線分析。

圖2 軟件總體流程

3.1 DAQ采集、輸出

DAQ采集輸出模塊完成了主要信號(hào)的轉(zhuǎn)換，由NI-9215、NI-9263完成AD轉(zhuǎn)換，NI-9203完成DA轉(zhuǎn)換。軟件采用NI提供的DAQ軟件包驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Express任務(wù)完成所需輸入輸出通道設(shè)置，包括采集模式、待讀取采樣、采樣頻率及換算等。之后對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行拆分，針對(duì)流量信號(hào)及壓力信號(hào)不同干擾特征分別進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算改變輸入信號(hào)所含頻率成分，或?yàn)V除某些頻率成分，與模擬濾波器相比數(shù)字濾波器具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、易改變等優(yōu)點(diǎn)[10]。LabVIEW數(shù)字濾波器可完成低通、高通、帶通、帶阻和平滑等模式的濾波，比傳統(tǒng)方式節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并可將其作為子程序在不同程序中調(diào)用，具有很強(qiáng)的通用性[11]。系統(tǒng)通過(guò)過(guò)濾Express VI進(jìn)行了數(shù)字濾波的配置，針對(duì)工頻干擾等采用低通無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)濾波器，Butterworth拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，3階設(shè)置，完成信號(hào)濾波。

在對(duì)比了SQL Sever與LabVIEW自帶的二進(jìn)制測(cè)量文件tdm或者tdms格式后，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選擇了后者。SQL Sever是微軟公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，適合大數(shù)據(jù)處理及分析。在兩種存儲(chǔ)方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，使用OLE DB建立SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)連接，系統(tǒng)采樣率在1 K時(shí)，直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不定時(shí)的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，在將每100組數(shù)據(jù)打包再進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，解決了數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。讀取數(shù)據(jù)時(shí)因SQL Sever讀取速度問(wèn)題，10 min數(shù)據(jù)約60萬(wàn)條需花費(fèi)超過(guò)130 s，不能滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。Tdms文件內(nèi)部核心是segment，當(dāng)程序只讀取其中一個(gè)數(shù)據(jù)段時(shí)可直接獲得而無(wú)需關(guān)心其他數(shù)據(jù)段的信息，其實(shí)際存儲(chǔ)速度可達(dá)372 MB/s[11]，遠(yuǎn)高于SQL Sever系統(tǒng)存儲(chǔ)速度。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，對(duì)存儲(chǔ)速度要求較高，采用了Tdms文件模式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。測(cè)量數(shù)據(jù)按需求寫(xiě)入測(cè)量文件，為便于存儲(chǔ)及后期數(shù)據(jù)處理，測(cè)量文件每分鐘重命名一次，即每分鐘的數(shù)據(jù)存為一個(gè)數(shù)據(jù)文件。

3.2 歷史數(shù)據(jù)回顧及統(tǒng)計(jì)

歷史數(shù)據(jù)回顧模塊主要用于歷史數(shù)據(jù)的回看及簡(jiǎn)單處理。打開(kāi)所需數(shù)據(jù)后，可通過(guò)游標(biāo)選擇所需數(shù)據(jù)段，進(jìn)行簡(jiǎn)單的查詢(xún)及分析處理，如圖3所示。

圖3 歷史數(shù)據(jù)回顧

統(tǒng)計(jì)模塊完成歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，包括每呼吸波面罩壓峰值、頻率，通氣量峰值、通氣量均值、頻率等呼吸參數(shù)。以及某段時(shí)間內(nèi)的面罩壓、通氣量峰值的分布情況，包括最大值、眾數(shù)、中值、均值標(biāo)準(zhǔn)差等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述硬、軟件設(shè)計(jì)方法，建立了基于CompactDAQ平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)量檢測(cè)，系統(tǒng)氣體壓力測(cè)量精度可達(dá)到0.5%FS；流量標(biāo)定采用3 L定量桶在低速、快速推桿情況求累積流量定標(biāo)，精度可達(dá)1%FS，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足測(cè)試需求。實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.1 防窒息活門(mén)測(cè)量驗(yàn)證

志愿者佩戴飛行頭盔、安裝防窒息活門(mén)的供氧面罩，無(wú)負(fù)荷，通過(guò)防窒息活門(mén)呼吸。防窒息活門(mén)入口端接系統(tǒng)流量傳感器，面罩腔接面罩壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)2 h。

實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)流量、面罩壓力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，由圖4可見(jiàn)，系統(tǒng)完整地記錄了人體平靜呼吸時(shí)的防窒息活門(mén)流量、面罩壓力曲線，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)了通氣流量峰值、潮氣量、通氣量及面罩壓峰值等數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)量驗(yàn)證實(shí)

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證

測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)以Tdms形式記錄，以當(dāng)前日期及實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)命名保存。系統(tǒng)采樣率設(shè)置1 K，兩通道，每分鐘數(shù)據(jù)量1 800 KB，存儲(chǔ)速度為0.029 MB/s，在系統(tǒng)承受范圍內(nèi)。如圖5所示，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存完整，流量、面罩壓力曲線完整；通氣流量峰值、面罩壓峰值等分布，及最大值、眾數(shù)、中值、均值標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)完整。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)攜帶方便、界面友好、便于使用，在防窒息活門(mén)測(cè)量的基礎(chǔ)上還可以滿(mǎn)足其他型號(hào)供氧面罩、供氧供氣系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量，獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。同時(shí)系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，適當(dāng)添置C模塊、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)可完成更多的工作。

系統(tǒng)在實(shí)際使用中也暴露了不足之處，野外環(huán)境使用中存在體積、重量偏大，漂浮性能差及攜行過(guò)程系統(tǒng)鋰電池?zé)o法通過(guò)機(jī)場(chǎng)安檢等。下步工作將針對(duì)以上問(wèn)題，簡(jiǎn)化功能，縮小體積、重量，加強(qiáng)防水設(shè)計(jì)，提高漂浮性能；改進(jìn)供電模式，達(dá)到機(jī)場(chǎng)安檢要求。

圖5 數(shù)據(jù)讀取及統(tǒng)計(jì)