【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 廣泛使用。流量傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體或液體在單位時(shí)間里流過某一固定橫截面積的流體速度， 流速與管道橫截面積的乘積等于流量。用于測(cè)量流量的傳感器很多，目前主要有測(cè)壓式、熱絲式和超聲式三種， 基本都是專門設(shè)計(jì)用于醫(yī)用儀 器的探測(cè)部件， 在臨床呼吸機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)有近 20 年歷史 [10]。 這類流量傳感器主要包含兩種：一種是壓差式流量傳感器。但是這類傳感器在很低流量的范圍內(nèi)檢測(cè)曲線呈非線性，需要根據(jù)檢測(cè)范圍配置軟件校正來(lái)提高使用范圍。 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。這種流量傳感器制造工藝相對(duì)復(fù)雜一些、成本高。 呼吸聲音檢測(cè) 該方法是將一個(gè)微型的拾音器放置在呼吸道 附近或喉上對(duì)聲音的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后通過頻譜分析估計(jì)出呼吸聲音的大小。有研究者通過記錄呼吸時(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。 Corbishlev 等提出了一個(gè)微型的、可穿戴的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將拾音器放置在衣領(lǐng)處獲取呼吸聲音。由于呼吸聲音比較小，通過該方法檢測(cè)呼吸容易受其他不相關(guān)聲音的干擾，如夢(mèng)囈、吞咽、咳嗽及鼾聲等，因此需要從強(qiáng)背景下提取弱信號(hào)。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 5 由心電獲得呼吸信號(hào) 由心電獲取呼吸信號(hào)是目前仍在探索的一種方法 [9]。由于呼吸運(yùn)動(dòng)能夠引起心電圖中的心率和 QRs 波群發(fā)生周期性波動(dòng)，可通過分析心電信息和心電向量圖來(lái)獲得呼吸信息，而呼吸頻率是從對(duì)呼吸信號(hào)的功率譜分析中估算出來(lái)的。 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)。 第 2 代上世紀(jì) 60 年代后，電子技術(shù)開始滲入呼吸機(jī)，使其有了較好的同步功能、通氣 方式及報(bào)警功能，如紐邦 E100 型呼吸機(jī)等。 第 3 代上世紀(jì) 80 年代后，尤其是進(jìn)入 90 年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使呼吸機(jī)的性能得到進(jìn)一步的完善，使之具備了全面的報(bào)警功能及各種監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)，如 SIEMENS300、 Bird8400、 Bear1000、 DragerEvita2 等呼吸機(jī) [3]。 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)。 1971年制成電動(dòng)時(shí)間切換定容呼吸機(jī)。直到 20 世紀(jì) 90 年代 中末期開始，國(guó)產(chǎn)呼吸機(jī)的開發(fā)力度才有所加大，質(zhì)量得到了普遍提高。目前，國(guó)產(chǎn)呼吸機(jī)在技術(shù)上大多數(shù)還處于借鑒和模仿國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)，在功能質(zhì)量方面，尤其是在可靠性上落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。目前大部分關(guān)鍵元部件還是以 “ 拿來(lái)主義 ” 的方式為主。通氣模式為常用的基本通氣模式，基本上能夠滿足臨床使用要求。 國(guó)內(nèi)的呼吸機(jī)主要有北京航天長(zhǎng)峰股份有限公司的 ACM803 呼吸機(jī)、浙江紹興三五儀表廠的 KTH型系列呼吸機(jī)、揚(yáng)州市寧泰醫(yī)療設(shè)備廠的 HVJ 型系列呼吸機(jī)、江蘇凱泰醫(yī)療設(shè)備有限公司的 HVJ880C 呼吸機(jī)、由南昌飛機(jī)制造公司飛機(jī)設(shè)計(jì)研究 所研制的 XHCIA 型程控雙向噴射呼吸機(jī)和 XHYIA 型仙鶴牌應(yīng)急噴射呼吸機(jī)、江西特力麻醉呼吸設(shè)備有限公司的 TPR4000 電腦多功能呼吸機(jī)、上海醫(yī)療器械廠的 SC 型系列呼吸機(jī)，以及山東淄博科創(chuàng)電子有限公司的 KCH606 型系列呼吸機(jī) [4]。 國(guó)內(nèi)的呼吸檢測(cè)儀器 江西特力麻醉呼吸設(shè)備有限公司 TPR4000 電腦多功能呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 6 圖 14 TPR4000 電腦多功能呼吸機(jī) 它采用了國(guó)外先進(jìn)呼吸設(shè)備的伺服呼氣閥的技術(shù)，使呼氣切換靈敏，阻力甚小，減少了呼吸氣過程中機(jī)械死腔。 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)。實(shí) 時(shí)描記各種呼吸曲線、呼吸環(huán)，且每個(gè)呼吸環(huán)可存儲(chǔ)、對(duì)比，幫助醫(yī)生判斷病情發(fā)展的治療效果?？膳鋫浜魵饽?CO2模塊，連續(xù)、動(dòng)態(tài)地顯示 EtCO2的數(shù)值及波形，實(shí)時(shí)觀察患者呼吸功能狀況和動(dòng)態(tài)變化。 技術(shù)參數(shù)： （ 1）潮氣量 252500ml （ 2）峰流速 3150L/min(1BW24kg)、 360L/min(1BW 24kg) （ 3）吸氣壓力 590cmH2O （ 4）吸氣時(shí)間 秒 （ 5）吸呼比 149： 11： 249 奧利科公司 PF300 型呼吸機(jī)質(zhì)量檢測(cè)儀 功能： PF300 集成 最精確的傳感器技術(shù)，采用人性化的界面設(shè)計(jì)，提供全功能的圖形化分析功能，旨在為呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、流量表、壓力表類設(shè)備提供可靠和精確的測(cè)量，從而有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。 PF300 具備雙向流量、壓力、溫度、濕度和氧氣濃度測(cè)量能力。 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。主機(jī)內(nèi)置溫度傳感器、濕度傳感器，自動(dòng)測(cè)量氣體溫度、濕度，并實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的自動(dòng)補(bǔ)償，確保證流量測(cè)量的高精度，尤其是小流量、小壓力的穩(wěn)定測(cè)量，是 PF300 的突出優(yōu)勢(shì)。 CITREX H4 呼吸機(jī) /麻醉呼吸機(jī)質(zhì)量檢測(cè)儀 功能： 圖 18 CITREX H4 呼吸機(jī) 小巧、便攜、觸摸式彩屏設(shè)計(jì)，智能化操作。快速預(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。主機(jī)內(nèi)置溫度傳感器，自動(dòng)測(cè)量氣體溫度，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償，保證流量測(cè)量精度。 測(cè)試軟件 Webserver 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。 目前國(guó)內(nèi)監(jiān)護(hù)儀呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)多采用阻抗法 ，只能測(cè)量呼吸頻率，不能反映呼吸通道的流量、壓力和病人呼吸的氣體容積等生理參數(shù)，對(duì)于在機(jī)械輔助通氣過程中可能給病人造成氣壓傷、容積傷和肺膨脹不全等不良作用的氣道狀態(tài)不能進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) [5]。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外呼吸機(jī)專業(yè)廠商主要有美國(guó) Puritan Bent 公司、 Bear Medical systems 公司、 3M Bird 公司、 Respironics 公司和 Newport 公司、西德 Siemens 公司、法國(guó) Taema公司、德國(guó)的 Drager 公司等。 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，并且操作界面直觀方便。所以，從研發(fā)至今 10 多年仍在國(guó)內(nèi)大、中型醫(yī)院中被廣泛應(yīng)用。 組成及結(jié)構(gòu)原理： PB760 呼吸機(jī)主要由氣路系統(tǒng)和電路系統(tǒng) 2 部分組成。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]。 電路系統(tǒng)的作用 是接受用戶對(duì)呼吸參數(shù)的輸入，控制氣路系統(tǒng)的工作和監(jiān)測(cè)患者的呼吸參數(shù)。 缺點(diǎn)：氧濃度監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確。當(dāng)氧濃度設(shè)置為 21%時(shí)，監(jiān)測(cè)顯示為 18%；當(dāng)氧濃度設(shè)置為 50%時(shí)，監(jiān)測(cè)顯示為 42%。氧濃度越往上調(diào)，偏差越大。 德國(guó)西門子公司研制的 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。主 要由氣動(dòng)單元、電子單元兩大部分組成。氣動(dòng)單元由壓力傳感器、流量傳感器、空氣混合器等精密的元器件組成。 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。在主通道上加有金屬網(wǎng)，這樣當(dāng)有氣體流過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的阻力迫使部分氣體通過測(cè)量孔，產(chǎn)生一定的壓力，從而使晶體傾斜，引起晶體兩端電阻偏移。根據(jù)晶體兩端的電阻變化，可得到相應(yīng)的壓力信號(hào)，由壓力信號(hào)再換算成流量信號(hào)。 900C 呼吸機(jī)內(nèi)有呼氣流量傳感器及吸氣流量傳感器。這是為了防止病人呼出氣體中的水汽在呼氣流量傳感器上凝結(jié)，影響測(cè)量的準(zhǔn) 確度，因而呼出流量傳感器在使用過程中，加熱電阻被通電加熱。而通過吸氣流量傳感器的空氧混合氣體，是干燥氣體，其加熱電阻沒被通電，所以就不會(huì)有熱的感覺 [7]。 美國(guó)紐邦 150 型呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 11 圖 111 150 型呼吸機(jī) 其結(jié)構(gòu)緊湊、可移動(dòng)、操作簡(jiǎn)單、功能多、應(yīng)用范圍廣、易于維護(hù)等特點(diǎn)，深受臨床醫(yī)務(wù)人員的喜歡，在臨床上有著大量的使用。 技術(shù)參數(shù)： （ 1）峰壓： 080cmH2O （ 2）潮氣量范圍： 53000ml （ 3） PEEP（呼氣末正壓）： 045 （ 4）吸 /呼比： 1： 994： 1 Taema 公司的 Taema Horus 呼吸機(jī) 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 12 圖 112 Taema Horus 呼吸機(jī) 技術(shù)參數(shù)： （ 1）潮氣量： 201500 毫升 （ 2）峰值流量： 250 升 /分鐘 （ 3）呼吸頻率 480 次 /分鐘 （ 4）吸氣時(shí)間呼吸周期的 2080% （ 5）吸氣平臺(tái)吸氣時(shí)間的 060% 近年來(lái)，呼吸力學(xué)是以工程學(xué)的觀點(diǎn)和方法研究呼吸生理學(xué)中呼吸系統(tǒng)的力學(xué)問題。研究呼吸系統(tǒng)的力學(xué)問題，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。呼吸力學(xué)參數(shù)的測(cè)量是肺功能評(píng)價(jià)和手術(shù)病人麻醉過程中對(duì)呼吸功能評(píng)價(jià)的重要方法，也是對(duì)呼吸機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)提供動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，這些在臨床上都具有重要的實(shí)際意義 [8]。 國(guó)外采用呼吸力學(xué)測(cè)量技術(shù)的公司主要有 DatexOhmeda、 GE、 Hamilton、Philips 等，而能以 OEM 方式提供呼吸力學(xué)模塊的生產(chǎn)公司主要有 CPT、NOVAMETRIX 等。國(guó)產(chǎn)監(jiān)護(hù)儀中還沒有采用這項(xiàng)技術(shù)，如能開發(fā)完成呼吸力學(xué)模塊并應(yīng)用到監(jiān)護(hù)儀中將可以提升監(jiān)護(hù)儀的性能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)儀的多參數(shù)化，就可以彌補(bǔ)國(guó) 內(nèi)在這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)方面的不足，縮小與跨國(guó)醫(yī)療公司監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的距離。 雖然國(guó)內(nèi)呼吸機(jī)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是目前還存在一些不足之處，具體有以下幾點(diǎn)： （ 1）都是在消化吸收國(guó)外先進(jìn)呼吸機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一系列高、中、低檔呼吸機(jī)，然而高檔呼吸機(jī)很少； （ 2）基本功能齊全，操作簡(jiǎn)單明了 [9]。 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)。該系統(tǒng)通過對(duì)呼吸壓力和頻率信號(hào)的采集，經(jīng)過初級(jí)和次級(jí)放大電路放大后由單片機(jī)內(nèi)部 A/D 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再通過串口通信方式經(jīng)由 RS485 模塊將數(shù)據(jù)輸入到 PC 機(jī)中進(jìn)行 進(jìn)一步的處理。 本論文中硬件部分使用 Protel 99 SE 軟件設(shè)計(jì)，下面是對(duì)次軟件的簡(jiǎn)單介紹。 Protel 99 SE 簡(jiǎn)介 Protel 99 SE 主要由兩大部分組成。一部分是電路圖設(shè)計(jì)，另外一部分則是電路仿真和 PLD設(shè)計(jì)。電路圖部分是比較常用的一部分，主要包括電路原理圖的繪制、電路板設(shè)計(jì)和 PCB 的自動(dòng)布線器這三大模塊。在這些模塊中包含了原理圖編輯器、元器件庫(kù)編輯器、相應(yīng)報(bào)表生成器、電路板編輯器、元器件編輯器、電路板組成管理器等 。在電路仿真和 PLD 設(shè)計(jì)模塊中主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)電路的仿真模擬，也可用于可編程器件的設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行高級(jí)信號(hào)完整性分析。操作簡(jiǎn)單還擁有如此強(qiáng)大的功能使得 Protel 99 SE 軟件滿足了絕大多數(shù)電子電路設(shè)計(jì)者的需求。 呼吸信號(hào)檢測(cè)的研究 14 軟件部分 軟件模塊 圖 22 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)中軟件部分主要實(shí)現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)傳輸、波形顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示。首先用戶調(diào)好模擬單片機(jī)串口的端口，點(diǎn)擊測(cè)量，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，顯示波形。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)由 LabVIEW 的實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖控件（ WaveformChart）顯示出信號(hào)曲線。除此以外我們還