【正文】 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 38 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究（設(shè)計(jì)）工作的總結(jié)。并且人機(jī)交互系統(tǒng)也有待加強(qiáng)，需要設(shè)計(jì)的功能更加豐富、優(yōu)質(zhì)、便捷。本文對(duì)呼吸壓力檢測(cè)的方法做了詳細(xì)介紹，并對(duì)壓力傳感器進(jìn)行了硬件選型，這為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。在程序中，用大于比較函數(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果采集到的數(shù)據(jù)小于設(shè)定數(shù)據(jù)，大于比較函數(shù)輸出為假， LED 顯示綠色，如果采集到的數(shù)據(jù)大于設(shè)定數(shù)據(jù)，大于比較函數(shù)輸出為真， LED 顯示紅色，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。添加后的數(shù)組賦值給波形圖控件用于顯示讀取到的數(shù)據(jù)變化。當(dāng)串口通信結(jié)束后，需要用 VISA 關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉 VISA 資源名稱(chēng)指定的設(shè)備會(huì)話(huà)句柄或事件對(duì)象。每次讀取完串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)后需要用 VI 設(shè)備清零函數(shù)把串口 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)清除?？梢栽O(shè)置上限壓力和上限頻率，當(dāng)采集到的壓力數(shù)據(jù)或頻率數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值，軟件會(huì)進(jìn)行報(bào)警提醒。 J1 為與 PC 機(jī)相連接口，其中的 +5V為 PC 機(jī) USB 口提供，為系統(tǒng)提供電源，經(jīng)過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)化為 ，為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供電能。其性能如下： （ 1）通信數(shù)據(jù)的寬度可選 7 位或 8 位； （ 2） 8 位波特率發(fā)生器，允許設(shè)置任意大小波特率； （ 3）最大傳輸率為 625kbps； （ 4）同步中斷區(qū)域發(fā)送長(zhǎng)度 13~20 位； 本系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)寬度為 8 位，采用的波特率為 9600，且僅僅向 RS485 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并不接收數(shù)據(jù)。 圖 35 次級(jí)放大電路 信號(hào)經(jīng)放大以后得到的模擬信號(hào)可反映呼吸氣流溫度變化，該信號(hào)可直接送到單片機(jī)的 A/D端，由軟件系統(tǒng)來(lái)識(shí)別信號(hào)的波形變化。本系統(tǒng)選用 Linear公司的 LTC69101 低噪聲數(shù)字可編程放大器作為初級(jí)放大。 ② 端電極采用三層電鍍具有優(yōu)良的可焊性及耐熱沖擊性 ,適合波峰焊及再流焊。 （ 2）檢測(cè)靈敏度較好。這不僅使操作者感到輕松自如， 而且可減少用戶(hù)誤操作的可能性。首先用戶(hù)調(diào)好模擬單片機(jī)串口的端口，點(diǎn)擊測(cè)量，系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，顯示波形。 Protel 99 SE 簡(jiǎn)介 Protel 99 SE 主要由兩大部分組成。研究呼吸系統(tǒng)的力學(xué)問(wèn)題，是希望能有助于對(duì)呼吸生理和病理的了解，因此研究的重點(diǎn) 就在于呼吸力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。 主要元件的工作原理：流量傳感器上有兩通道，大的通道為主通道，小的通道為測(cè)量孔。進(jìn)氣子系統(tǒng)、活塞 /汽缸子系統(tǒng)、吸氣管路子系統(tǒng)和患者管路子系統(tǒng)的作用是為患者提供空氣和氧氣的吸入和呼出通道，提供壓力過(guò)高氣體排放通道，對(duì)吸入通道和呼出通道進(jìn)行切換，并且對(duì)患者吸氧濃度及潮氣量進(jìn)行控制和檢測(cè)； PEEP 子系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氣箱和 PEEP 泵構(gòu)成，主要作用是產(chǎn)生用戶(hù)設(shè)定的 PEEP；呼氣子系統(tǒng)包括呼氣單向閥組件、呼氣加熱器組件、呼氣溫度傳感器組件、呼氣閥組件、呼氣流量傳感器組件等，其作用是提供呼出通道，并且監(jiān)測(cè)呼出潮氣量和呼出氣體溫度 [6]?？焖兕A(yù)熱設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確完成呼吸機(jī)/麻醉呼吸機(jī)雙向壓力、流量、容積、呼吸頻率、濕度、溫度、氧濃度等參數(shù)的測(cè)量。 技術(shù)參數(shù)： （ 1）間歇正壓通氣頻率： 6～ 60 次 /分 （ 2）呼吸比值： 1： 1～ 1： 3 （ 3）潮氣量： 100～ 1500ml/次 （ 4）輸出氣體氧濃度： 40%～ 76%可調(diào) （ 5）吸氣時(shí)間顯示： ～ 2s （ 6） IPPV吸氣流量： ～ 深圳 邁瑞公司 SynoVent E3 呼吸機(jī) SynoVent E5 呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 7 圖 15 SynoVent E3 呼吸機(jī) 圖 16 SynoVent E5 呼吸機(jī) 氣道阻力、順應(yīng)性及呼吸功等參數(shù)的測(cè)定，充分監(jiān)測(cè)病人呼吸力學(xué)的變化，為治療方案的制定、治療效果的評(píng)定提供了更完善的依據(jù)。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)呼吸機(jī)的研制起步較晚， 1958 年在上海制成鐘罩式正負(fù)壓呼吸機(jī)。有研究者通過(guò)記錄呼吸時(shí)鼻腔聲音的變化來(lái)監(jiān)護(hù)嬰兒的睡眠呼吸暫停綜合征。 圖 12 人體阻抗模型 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 4 圖 13 基于諧振的耦合呼吸檢測(cè)電路 呼吸氣流檢測(cè) 在目前使用的中高檔呼吸機(jī)中， 作為容量和流量檢測(cè)部件的流量傳感器已經(jīng)廣泛使用。該方法要求傳感器緊貼在小兒肚臍上，小兒呼吸時(shí)傳感器產(chǎn)生壓力變化，從而測(cè)得小兒的呼吸頻率。 呼吸作用除了受主觀(guān)因素影響外，還要受客觀(guān)因素影響，一般工作量越大，呼吸作用就 會(huì)越快。所以，人體的呼吸系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)能量供給來(lái)源以及體內(nèi)空氣凈化器。 研究意義 人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的總過(guò)程，稱(chēng)為呼吸（ respiration）。 系統(tǒng)軟件采用 LabVIEW 圖形編程。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 第 14 周工作內(nèi)容：撰寫(xiě)論文 具體要求：論文、說(shuō)明書(shū)。 對(duì)設(shè)計(jì)的軟，硬件部分進(jìn)行調(diào)試和控制，完成預(yù)期目標(biāo)效果。通過(guò)對(duì)人體呼吸功能及狀況進(jìn)行檢測(cè)，就可發(fā)現(xiàn)并預(yù)防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病變，及時(shí)了解病情和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)癥治療來(lái)保持人體的健康和平衡。 北京 呼吸信號(hào)檢測(cè)方法研究 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 1 北京石油化工學(xué)院 學(xué)位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議 論文《 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 》系本人在北京石油化工學(xué)院學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過(guò)論文答辯。公開(kāi)級(jí) 學(xué)位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。 工作要求： 查閱大量文獻(xiàn)資料，結(jié)合系統(tǒng)硬件和軟件編程相關(guān)原理，深入理解并進(jìn)行研究分析，并提出呼吸那信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 第 4 周工作內(nèi) 容：外文資料的整理、翻譯 具體要求： 2 萬(wàn)字符的外文資料。本課題主要對(duì)現(xiàn)有的呼吸信號(hào)的檢測(cè)方法和應(yīng)用情況進(jìn)行了討論，并且對(duì)呼 吸信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的 研制進(jìn)行了簡(jiǎn)單地研究。現(xiàn)代監(jiān)護(hù)技術(shù)要求連續(xù)監(jiān)測(cè)各種生理參數(shù)，做到無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，盡可能減少不適感，無(wú)過(guò)敏反映，這其中需要解決的問(wèn)題頗多。 呼吸信號(hào)常用的檢測(cè)方法 呼吸信號(hào)簡(jiǎn)介 呼吸 (Res Piration，簡(jiǎn)稱(chēng) RSP)是指人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的總過(guò)程。 呼吸作用存在個(gè)體差異性，不同的個(gè)體其，呼吸狀況會(huì)有所不同，呼吸的速率、幅度分布范圍和分布特點(diǎn)也會(huì)有點(diǎn)不同。 壓力檢測(cè) 壓力式檢測(cè)方法利用壓力傳感器檢測(cè)這種周期性形變，進(jìn)而檢測(cè)呼吸頻率。 如圖 12，它具有無(wú)創(chuàng)、安全、簡(jiǎn)單、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)， 但是比較容易受到人體心電和肌電等其他運(yùn)動(dòng)信號(hào) 的干擾， 從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。 另一種是壓力應(yīng)變感應(yīng)式流量傳感器， 它是在呼吸回路中分出一個(gè)很小的并行支氣路，利用此通道進(jìn)行壓力測(cè)量。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 發(fā)展歷程 第 1 代源于 19～ 20 世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)和功能均較簡(jiǎn)單，如鐵肺、胸甲呼吸機(jī)和壓差室呼吸機(jī)。通氣模式為常用的基本通氣模式，基本上能夠滿(mǎn)足臨床使用要求。 圖 17 PF300 型呼吸機(jī)質(zhì)量檢測(cè)儀 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 8 測(cè)試軟件 FlowLab 提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測(cè)、圖表式精細(xì)化分析以及趨勢(shì)記錄功能。 國(guó)外的呼吸檢測(cè)儀器 美國(guó)泰科公司研制的 PB760 呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 9 圖 19 Puritan Bent? 760 呼吸機(jī) 其具有標(biāo)準(zhǔn)化的流量觸發(fā)及精確的氣體傳輸，采用先進(jìn)的無(wú)摩擦伺服閥作為氣體輸送系統(tǒng)，使呼吸機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，并且操作界面直觀(guān)方便。 德國(guó)西門(mén)子公司研制的 900C 呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 10 圖 110 900C 呼吸機(jī) 900C 呼吸機(jī)以控制精確度高、性能穩(wěn)定、故障率低而聞名，因而在各大醫(yī)院應(yīng)用也較為廣泛。而通過(guò)吸氣流量傳感器的空氧混合氣體，是干燥氣體，其加熱電阻沒(méi)被通電，所以就不會(huì)有熱的感覺(jué) [7]。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 13 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件部分 硬件電路系統(tǒng)組成 圖 21 呼吸信號(hào)硬件總體框架圖 本文設(shè)計(jì)的呼吸信號(hào)檢測(cè)硬件系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確性較高、成本低、體積始終的特點(diǎn)。操作簡(jiǎn)單還擁有如此強(qiáng)大的功能使得 Protel 99 SE 軟件滿(mǎn)足了絕大多數(shù)電子電路設(shè)計(jì)者的需求。 LabVIEW 簡(jiǎn)介 為了簡(jiǎn)化操作和提高開(kāi)發(fā)及操作效率，本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理軟件采用虛擬儀器LabVIEW 來(lái)開(kāi)發(fā)。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 16 第三章 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 呼吸信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳感器模塊 傳感器模塊分為兩部分，分別是檢測(cè)呼吸壓力和呼吸頻率。本文選擇 HoneywenSursenseDC010NDC4 作為采集呼吸壓力信號(hào)的傳感器，傳感器的實(shí)物圖如圖 31 所示。 在本設(shè)計(jì)中我們用的是直流單臂電橋接法，如圖 所示，其中一個(gè)電阻為傳感器 ,我們將此電橋叫單臂電橋，現(xiàn) 假定 R1不感受應(yīng)變時(shí)，可調(diào)整某一個(gè)固定電阻使其輸出為零（必然滿(mǎn)足 R1R3=R2R4）。 LT6202 是一款低噪聲、低成本的運(yùn)算放大器芯片，其性能特性如下： （ 1）工作電壓： ～ ； （ 2）輸入偏移電壓： ； （ 3）輸入 噪聲： 8nV/ Hz； （ 4）的電源電壓敏感度； （ 5）偏置電壓： 本系統(tǒng)所用的 LT6202 芯片的 5 管腳 SOT 封裝。 圖 36 單片機(jī)模塊 1 腳 VSS 接地（模擬接地） ， 5 腳接電源（模擬電源），它通過(guò)一個(gè)電感 L13 與電源 VCC 連接，電感的作用是濾除電源 VCC 里的干擾信號(hào)，得到相對(duì) “ 干凈 ” 的電源 VCC1；同理，通過(guò)電感 L4 連接 VCC1，模擬參考電壓端口 AVREF 接入更 “ 干凈 ” 的參考電源信號(hào)； RESET 為芯片復(fù)位管腳，與 X1， X2 一起作為程序下載口：P P31 和 P40 作為 IO 口控制 LTC69101 的放大總數(shù)；單片機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端口 AIN0與次級(jí)放大器輸出端口相連；串口 RXD TXD6 和 P42 端口與 RS485 模塊相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)串口發(fā)送功能。任何時(shí)刻， “ 接收 ” 和 “ 發(fā)送 ”只能有一個(gè)處于工作狀態(tài)，在本系統(tǒng)中， RS485 模塊只處于發(fā)送狀態(tài)，由單片機(jī)向PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 C1 C14 為濾波電容，為輸入電壓濾波； C1 C12 和 C29 也為濾波電容，濾波輸出電壓中的干擾噪聲。串口配置界面如圖 43 所示，程序框圖如圖 44 所示。 圖 45 字符串發(fā)送程序 字符串發(fā)送成功后需要等待 100 毫秒時(shí)間以便下位機(jī)獲取并上傳數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)， VISA Bytes at Serial Port 查詢(xún)當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)后賦值給VISA 讀取函數(shù)的字節(jié)總數(shù)輸入接口，當(dāng) VISA 讀取函數(shù)讀取滿(mǎn)字節(jié)總數(shù)輸入接口的字節(jié)數(shù)后就停止讀取，把讀取到的字符串輸出。把第一位之后的字符串用分?jǐn)?shù) /指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)數(shù)形式。 圖 49 波形圖顯示界面 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 32 圖 410 壓力和頻率實(shí)時(shí)顯示界 面 圖 411 波形和數(shù)據(jù)、字符串顯示程序 上限報(bào)警 軟件能對(duì)采集到的壓力和頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果高于設(shè)定的壓力和頻率值時(shí)則會(huì)進(jìn)行報(bào)警，采集數(shù)據(jù)正常時(shí) LED 顯示綠色，采集數(shù)據(jù)超過(guò)上限后 LED 顯示紅色。 本課題通過(guò)對(duì)呼吸信號(hào)參數(shù)特點(diǎn)的分析，完成了 A/D 采樣、 I/0 接口、串口通訊等單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)模擬測(cè)量開(kāi)關(guān)、呼吸信號(hào)正常與否的判定。 4．完成 了系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)和調(diào)試。林老師豐 富的經(jīng)驗(yàn)給我留下了深刻的印象，在老師的嚴(yán)格要求、和無(wú)微不至的關(guān)懷下，我在研究生期間沒(méi)有絲毫的松懈，本論文的完成也凝聚了他的辛勤汗水和智慧。 。 我要衷心地感謝我的導(dǎo)師林順英老師，在課題研究期間，始終得到林老師的悉心指教，許多思想都是在她的啟發(fā)和指導(dǎo)下得以付諸實(shí)現(xiàn)和完善。 3．完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)、器件的選型和調(diào)試。呼吸信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)、處理及顯示系統(tǒng)是高端監(jiān)護(hù)儀和呼吸機(jī)的重要組成部分。同時(shí)采集到的代表壓力或頻率的字符串會(huì)顯示在對(duì)應(yīng)的字符串顯示控件中，經(jīng)過(guò)字符串到數(shù)值轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)也會(huì)顯示在儀表控件中，方便實(shí)時(shí)查看壓力和頻率數(shù)據(jù) 。利用搜索 /拆分函數(shù)，把偏移量設(shè)置為 1，即為把字符串的第一位拆分出來(lái)，在匹配之前的子字符串輸出接 口輸出，第一位之后的字符串在匹配 +剩余字符串輸出接口輸出。當(dāng)壓力頻率單選控件選擇是頻率時(shí)，該控件輸出為 2，條件結(jié)構(gòu)輸出字符串 “ 2” ，該字符串利用 VISA 寫(xiě)入函數(shù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)接收到的字符串返回采集到的頻率數(shù)據(jù)。 串口配置利用 VISA Configure Serial Port 完成串口參數(shù)的配置 ，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、和流控等。 OUT 為電壓輸出端口，輸出穩(wěn)定的電壓，本系統(tǒng)輸出 穩(wěn)定電壓。 單片機(jī) IO 口 P42 與 RS485芯片 RE 與 DE 兩個(gè)引腳相連。本系統(tǒng)選取 NEC 系列的 UPD78F9222 型單 片機(jī)，該型芯片只有 20 個(gè)管腳，其功能和特性包括：