【文章內(nèi)容簡介】 廣泛使用。流量傳感器是用來檢測氣體或液體在單位時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。用于測量流量的傳感器很多，目前主要有測壓式、熱絲式和超聲式三種， 基本都是專門設(shè)計用于醫(yī)用儀 器的探測部件， 在臨床呼吸機的應(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)檢測曲線呈非線性，需要根據(jù)檢測范圍配置軟件校正來提高使用范圍。 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很小的并行支氣路，利用此通道進行壓力測量。這種流量傳感器制造工藝相對復(fù)雜一些、成本高。 呼吸聲音檢測 該方法是將一個微型的拾音器放置在呼吸道 附近或喉上對聲音的變化進行監(jiān)測，然后通過頻譜分析估計出呼吸聲音的大小。有研究者通過記錄呼吸時鼻腔聲音的變化來監(jiān)護嬰兒的睡眠呼吸暫停綜合征。 Corbishlev 等提出了一個微型的、可穿戴的呼吸監(jiān)測系統(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，通過該方法檢測呼吸容易受其他不相關(guān)聲音的干擾，如夢囈、吞咽、咳嗽及鼾聲等，因此需要從強背景下提取弱信號。 呼吸信號檢測的研究 5 由心電獲得呼吸信號 由心電獲取呼吸信號是目前仍在探索的一種方法 [9]。由于呼吸運動能夠引起心電圖中的心率和 QRs 波群發(fā)生周期性波動，可通過分析心電信息和心電向量圖來獲得呼吸信息，而呼吸頻率是從對呼吸信號的功率譜分析中估算出來的。 國內(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)和功能均較簡單，如鐵肺、胸甲呼吸機和壓差室呼吸機。 第 2 代上世紀(jì) 60 年代后，電子技術(shù)開始滲入呼吸機，使其有了較好的同步功能、通氣 方式及報警功能，如紐邦 E100 型呼吸機等。 第 3 代上世紀(jì) 80 年代后，尤其是進入 90 年代以來，計算機技術(shù)的應(yīng)用使呼吸機的性能得到進一步的完善，使之具備了全面的報警功能及各種監(jiān)測和顯示系統(tǒng)，如 SIEMENS300、 Bird8400、 Bear1000、 DragerEvita2 等呼吸機 [3]。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國呼吸機的研制起步較晚， 1958 年在上海制成鐘罩式正負(fù)壓呼吸機。 1971年制成電動時間切換定容呼吸機。直到 20 世紀(jì) 90 年代 中末期開始，國產(chǎn)呼吸機的開發(fā)力度才有所加大，質(zhì)量得到了普遍提高。目前，國產(chǎn)呼吸機在技術(shù)上大多數(shù)還處于借鑒和模仿國外產(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外發(fā)達國家。目前大部分關(guān)鍵元部件還是以 “ 拿來主義 ” 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。 國內(nèi)的呼吸機主要有北京航天長峰股份有限公司的 ACM803 呼吸機、浙江紹興三五儀表廠的 KTH型系列呼吸機、揚州市寧泰醫(yī)療設(shè)備廠的 HVJ 型系列呼吸機、江蘇凱泰醫(yī)療設(shè)備有限公司的 HVJ880C 呼吸機、由南昌飛機制造公司飛機設(shè)計研究 所研制的 XHCIA 型程控雙向噴射呼吸機和 XHYIA 型仙鶴牌應(yīng)急噴射呼吸機、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、上海醫(yī)療器械廠的 SC 型系列呼吸機，以及山東淄博科創(chuàng)電子有限公司的 KCH606 型系列呼吸機 [4]。 國內(nèi)的呼吸檢測儀器 江西特力麻醉呼吸設(shè)備有限公司 TPR4000 電腦多功能呼吸機 呼吸信號檢測的研究 6 圖 14 TPR4000 電腦多功能呼吸機 它采用了國外先進呼吸設(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）吸氣時間顯示： ～ 2s （ 6） IPPV吸氣流量： ～ 深圳 邁瑞公司 SynoVent E3 呼吸機 SynoVent E5 呼吸機 呼吸信號檢測的研究 7 圖 15 SynoVent E3 呼吸機 圖 16 SynoVent E5 呼吸機 氣道阻力、順應(yīng)性及呼吸功等參數(shù)的測定，充分監(jiān)測病人呼吸力學(xué)的變化，為治療方案的制定、治療效果的評定提供了更完善的依據(jù)。實 時描記各種呼吸曲線、呼吸環(huán)，且每個呼吸環(huán)可存儲、對比，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)、動態(tài)地顯示 EtCO2的數(shù)值及波形，實時觀察患者呼吸功能狀況和動態(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）吸氣時間 秒 （ 5）吸呼比 149： 11： 249 奧利科公司 PF300 型呼吸機質(zhì)量檢測儀 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，提供全功能的圖形化分析功能，旨在為呼吸機、麻醉機、流量表、壓力表類設(shè)備提供可靠和精確的測量，從而有效規(guī)避風(fēng)險的發(fā)生。 PF300 具備雙向流量、壓力、溫度、濕度和氧氣濃度測量能力。 圖 17 PF300 型呼吸機質(zhì)量檢測儀 呼吸信號檢測的研究 8 測試軟件 FlowLab 提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測、圖表式精細(xì)化分析以及趨勢記錄功能。主機內(nèi)置溫度傳感器、濕度傳感器，自動測量氣體溫度、濕度，并實現(xiàn)溫度、濕度的自動補償，確保證流量測量的高精度，尤其是小流量、小壓力的穩(wěn)定測量，是 PF300 的突出優(yōu)勢。 CITREX H4 呼吸機 /麻醉呼吸機質(zhì)量檢測儀 功能： 圖 18 CITREX H4 呼吸機 小巧、便攜、觸摸式彩屏設(shè)計，智能化操作?？焖兕A(yù)熱設(shè)計，準(zhǔn)確完成呼吸機/麻醉呼吸機雙向壓力、流量、容積、呼吸頻率、濕度、溫度、氧濃度等參數(shù)的測量。主機內(nèi)置溫度傳感器，自動測量氣體溫度，實現(xiàn)溫度自動補償，保證流量測量精度。 測試軟件 Webserver 提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測、圖表式精細(xì)化分析以及趨勢記錄功能。 目前國內(nèi)監(jiān)護儀呼吸參數(shù)監(jiān)測多采用阻抗法 ，只能測量呼吸頻率，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)，對于在機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)不能進行有效的實時監(jiān)測 [5]。 國外研究現(xiàn)狀 國外呼吸機專業(yè)廠商主要有美國 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 Taema公司、德國的 Drager 公司等。 國外的呼吸檢測儀器 美國泰科公司研制的 PB760 呼吸機 呼吸信號檢測的研究 9 圖 19 Puritan Bent? 760 呼吸機 其具有標(biāo)準(zhǔn)化的流量觸發(fā)及精確的氣體傳輸，采用先進的無摩擦伺服閥作為氣體輸送系統(tǒng)，使呼吸機系統(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 呼吸機主要由氣路系統(tǒng)和電路系統(tǒng) 2 部分組成。進氣子系統(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，對吸入通道和呼出通道進行切換，并且對患者吸氧濃度及潮氣量進行控制和檢測； PEEP 子系統(tǒng)主要由儲氣箱和 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 是接受用戶對呼吸參數(shù)的輸入，控制氣路系統(tǒng)的工作和監(jiān)測患者的呼吸參數(shù)。 缺點：氧濃度監(jiān)測不準(zhǔn)確。當(dāng)氧濃度設(shè)置為 21%時，監(jiān)測顯示為 18%；當(dāng)氧濃度設(shè)置為 50%時，監(jiān)測顯示為 42%。氧濃度越往上調(diào)，偏差越大。 德國西門子公司研制的 900C 呼吸機 呼吸信號檢測的研究 10 圖 110 900C 呼吸機 900C 呼吸機以控制精確度高、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 要由氣動單元、電子單元兩大部分組成。氣動單元由壓力傳感器、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，小的通道為測量孔。在主通道上加有金屬網(wǎng)，這樣當(dāng)有氣體流過時，就會產(chǎn)生一定的阻力迫使部分氣體通過測量孔，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，由壓力信號再換算成流量信號。 900C 呼吸機內(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，所以就不會有熱的感覺 [7]。 美國紐邦 150 型呼吸機 呼吸信號檢測的研究 11 圖 111 150 型呼吸機 其結(jié)構(gòu)緊湊、可移動、操作簡單、功能多、應(yīng)用范圍廣、易于維護等特點，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 呼吸信號檢測的研究 12 圖 112 Taema Horus 呼吸機 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）吸氣時間呼吸周期的 2080% （ 5）吸氣平臺吸氣時間的 060% 近年來，呼吸力學(xué)是以工程學(xué)的觀點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，是希望能有助于對呼吸生理和病理的了解，因此研究的重點 就在于呼吸力學(xué)參數(shù)的測量。呼吸力學(xué)參數(shù)的測量是肺功能評價和手術(shù)病人麻醉過程中對呼吸功能評價的重要方法，也是對呼吸機當(dāng)前的狀態(tài)提供動態(tài)監(jiān)測的方法，這些在臨床上都具有重要的實際意義 [8]。 國外采用呼吸力學(xué)測量技術(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。國產(chǎn)監(jiān)護儀中還沒有采用這項技術(shù)，如能開發(fā)完成呼吸力學(xué)模塊并應(yīng)用到監(jiān)護儀中將可以提升監(jiān)護儀的性能，實現(xiàn)監(jiān)護儀的多參數(shù)化，就可以彌補國 內(nèi)在這項技術(shù)開發(fā)方面的不足，縮小與跨國醫(yī)療公司監(jiān)護產(chǎn)品的距離。 雖然國內(nèi)呼吸機從誕生到現(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： （ 1）都是在消化吸收國外先進呼吸機的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情設(shè)計生產(chǎn)的一系列高、中、低檔呼吸機，然而高檔呼吸機很少； （ 2）基本功能齊全，操作簡單明了 [9]。 呼吸信號檢測的研究 13 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 硬件部分 硬件電路系統(tǒng)組成 圖 21 呼吸信號硬件總體框架圖 本文設(shè)計的呼吸信號檢測硬件系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確性較高、成本低、體積始終的特點。該系統(tǒng)通過對呼吸壓力和頻率信號的采集，經(jīng)過初級和次級放大電路放大后由單片機內(nèi)部 A/D 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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 機中進行 進一步的處理。 本論文中硬件部分使用 Protel 99 SE 軟件設(shè)計，下面是對次軟件的簡單介紹。 Protel 99 SE 簡介 Protel 99 SE 主要由兩大部分組成。一部分是電路圖設(shè)計，另外一部分則是電路仿真和 PLD設(shè)計。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)計和 PCB 的自動布線器這三大模塊。在這些模塊中包含了原理圖編輯器、元器件庫編輯器、相應(yīng)報表生成器、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)計模塊中主要應(yīng)用于設(shè)計電路的仿真模擬，也可用于可編程器件的設(shè)計，還可以進行高級信號完整性分析。操作簡單還擁有如此強大的功能使得 Protel 99 SE 軟件滿足了絕大多數(shù)電子電路設(shè)計者的需求。 呼吸信號檢測的研究 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)中軟件部分主要實現(xiàn)串行通訊、數(shù)據(jù)傳輸、波形顯示、報警、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)好模擬單片機串口的端口，點擊測量，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 的實時趨勢圖控件（ WaveformChart）顯示出信號曲線。除此以外我們還