一、便攜式呼吸機(jī)壓力檢測(cè)原理

便攜式呼吸機(jī)按照不同的通氣模式可以將呼吸機(jī)分為CPAP持續(xù)正壓通氣、Auto CPAP 自動(dòng)正壓呼吸機(jī)、BiPAP雙氣道壓力呼吸機(jī)三種模式。

CPAP:在這種模式下,呼吸機(jī)通過(guò)面罩向使用者輸送一個(gè)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(jī)通過(guò)傳感器判斷出患者的呼情況,包括呼吸動(dòng)作、呼吸是否暫停,呼吸氣流是否降低,根據(jù)患者的呼吸情況,自動(dòng)輸出變化的壓力,以最小的壓力輸出達(dá)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(jī),能夠輸出較高的吸氣壓力和較低的呼吸壓力在整個(gè)呼吸過(guò)程中,呼吸機(jī)與患者的呼吸接近同步。

二、呼吸機(jī)工作模式選擇

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)的睡眠呼吸機(jī)主要指標(biāo)就是自動(dòng)調(diào)壓,即根據(jù)患者的呼吸動(dòng)作的不同而自動(dòng)的調(diào)節(jié)呼吸機(jī)輸出壓力值,本方案設(shè)計(jì)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(jī),能夠輸出較高的吸氣壓力和較低的呼氣壓力具體表現(xiàn)為,通過(guò)傳感器判斷患者的呼吸動(dòng)作,當(dāng)患者在吸氣時(shí),呼吸機(jī)輸出正常的吸氣壓力,幫助患者呼吸,當(dāng)患者在呼氣時(shí),調(diào)整輸出一個(gè)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(gè)呼吸過(guò)程中,呼吸機(jī)的調(diào)整與患者的呼吸接近同步。患者在該種通氣模式下的整個(gè)呼吸過(guò)程都會(huì)比較順暢,舒適度會(huì)很高。

三、呼吸機(jī)技術(shù)需求參數(shù)

根據(jù)呼吸機(jī)技術(shù)指標(biāo)的要求,結(jié)合本論文的要求,設(shè)計(jì)本機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下:

①氣體壓力調(diào)節(jié)范圍:400Pa-2500Pa。

②氣體流量要求:當(dāng)管道壓力為800Pa時(shí),流量應(yīng)大于45L/min。

③風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停止方式:使用者戴上面罩后呼氣,當(dāng)呼氣壓力大于設(shè)定呼氣觸發(fā)壓力閾值時(shí),風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。摘下面罩并且滿(mǎn)足管道壓力為設(shè)定值60%以下超過(guò)30秒后,風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

④漏氣補(bǔ)償參數(shù):當(dāng)使用者佩戴面罩不當(dāng),或者面罩松動(dòng)時(shí),導(dǎo)致通氣管道內(nèi)壓力減小,導(dǎo)致實(shí)際壓力介于設(shè)定壓力值的65%--95%之間超過(guò)30秒時(shí),認(rèn)為出現(xiàn)漏氣情況,調(diào)整風(fēng)機(jī)壓力,將設(shè)定壓力值加上50 Pa。

⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ):數(shù)據(jù)存儲(chǔ)吋間應(yīng)超過(guò)30天。

四、呼吸機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

1、硬件組成

本設(shè)計(jì)中,呼吸機(jī)的組成部分主要有控制主機(jī),鍵盤(pán),顯示屏,壓力傳感器、面罩導(dǎo)管,報(bào)警系統(tǒng),存儲(chǔ)系統(tǒng)。根據(jù)預(yù)設(shè)定壓力值,風(fēng)機(jī)持續(xù)輸出一定水平正壓和流量的氣流,通過(guò)管路和面罩施加到病人的上呼吸道,通過(guò)正壓氣流保持病人的上呼吸道通暢。通過(guò)壓力傳感器對(duì)管道壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),根據(jù)壓力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷患者的呼吸情況,以便進(jìn)行對(duì)風(fēng)機(jī)的觸發(fā)控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓和漏氣補(bǔ)償?shù)墓δ堋：粑鼨C(jī)運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并在顯示屏中繪制實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn),同時(shí)將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中,為病人的治療提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

2、 LDO電路設(shè)計(jì)

在呼吸機(jī)設(shè)計(jì)中,風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)釆用直流5V穩(wěn)壓電源對(duì)呼吸機(jī)主板進(jìn)行供電,9V穩(wěn)壓電源分別經(jīng)過(guò)兩次降壓,產(chǎn)生5V和3.3V電壓。9V轉(zhuǎn)5V電路,采用理光公司的LDO穩(wěn)壓芯片R1191x。

3、 MCU電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的功能要求,主控制器需要有外圍功能,穩(wěn)定性強(qiáng),非常經(jīng)濟(jì),并且能夠支持操作系統(tǒng)的嵌入。在本方案中，我們選用了世強(qiáng)代理的性?xún)r(jià)比較高的瑞薩單片機(jī)作為MCU，其型號(hào)為R5F101AG。主控制器主要完成了與傳感器驅(qū)動(dòng)與通信、UATA通信、數(shù)據(jù)分析與處理。

4、SM9541壓力傳感器電路設(shè)計(jì)

氣道壓力檢測(cè)在呼吸機(jī)中起了重要的角色呼吸機(jī)向使用者通氣的過(guò)程中,通過(guò)壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè),輸送到控制器中,控制器可以判定使用者的呼吸狀況,進(jìn)而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,做出相應(yīng)的動(dòng)作處理。所以壓力的檢測(cè)相當(dāng)于呼吸機(jī)控制系統(tǒng)的一只眼睛,十分重要通常情況下壓力傳感器都是非線(xiàn)性器件,具有零點(diǎn)和溫度漂移,會(huì)導(dǎo)致信號(hào)輸出超出或低于按比例進(jìn)行的計(jì)算值。所以線(xiàn)性度好,較少溫度漂移的傳感器是壓力信號(hào)檢測(cè)的理想選擇。

在本設(shè)計(jì)中采用SMI公司的傳感器進(jìn)行壓力的實(shí)時(shí)采集,根據(jù)SM9541的手冊(cè),設(shè)計(jì)壓力檢測(cè)電路如圖所示:

SM9541系列為陶瓷基底貼裝高穩(wěn)定壓阻式壓力傳感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜電阻進(jìn)行零度校正、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償和靈敏度溫度補(bǔ)償，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)。

5、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

呼吸機(jī)的工作是就是通過(guò)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合通氣面罩向患者供氣,在使用時(shí)不僅需要保證通氣壓力和流量,還要盡量減小運(yùn)行過(guò)程中的噪音,否則會(huì)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(diǎn)的風(fēng)機(jī),同時(shí)需要滿(mǎn)足供電要求,能夠達(dá)到4000Pa以上,而且噪音不超過(guò)60分貝。

本設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓功能,具體表現(xiàn)為當(dāng)使用者吸氣時(shí),風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行,輸出需要的壓力和流量,當(dāng)使用者呼氣時(shí),風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行,防止使用者呼氣困難。所以風(fēng)機(jī)的運(yùn)行會(huì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的運(yùn)行過(guò)程。本機(jī)所需風(fēng)機(jī)控制功能有正向、運(yùn)行使能,閉環(huán)速度控制。我們采用邁來(lái)芯 MLX90283芯片，此芯片采用混合信號(hào)CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)，器件集成了帶動(dòng)態(tài)偏移取消的霍爾傳感器，控制邏輯和全橋輸出驅(qū)動(dòng)器。單線(xiàn)圈無(wú)刷直流振動(dòng)電機(jī)的單芯片解決方案。

6、運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)

由于設(shè)計(jì)要求中需要在呼吸機(jī)運(yùn)行時(shí)記錄使用者的呼吸壓力參數(shù),查看呼吸機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),判斷自己的病情,為患者的治療提供數(shù)據(jù)支持。呼吸機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)不能太少,數(shù)據(jù)越少越不能表現(xiàn)患者的呼吸狀況,所以本設(shè)計(jì)中壓力的存儲(chǔ)時(shí)間設(shè)計(jì)為6個(gè)月以上,所以系統(tǒng)需要很大的存儲(chǔ)空間, R5F101AG內(nèi)部的的flash只能用于存儲(chǔ)控制程序和參數(shù),所以需要外接存儲(chǔ)器。

7、時(shí)鐘電路

RTC時(shí)鐘電路使用Epson RX-8010SJ時(shí)鐘芯片進(jìn)行設(shè)計(jì), RX-8010SJ時(shí)鐘芯片是一種低功耗、數(shù)字I2C接口、帶有日歷和時(shí)鐘數(shù)據(jù)RAM、按BCD碼存取的時(shí)鐘/日歷芯片,它能夠提供年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)鐘日歷數(shù)據(jù)。EPSON的RX-8010SJ將32.768KHz的晶體和時(shí)鐘IC組合在一個(gè)封裝中, 并在出廠(chǎng)時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘精度調(diào)整,無(wú)需再進(jìn)行電路匹配和時(shí)鐘調(diào)整, 同時(shí)由于內(nèi)置晶體, 大大減少了PCB電路面積.

根據(jù)RX-8010SJ時(shí)鐘芯片資料,設(shè)計(jì)RTC時(shí)鐘電路如下圖。

五、呼吸機(jī)軟件算法

在本方案中，采用uc/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。任務(wù)調(diào)度如下圖所示

1、呼吸機(jī)控制流程

根據(jù)呼吸機(jī)設(shè)計(jì)要求,呼吸機(jī)控制的基本流程如下圖所示,主要包含人機(jī)交互界面顯示,風(fēng)機(jī)控制,呼吸壓力協(xié)調(diào)控制和參數(shù)存儲(chǔ)功能組成。

呼吸機(jī)上電后,進(jìn)入設(shè)置界面,用戶(hù)使用鍵盤(pán)配置呼吸機(jī)運(yùn)行參數(shù),如呼吸壓力,是否報(bào)警,是否自動(dòng)控制等,然后存儲(chǔ)配置參數(shù)。呼吸機(jī)的啟動(dòng)通過(guò)壓力觸發(fā),呼吸機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸通道壓力值,當(dāng)壓力值大于50Pa時(shí),觸發(fā)成功,啟動(dòng)呼吸機(jī)開(kāi)始運(yùn)行,具體操作時(shí),只需要用戶(hù)戴好呼吸面罩后,正常呼出一口氣即可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

呼吸機(jī)啟動(dòng)后,風(fēng)機(jī)的運(yùn)行不是簡(jiǎn)單的增大轉(zhuǎn)速到輸出設(shè)定壓力值,而是根據(jù)呼吸機(jī)設(shè)計(jì)功能要求,分為升壓運(yùn)行狀態(tài),穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),漏氣報(bào)警狀態(tài),漏氣補(bǔ)償狀態(tài),低通氣狀態(tài)以及停止運(yùn)行狀態(tài),另外呼吸機(jī)啟動(dòng)初始時(shí)默認(rèn)為空閑狀態(tài),通過(guò)用戶(hù)的配置,CPU根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的指令和動(dòng)作進(jìn)行判定,達(dá)到不同功能狀態(tài)的切換。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)確定后,CPU通過(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)壓力值,做出呼吸動(dòng)作的判斷,假如判斷使用者正在呼氣時(shí),為了避免使用者呼氣時(shí)受到風(fēng)機(jī)輸出壓力過(guò)大的阻礙,造成使用者呼氣不適,降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機(jī)輸出壓力值減小為400Pa。當(dāng)判斷使用者正在吸氣時(shí),則調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機(jī)輸出壓力值等于設(shè)定壓力值。

【結(jié)論】在本方案通過(guò)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),MCU通過(guò)壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),計(jì)算出壓力的實(shí)時(shí)變化率,根據(jù)壓力的變化率和呼吸時(shí)間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)根據(jù)使用者的呼吸動(dòng)作作對(duì)應(yīng)的輸出調(diào)整。

經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),我們?cè)O(shè)計(jì)的這款呼吸機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)患者的呼吸動(dòng)作不同,而自動(dòng)調(diào)整輸出壓力,人機(jī)同步性較好。壓力調(diào)節(jié)范圍込到0-4000Pa,其中2000Pa以下的運(yùn)行時(shí)噪音小于60分貝,滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)指標(biāo)中的功能和參數(shù)要求。