一、便攜式呼吸機壓力檢測原理

便攜式呼吸機按照不同的通氣模式可以將呼吸機分為CPAP持續正壓通氣、Auto CPAP 自動正壓呼吸機、BiPAP雙氣道壓力呼吸機三種模式。

CPAP:在這種模式下,呼吸機通過面罩向使用者輸送一個恒定壓力值的氣流,這種模式適用于睡眠呼吸暫停或者睡眠中打鼾的患者。

Auto CPAP:在這種模式下,呼吸機通過傳感器判斷出患者的呼情況,包括呼吸動作、呼吸是否暫停,呼吸氣流是否降低,根據患者的呼吸情況,自動輸出變化的壓力,以最小的壓力輸出達到最佳的治療效果。

BiPAP:這是一種功能更加全面的雙氣道壓力呼吸機,能夠輸出較高的吸氣壓力和較低的呼吸壓力在整個呼吸過程中,呼吸機與患者的呼吸接近同步。

二、呼吸機工作模式選擇

根據項目設計要求,設計的睡眠呼吸機主要指標就是自動調壓,即根據患者的呼吸動作的不同而自動的調節呼吸機輸出壓力值,本方案設計采用雙水平通氣模式,即BiPAP通氣模式,在這種通氣模式下呼吸機,能夠輸出較高的吸氣壓力和較低的呼氣壓力具體表現為,通過傳感器判斷患者的呼吸動作,當患者在吸氣時,呼吸機輸出正常的吸氣壓力,幫助患者呼吸,當患者在呼氣時,調整輸出一個較低的呼氣壓力,使患者呼氣受阻減小,也就是在患者的整個呼吸過程中,呼吸機的調整與患者的呼吸接近同步。患者在該種通氣模式下的整個呼吸過程都會比較順暢,舒適度會很高。

三、呼吸機技術需求參數

根據呼吸機技術指標的要求,結合本論文的要求,設計本機的技術參數如下:

①氣體壓力調節范圍:400Pa-2500Pa。

②氣體流量要求:當管道壓力為800Pa時,流量應大于45L/min。

③風機啟動和停止方式:使用者戴上面罩后呼氣,當呼氣壓力大于設定呼氣觸發壓力閾值時,風機啟動。摘下面罩并且滿足管道壓力為設定值60%以下超過30秒后,風機自動停止運轉。

④漏氣補償參數:當使用者佩戴面罩不當,或者面罩松動時,導致通氣管道內壓力減小,導致實際壓力介于設定壓力值的65%--95%之間超過30秒時,認為出現漏氣情況,調整風機壓力,將設定壓力值加上50 Pa。

⑤數據存儲:數據存儲吋間應超過30天。

四、呼吸機硬件電路設計

1、硬件組成

本設計中,呼吸機的組成部分主要有控制主機,鍵盤,顯示屏,壓力傳感器、面罩導管,報警系統,存儲系統。根據預設定壓力值,風機持續輸出一定水平正壓和流量的氣流,通過管路和面罩施加到病人的上呼吸道,通過正壓氣流保持病人的上呼吸道通暢。通過壓力傳感器對管道壓力進行實時監測,根據壓力的監測數據判斷患者的呼吸情況,以便進行對風機的觸發控制,實現自動調壓和漏氣補償的功能。呼吸機運行過程中,對壓力值進行實時采樣并在顯示屏中繪制實時動態曲線,同時將采樣數據存儲到SD卡中,為病人的治療提供相應的數據支持。

2、 LDO電路設計

在呼吸機設計中,風機的驅動電源為9V,壓力傳感器和蜂鳴器所需電源為5V,MCU控制器以及外圍電路所需電源為3.3V,所以設計釆用直流5V穩壓電源對呼吸機主板進行供電,9V穩壓電源分別經過兩次降壓,產生5V和3.3V電壓。9V轉5V電路,采用理光公司的LDO穩壓芯片R1191x。

3、 MCU電路設計

根據設計的功能要求,主控制器需要有外圍功能,穩定性強,非常經濟,并且能夠支持操作系統的嵌入。在本方案中，我們選用了世強代理的性價比較高的瑞薩單片機作為MCU，其型號為R5F101AG。主控制器主要完成了與傳感器驅動與通信、UATA通信、數據分析與處理。

4、SM9541壓力傳感器電路設計

氣道壓力檢測在呼吸機中起了重要的角色呼吸機向使用者通氣的過程中,通過壓力的實時檢測,輸送到控制器中,控制器可以判定使用者的呼吸狀況,進而調整風機轉速,做出相應的動作處理。所以壓力的檢測相當于呼吸機控制系統的一只眼睛,十分重要通常情況下壓力傳感器都是非線性器件,具有零點和溫度漂移,會導致信號輸出超出或低于按比例進行的計算值。所以線性度好,較少溫度漂移的傳感器是壓力信號檢測的理想選擇。

在本設計中采用SMI公司的傳感器進行壓力的實時采集,根據SM9541的手冊,設計壓力檢測電路如圖所示:

SM9541系列為陶瓷基底貼裝高穩定壓阻式壓力傳感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜電阻進行零度校正、零點溫度補償和靈敏度溫度補償，采用恒壓源驅動。

5、風機驅動

呼吸機的工作是就是通過風機轉動結合通氣面罩向患者供氣,在使用時不僅需要保證通氣壓力和流量,還要盡量減小運行過程中的噪音,否則會打擾到使用者的休息。因此需要選用具有“緊湊、安靜、高效”等特點的風機,同時需要滿足供電要求,能夠達到4000Pa以上,而且噪音不超過60分貝。

本設計中需要實現自動調壓功能,具體表現為當使用者吸氣時,風機正常運行,輸出需要的壓力和流量,當使用者呼氣時,風機低速運行,防止使用者呼氣困難。所以風機的運行會是一個動態的運行過程。本機所需風機控制功能有正向、運行使能,閉環速度控制。我們采用邁來芯 MLX90283芯片，此芯片采用混合信號CMOS技術設計，器件集成了帶動態偏移取消的霍爾傳感器，控制邏輯和全橋輸出驅動器。單線圈無刷直流振動電機的單芯片解決方案。

6、運行參數存儲

由于設計要求中需要在呼吸機運行時記錄使用者的呼吸壓力參數,查看呼吸機中存儲的數據,判斷自己的病情,為患者的治療提供數據支持。呼吸機的運行數據不能太少,數據越少越不能表現患者的呼吸狀況,所以本設計中壓力的存儲時間設計為6個月以上,所以系統需要很大的存儲空間, R5F101AG內部的的flash只能用于存儲控制程序和參數,所以需要外接存儲器。

7、時鐘電路

RTC時鐘電路使用Epson RX-8010SJ時鐘芯片進行設計, RX-8010SJ時鐘芯片是一種低功耗、數字I2C接口、帶有日歷和時鐘數據RAM、按BCD碼存取的時鐘/日歷芯片,它能夠提供年、月、日、時、分、秒等時鐘日歷數據。EPSON的RX-8010SJ將32.768KHz的晶體和時鐘IC組合在一個封裝中, 并在出廠時進行時鐘精度調整,無需再進行電路匹配和時鐘調整, 同時由于內置晶體, 大大減少了PCB電路面積.

根據RX-8010SJ時鐘芯片資料,設計RTC時鐘電路如下圖。

五、呼吸機軟件算法

在本方案中，采用uc/OS-II系統進行設計。任務調度如下圖所示

1、呼吸機控制流程

根據呼吸機設計要求,呼吸機控制的基本流程如下圖所示,主要包含人機交互界面顯示,風機控制,呼吸壓力協調控制和參數存儲功能組成。

呼吸機上電后,進入設置界面,用戶使用鍵盤配置呼吸機運行參數,如呼吸壓力,是否報警,是否自動控制等,然后存儲配置參數。呼吸機的啟動通過壓力觸發,呼吸機實時監測呼吸通道壓力值,當壓力值大于50Pa時,觸發成功,啟動呼吸機開始運行,具體操作時,只需要用戶戴好呼吸面罩后,正常呼出一口氣即可實現啟動。

呼吸機啟動后,風機的運行不是簡單的增大轉速到輸出設定壓力值,而是根據呼吸機設計功能要求,分為升壓運行狀態,穩定運行狀態,漏氣報警狀態,漏氣補償狀態,低通氣狀態以及停止運行狀態,另外呼吸機啟動初始時默認為空閑狀態,通過用戶的配置,CPU根據風機運行狀態對應的指令和動作進行判定,達到不同功能狀態的切換。

風機運行狀態確定后,CPU通過實時的檢測壓力值,做出呼吸動作的判斷,假如判斷使用者正在呼氣時,為了避免使用者呼氣時受到風機輸出壓力過大的阻礙,造成使用者呼氣不適,降低風機轉速,使風機輸出壓力值減小為400Pa。當判斷使用者正在吸氣時,則調整風機轉速,使風機輸出壓力值等于設定壓力值。

【結論】在本方案通過壓力的實時監測,MCU通過壓力的實時數據,計算出壓力的實時變化率,根據壓力的變化率和呼吸時間切換來實現呼吸機根據使用者的呼吸動作作對應的輸出調整。

經過測試發現,我們設計的這款呼吸機能夠實現根據患者的呼吸動作不同,而自動調整輸出壓力,人機同步性較好。壓力調節范圍込到0-4000Pa,其中2000Pa以下的運行時噪音小于60分貝,滿足了設計指標中的功能和參數要求。