本應用說明概述了呼吸機系統，重點介紹了精確測量和可靠保護的系統設計。它討論了氣動通風系統的四個關鍵組成部分：供氣、氣流混合物、吸氣和呼氣系統。每個組件中都有各種傳感器，包括壓力、流量、濕度和溫度傳感器。這些傳感器提供反饋以精確控制電磁閥，以確保風量、壓力和空氣-氧氣混合物以指定的時間間隔輸送給患者。系統設計中包括多種故障安全功能和警報，以確保在任何條件下可靠運行。

介紹

現代呼吸機是一種機電設備，旨在以設定的間隔以指定的壓力和體積提供精確的空氣-氧氣混合物。呼吸機提供四種不同的模式來輔助和支持呼吸。這些模式的范圍從依靠呼吸機進行生命支持的患者的受控強制通氣到可以獨立呼吸的患者的持續氣道正壓通氣。基本模式包括：

Positive End-Expiratory Pressure (PEEP)

Continuous Positive Airway Pressure (CPAP)

Controlled Mandatory Ventilation (CMV)

Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation (SIMV)

為了以設定的體積和間隔提供精確數量的空氣-氧氣混合物，呼吸機系統需要精確測量四種模式中每一種的壓力、氣流和溫度。除了精確的氣流外，呼吸機還需要連續可靠地運行。為此，呼吸機系統需要處理任何類型的系統故障。這包括電源故障、系統故障和天然氣供應短缺。

本應用筆記描述了四個子系統的呼吸機系統框圖，包括氣體輸送系統、氣動氣體混合系統、吸入系統和呼氣系統。

氣體輸送系統

氣體輸送系統由氧氣罐和空氣罐組成，并帶有用于對空氣罐加壓的可選壓縮機。使用壓力傳感器監測各個儲罐壓力，以確保正確的氣體輸送。這需要針對精確的壓力傳感器讀數進行優化的可靠信號鏈解決方案。外部組件為壓力傳感器測量提供了最大的靈活性和準確性。例如，MAX11128是多通道12位SAR ADC，具有1Msps，與MAX4430低失真運算放大器和MAX6126等低噪聲基準配對，可提供非常精確的壓力測量。

該精密信號鏈可確保如果氣體供應低于設定壓力，系統將發出警報以更換儲罐。對于帶有可選壓縮機的通風機系統，系統可以控制壓縮機將空氣罐加壓到指定壓力。參見圖1。

圖1.呼吸機氣體輸送系統。

氣動氣體混合系統

高壓氣體通過空氣調節器，將氣體壓力降低到系統規格?？諝庵械难鯕夂考s為21%。為了根據個體患者的需要增加氧氣含量，需要精確控制螺線管，以精確管理空氣-氧氣混合物的百分比。這需要高精度的12位DAC，如MAX5702。

空氣中正確的氧氣百分比是空氣制備的一個方面。空氣混合物也需要加熱和加濕，以最大限度地提高舒適度。必須使用溫度傳感器IC如MAX31875精確測量空氣溫度。參見圖2。

圖2.氣動氣體混合系統

吸氣和呼氣系統

連接到患者的雙管系統以及壓力傳感器用于檢測呼吸模式并測量吸氣和呼氣期間的壓力。 在吸氣過程中，壓力傳感器在患者呼吸時檢測負壓。這會激活電磁閥以設定的速率和壓力釋放空氣-氧氣混合物。如果患者在設定的時間間隔內沒有呼吸，呼吸機將機械地提供呼吸。實時時鐘（RTC），如MAX31342，為計時提供精確的低功耗方案。

在呼氣過程中，呼吸機控制呼氣閥以控制呼氣過程中的壓力。通過使用傳感器讀數和電磁閥控制，該機構生成呼吸機系統的四種基本模式。參見圖 3。

圖3.吸氣和呼氣系統。

呼吸機系統的四種基本模式

呼氣末正壓 （PEEP） – 在這種模式下，當患者呼氣時通過控制閥門來維持呼氣壓力，以在呼氣結束時略微增加肺泡壓力。

持續氣道正壓通氣 （CPAP） – 在這種模式下，系統提供恒定的壓力，保持氣道暢通無阻，用于無需幫助即可呼吸的患者。

受控強制通氣 （CMV） – 在這種模式下，呼吸完全由呼吸機控制。以設定的間隔向患者提供設定的體積和壓力的空氣量。

同步間歇強制通氣 （SIMV） – 在這種模式下，呼吸機檢測到呼吸并向患者提供設定的體積和壓力。如果在設定的時間間隔內未檢測到呼吸，呼吸機將自動為患者提供空氣。

除了測量和控制空氣輸送所需的高精度外，還需要故障安全系統來確保連續可靠運行。

設計可靠的保護需要獨立的系統監控。許多現代微控制器集成了多種保護功能，包括掉電檢測、看門狗定時器和其他類型的保護機制。然而，更可靠的方案部署外部監控和看門狗定時器器件，如MAX16155，以獨立監測電源軌并確保軟件正常工作。

通過使用外部基本模擬IC，設計人員可以構建高精度和可靠運行的呼吸機。當今的醫用呼吸機系統需要精確測量壓力、氣流、濕度和溫度，以優化四種基本模式：CPAP、PEEP、CMV 和 SIMV。此外，呼吸機還需要連續、可靠地運行并處理任何類型的系統故障。為此，設計人員需要使用可靠的保護產品，包括監控和看門狗產品。

審核編輯：郭婷