基于方艙醫(yī)院大規(guī)模應(yīng)急呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉怡昕，安曉峰（通信作者），王宇飛

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130052）

0 引言

目前，人工定時(shí)測(cè)量、檢查記錄，并繪制實(shí)時(shí)呼吸曲線依舊是各大醫(yī)院監(jiān)測(cè)病人呼吸情況的主要方式。這項(xiàng)工作不僅耗費(fèi)大量的人力資源，而且無(wú)法及時(shí)反饋病人的實(shí)時(shí)情況，很可能會(huì)錯(cuò)失治療最佳時(shí)間。為此，在深入了解了現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外部分呼吸監(jiān)護(hù)儀器原理之后，研究了一種以模擬生理壓值變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)的研究[1]。作為控制系統(tǒng)的單片機(jī)，它將在感應(yīng)到呼吸氣流后，完成模擬血氧飽和度值并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后由液晶顯示器等電子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和記錄，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的呼吸狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。該呼吸監(jiān)護(hù)儀可以隨時(shí)對(duì)病人的各項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)護(hù)、預(yù)測(cè)，從而為醫(yī)生提供應(yīng)急處理和治療方案的依據(jù)[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

■1.1 壓力傳感器

此設(shè)計(jì)中的壓力傳感器選用了含有單晶硅片半導(dǎo)體材料的壓阻式壓力傳感器。單晶硅片是由集成電路工藝制成的，當(dāng)表面的擴(kuò)散電阻受到外力作用時(shí)，其阻值與壓力會(huì)跟隨壓力的變化而變化。而這種壓阻元件就是在半導(dǎo)體材料的基片上選用了這種阻值與外界壓力成正比的擴(kuò)散電阻。研究表明只要一個(gè)系統(tǒng)能同時(shí)檢測(cè)到呼吸力學(xué)中的最基本的三個(gè)量：流量、壓力和時(shí)間，就能通過(guò)這三個(gè)基本物理量計(jì)算得到十多個(gè)呼吸的基本量，如呼吸頻率、吸氣呼氣時(shí)間比、峰值流量等。

■1.2 呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理

本設(shè)計(jì)的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種高性能的系統(tǒng)，主要由單片機(jī)系統(tǒng)、流量傳感器和壓力傳感器等組成，價(jià)格低廉，耗能少，效率高。流量傳感器內(nèi)部有一個(gè)微小限流孔，在呼吸氣流流過(guò)時(shí)，會(huì)感應(yīng)到一個(gè)壓力差，隨即將此壓力差傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器對(duì)呼吸道內(nèi)的氣體流量進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算。所以在使用呼吸監(jiān)護(hù)儀時(shí)，首先將流量傳感器與病人的呼吸道同呼吸機(jī)相連，兩路的氣流呼吸一路被各項(xiàng)儀器監(jiān)測(cè)，輸出壓力經(jīng)過(guò)壓力傳感器測(cè)量后發(fā)送信號(hào)，先后經(jīng)過(guò)放大、濾波處理，被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化狀態(tài)信息，再經(jīng)過(guò)相關(guān)程序的計(jì)算和波形特征識(shí)別，形成相應(yīng)的客觀參數(shù)和曲線[3]。

呼吸監(jiān)護(hù)主系統(tǒng)內(nèi)部原理圖，如圖1所示。

圖1 呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理圖

2 模擬電路部分

■2.1 放大電路設(shè)計(jì)

流量傳感器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)并傳遞信號(hào)，其內(nèi)部有一個(gè)限流裝置，它能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)出呼吸道內(nèi)的微弱氣流壓差。后續(xù)將此信號(hào)進(jìn)行先放大再濾波，以得到低噪聲呼吸生理信號(hào)。為避免模干擾，進(jìn)行阻抗匹配，系統(tǒng)采用儀用放大器結(jié)構(gòu)。

2.1.1 儀用放大器的介紹

儀用放大器由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成，即輸入級(jí)和輸出級(jí)，總輸出失調(diào)電壓等于輸入失調(diào)乘以增益加上輸出失調(diào)。盡管初始的失調(diào)電壓可以通過(guò)外部來(lái)調(diào)零，但失調(diào)電壓漂移則不能通過(guò)調(diào)整來(lái)消除．與一般運(yùn)放的失調(diào)電壓一樣，儀用放大器的失調(diào)電壓漂移也由兩部分組成，及輸入和輸出兩部分。每一部分均對(duì)總增益有影響，但當(dāng)增益提高時(shí)輸入部分的失調(diào)漂移將成為主要的誤差源，而輸出部分的影響可以忽略。

2.1.2 儀用放大器的工作原理

儀用放大器是在差動(dòng)放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種比較完善的放大器．作為已成型的儀用放大器，其內(nèi)部是由三個(gè)運(yùn)放和一些精密電阻構(gòu)成，低聲噪的放大低電平信號(hào)對(duì)后端數(shù)字信號(hào)處理和人體呼吸信息識(shí)別與計(jì)算都有非常重要的意義。并且其對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多種高性能，高功率，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著重要作用。例如，它的抗干擾能力和溫度穩(wěn)定性等。

■2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

國(guó)際上常見(jiàn)的有源濾波器高價(jià)格，低容量。且大容量硅閥技術(shù)尚未成熟，所以此設(shè)計(jì)中濾波電路用無(wú)源低通濾波電路。其截止頻率為：

可濾除各種高頻干擾，其放大倍數(shù)A≈1。

無(wú)源濾波器的原理:在濾除非線性用戶用電設(shè)備所產(chǎn)生的高次諧波，改善電流和電壓波形，提高電能質(zhì)量，解決諧波源對(duì)電網(wǎng)及用戶的污染，確保電網(wǎng)用戶的設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)還可補(bǔ)償用戶無(wú)功電力，提高功率因數(shù)和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。無(wú)源濾波器還能減少因諧波電流所造成的有功及無(wú)功電能損耗，對(duì)節(jié)約能源，充分利用設(shè)備容量，均有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

采用無(wú)源濾波的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)源濾波器現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于諧波治理。其相對(duì)有源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、濾波范圍廣、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高。

3 電源電路

壓力傳感器的輸出屬于電流驅(qū)動(dòng)型模擬信號(hào)。1.5mA的激勵(lì)電流對(duì)應(yīng)一定的壓力滿量程輸出，近距離輸出電壓一般為100～150mV。恒流激勵(lì)可提高測(cè)量精度，而適當(dāng)減小激勵(lì)電流可以擴(kuò)大測(cè)量范圍。本設(shè)計(jì)中采用直流穩(wěn)壓電源。

直流穩(wěn)壓電源能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。

4 系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程

呼吸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)前期為吸氣期，氣道內(nèi)氣體壓力增高，為流量傳感器提供第一個(gè)信號(hào)[4]。氣體經(jīng)各個(gè)呼吸道、腔室直接流向肺泡，導(dǎo)致肺泡內(nèi)氣壓大于大氣壓。呼氣時(shí)呼吸機(jī)管道與外界大氣相通，開(kāi)始被動(dòng)呼氣，氣體經(jīng)高壓流向低壓，直至肺內(nèi)氣壓與大氣壓相等。市場(chǎng)上普遍的鐘表式容量計(jì)的傳感器為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)風(fēng)葉。當(dāng)呼吸氣流推動(dòng)風(fēng)葉，使風(fēng)葉被迫轉(zhuǎn)動(dòng)，再根據(jù)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速計(jì)算并顯示每次通氣量。該系統(tǒng)所運(yùn)用的電子呼吸容量計(jì)的傳感器也是風(fēng)葉，不同的是該儀器通過(guò)紅外線探測(cè)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速，再經(jīng)一系列電子系統(tǒng)處理后在液晶顯示屏上以數(shù)字和圖形實(shí)時(shí)顯示潮氣量和分鐘通氣量，反饋病人此刻呼吸情況及身體狀況。

如圖2所示，氣體先經(jīng)流量傳感器，將轉(zhuǎn)化成的生理信號(hào)傳遞給壓力傳感器，單片機(jī)系統(tǒng)此時(shí)模擬血氧飽和度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電子呼吸容量計(jì)經(jīng)紅外探測(cè)，計(jì)算出氣流流速，壓差，潮氣量以及分鐘通氣量。液晶顯示屏隨即顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖形。

圖2 呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)流程圖

呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖，如圖3所示，其中潮氣量×呼吸頻率=每分通氣量。圖中右側(cè)，呼吸頻率19次/分，PEEP2cmHg，屬于人體正常數(shù)據(jù)。下側(cè)所標(biāo)潮氣量6.8ml/kg，CPAP持續(xù)氣道內(nèi)正壓通氣8cmHg。該設(shè)計(jì)同現(xiàn)如今平價(jià)品牌呼吸機(jī)，醫(yī)院臨床呼吸機(jī)進(jìn)行控制變量數(shù)據(jù)比對(duì)。結(jié)果表明，并無(wú)實(shí)質(zhì)性差異，且該設(shè)計(jì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)顯示更具體，更形象。

圖3 呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由模擬傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和部分集成電路共同構(gòu)成了該新型呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件部分。該系統(tǒng)可以通過(guò)上述硬件順利完成對(duì)壓力信號(hào)的放大、濾波，對(duì)呼吸頻率、峰值壓力、潮氣量等十多項(xiàng)實(shí)時(shí)呼吸力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，為醫(yī)療團(tuán)隊(duì)提供有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中，可以有效提高對(duì)患者呼吸監(jiān)護(hù)的程度，及時(shí)掌握患者肺呼吸能力，動(dòng)脈血?dú)馇闆r，幫助醫(yī)生診斷病人呼吸功能障礙類型和嚴(yán)重程度，對(duì)呼吸治療及時(shí)有效做出合理判斷。該系統(tǒng)可以為急診醫(yī)療和臨床醫(yī)療，提供切合實(shí)際的援助，為危重病人提供更高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)，使呼吸監(jiān)護(hù)不再滯后于心血管監(jiān)護(hù)，減少因呼吸因素所致的猝死，心跳驟停。此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度低，成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)和使用，并且減少了醫(yī)院資金投入，病人的醫(yī)療費(fèi)負(fù)擔(dān)。每一位病人都值得最好的醫(yī)療條件，監(jiān)護(hù)設(shè)備。