王 偉，葛 斌

1 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海，201318

2 上海市醫(yī)療器械檢測(cè)所，上海，200093

基于活塞運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)模擬肺的研究與設(shè)計(jì)

【作 者】王 偉1，2，葛 斌1

1 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海，201318

2 上海市醫(yī)療器械檢測(cè)所，上海，200093

主要介紹基于活塞運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)模擬肺的工作原理及整體設(shè)計(jì)方案。該模擬肺預(yù)期用于呼吸機(jī)自主呼吸監(jiān)測(cè)和參數(shù)，觸發(fā)功能的驗(yàn)證和檢測(cè)?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)潮氣量、呼吸頻率、吸氣時(shí)間等參數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬肺主動(dòng)呼吸。

活塞運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)；模擬肺

0 引言

在呼吸機(jī)檢測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常要用到模擬肺[1-2]。目前我們常用的模擬肺為被動(dòng)式模擬肺。隨著檢驗(yàn)方法的不斷更新，我們?cè)絹?lái)越需要這樣一種更仿真、更接近于患者的模擬肺，它可以自己呼吸，借助這樣的模擬肺測(cè)得的呼吸監(jiān)測(cè)參數(shù)更有臨床意義。另一方面，近幾年來(lái)，隨著人民生活水平的提高，用于改善睡眠質(zhì)量的睡眠呼吸機(jī)在國(guó)內(nèi)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，也正慢慢開始進(jìn)入普通家庭。此類呼吸機(jī)具有這樣的特點(diǎn)：正常情況下不強(qiáng)制通氣，當(dāng)設(shè)備“感受”到使用者有吸氣動(dòng)作時(shí)才給予一定的氣量，促進(jìn)使用者輕松吸氣，而當(dāng)設(shè)備探測(cè)到使用者不再吸氣時(shí)，停止送氣或減少送氣量，這是睡眠呼吸機(jī)和具有同步觸發(fā)功能的呼吸機(jī)的特性[3]。然而，受檢驗(yàn)條件的限制，呼吸機(jī)是否有效觸發(fā)的功能在性能檢驗(yàn)中往往被忽略。因?yàn)橐獧z驗(yàn)該功能，必須要作用于呼吸機(jī)一個(gè)穩(wěn)定可控的呼吸，壓力、流量等必須緩步可調(diào)，以滿足壓力觸發(fā)或流量觸發(fā)的條件，從而才能檢驗(yàn)呼吸機(jī)該項(xiàng)功能的有效性。穩(wěn)定可靠的主動(dòng)式模擬肺的研制將為全面驗(yàn)證呼吸機(jī)安全有效提供一種可行的手段，彌補(bǔ)被動(dòng)式模擬肺的不足。

雖然目前國(guó)際上已有主動(dòng)式模擬肺，如美國(guó)INGMAR MEDICAL公司生產(chǎn)的ASL5000模擬肺[4]，但該模擬肺價(jià)格昂貴，功能復(fù)雜，使用較為不便?；诨钊\(yùn)動(dòng)的主動(dòng)式模擬肺可以模擬患者自由呼吸，頻率、潮氣量等參數(shù)能獨(dú)立調(diào)節(jié)[5-6]，且能顯示呼吸參數(shù)。因此，該系統(tǒng)也可滿足測(cè)試需要，且使用簡(jiǎn)便，容易普及。

1 原理及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選取一個(gè)合適的氣缸來(lái)模擬人的肺，用一電機(jī)帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)使氣缸內(nèi)氣體流動(dòng)，從而模擬人呼氣和吸氣。

主動(dòng)模擬肺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram

該系統(tǒng)主要涉及四個(gè)部分：控制單元、監(jiān)測(cè)單元、控制顯示單元和氣路。

控制單元主要由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路組成。監(jiān)測(cè)單元包括各種傳感器和信號(hào)采集處理電路。

控制顯示單元是基于電腦的控制顯示界面，該界面最終實(shí)現(xiàn)控制單元的控制和對(duì)來(lái)自于監(jiān)測(cè)單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示。

氣路部分包括氣缸和呼吸回路。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要分兩部分，一部分用于控制氣缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模擬肺的主動(dòng)呼吸；另一部分則設(shè)計(jì)用于對(duì)呼吸參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 控制單元

控制單元主要由直線電機(jī)和控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器組成。

2.1.1 直線電機(jī)

直線電機(jī)用于推拉氣缸活塞使肺呼吸，由一輸出電壓為直流48 V的開關(guān)電源供電。選用的直線電機(jī)持續(xù)推力為120 N，最大推力可達(dá)到300 N，保證在大潮氣量情況下平穩(wěn)輸氣。其定位精度可達(dá)到15 μm。該直線電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：① 進(jìn)給速度范圍寬；② 速度特性好，重復(fù)精度高；③ 加速度大；④ 定位精度高；⑤ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，摩擦磨損小，使用壽命長(zhǎng)。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)“肺”呼吸。驅(qū)動(dòng)器由一輸出電壓為直流24 V的開關(guān)電源供電。

2.2 監(jiān)測(cè)單元

監(jiān)測(cè)單元主要由各類傳感器和信號(hào)采集處理電路組成，傳感器包括流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。

2.2.1 流量傳感器

在吸氣和呼氣支路各裝有一個(gè)流量傳感器，分別用于監(jiān)測(cè)吸氣流量和呼氣流量。選用的氣流質(zhì)量傳感器具有測(cè)量范圍廣(最大可測(cè)量200 l/min的氣流)、阻抗低(在最大流量200 l/min情況下阻抗為271.62 Pa，在典型的60 l/min情況下更是只有42.16 Pa)和響應(yīng)快(響應(yīng)時(shí)間為5 ms)的特點(diǎn)。同時(shí)，利用流量傳感器的單向特性，可測(cè)定呼吸頻率、吸氣時(shí)間等參數(shù)。在吸氣時(shí)，可利用流量的突變來(lái)驗(yàn)證觸發(fā)功能。

2.2.2 壓力傳感器

為了監(jiān)測(cè)氣道內(nèi)的氣壓，在吸氣和呼氣支路分別有一個(gè)壓力取樣口，通過(guò)一選擇器后與壓力傳感器相連。通過(guò)選擇器可選擇監(jiān)測(cè)呼氣壓力或吸氣壓力。壓力傳感器具有溫度補(bǔ)償功能，補(bǔ)償范圍為-18oC～+63oC，并具有零點(diǎn)及量程校整功能。

2.2.3 溫度傳感器

氣體體積與溫度密切相關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮在氣缸口安裝一溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣道內(nèi)溫度。

2.2.4 信號(hào)采集處理電路

信號(hào)采集處理電路是實(shí)現(xiàn)呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，其核心部件是中央微處理器。本系統(tǒng)選用的ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz,從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

信號(hào)采集處理電路每5 ms對(duì)流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器取樣一次，CPU對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)前系統(tǒng)測(cè)量的流量、壓力和溫度，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口(RS232)傳輸?shù)诫娔X。通過(guò)計(jì)算在電腦屏幕上實(shí)時(shí)顯示流量、壓力、溫度、潮氣量及頻率等參數(shù)。

潮氣量測(cè)量基于對(duì)一次呼吸時(shí)流量波形的積分，也就是波形曲線與時(shí)間軸圍成的面積。每5 ms對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算出當(dāng)前流量數(shù)值。將此流量數(shù)值乘以時(shí)間(5 ms)就得到這5 ms的氣體容量值。將一次呼吸的氣體容量值相加就得到這次呼吸的潮氣量數(shù)值。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)“肺”的控制，使其按需求進(jìn)行呼吸，同時(shí)，也為了能在呼吸時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸參數(shù)。本系統(tǒng)采用Visual Basic語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制顯示界面（見圖2）。該界面可基于電腦平臺(tái)運(yùn)行，主要分三個(gè)區(qū)域：設(shè)置參數(shù)區(qū)域、監(jiān)測(cè)參數(shù)區(qū)域和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域。

圖2 控制顯示界面Fig.2 Control and display interface

3.1 設(shè)置參數(shù)區(qū)域

在設(shè)置參數(shù)區(qū)域可以對(duì)潮氣量、吸氣時(shí)間、屏氣時(shí)間和頻率進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)也可以選擇不同的氣缸和工作模式。根據(jù)選擇的氣缸不同，潮氣量設(shè)置范圍也有所不同?？紤]到不同的測(cè)試需求，工作模式共有兩種可供選擇，分別為方波和正弦波。當(dāng)選擇方波時(shí)，直線電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，流量恒定；當(dāng)選擇正弦波時(shí)，直線電機(jī)變速運(yùn)動(dòng)，可用于測(cè)定麻醉呼吸回路阻抗等參數(shù)。

3.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)區(qū)域

在監(jiān)測(cè)參數(shù)區(qū)域，則顯示當(dāng)前的潮氣量、呼吸頻率、氣道內(nèi)溫度和上次清零后的最大壓力、最小壓力、最大流量和最小流量，同時(shí)設(shè)有壓力清零和流量清零按鈕，可隨時(shí)對(duì)最大壓力和最小壓力、最大流量和最小流量進(jìn)行清零。

3.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，可選擇顯示吸氣流量、壓力或呼氣流量、壓力。根據(jù)選擇可實(shí)時(shí)顯示流量曲線和壓力曲線、流量和壓力數(shù)值。流量曲線和壓力曲線具有自適應(yīng)功能，確保波形幅值在合適的位置，方便讀取波形。

4 氣路設(shè)計(jì)

氣路部分包括氣缸和呼吸回路。

4.1 氣缸

氣缸用于模擬人的“肺”。為了兼顧潮氣量設(shè)定范圍和精度，確保在較大的潮氣量和較小的潮氣量情況下輸出均能達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，主動(dòng)模擬肺的氣缸設(shè)計(jì)為可更換。大氣缸最大可輸出2000 ml的潮氣量,小氣缸最大可輸出800 ml潮氣量。

4.2 呼吸回路

為了滿足不同的設(shè)計(jì)需求，主動(dòng)模擬肺設(shè)有吸氣支路和呼氣支路。當(dāng)驗(yàn)證呼吸機(jī)顯示的呼出潮氣量等自主呼吸參數(shù)準(zhǔn)確性或范圍時(shí)，可將被測(cè)呼吸機(jī)患者連接口接到主動(dòng)模擬肺的呼氣口處；當(dāng)驗(yàn)證呼吸機(jī)觸發(fā)功能的靈敏度或準(zhǔn)確性時(shí)，可將被測(cè)呼吸機(jī)患者連接口接到主動(dòng)模擬肺的吸氣口處。在吸氣支路和呼氣支路中各裝有一個(gè)單向閥，可確保氣體單向流動(dòng)。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證及結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后的試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可以滿足測(cè)試需求。潮氣量、頻率等設(shè)置參數(shù)符合設(shè)計(jì)預(yù)期（潮氣量精確度：±3%；頻率精確度：±1 bpm）。

驗(yàn)證結(jié)果分別見表1和表2。

表1 輸出潮氣量精確度驗(yàn)證Tab.1 Accuracy validation of expired tidal volume

表2 呼吸頻率精確度驗(yàn)證Tab.2 Accuracy validation of frequency

由于氣缸可選擇，在更換氣缸時(shí)確保氣缸的活塞推桿和直線電機(jī)成一直線至關(guān)重要。在試運(yùn)行初期，由于固定氣缸的底板為木板，固定氣缸的螺孔定位不夠精確，在連續(xù)大潮氣量情況下運(yùn)行一段時(shí)間后氣缸略有移位，導(dǎo)致出現(xiàn)活塞卡阻、氣缸抖動(dòng)的現(xiàn)象，在將底板更換成金屬板后已解決氣缸抖動(dòng)缺陷。

基于活塞運(yùn)行的主動(dòng)模擬肺的研制成功，對(duì)于全面驗(yàn)證呼吸機(jī)性能具有積極意義，在驗(yàn)證呼吸機(jī)中自主呼吸監(jiān)測(cè)參數(shù)和觸發(fā)功能方面更是具有現(xiàn)實(shí)意義，它將直接改變?cè)擃I(lǐng)域試驗(yàn)儀器匱乏的局面。

[1] 呂鵬, 陳雅楠, 曹德森. 呼吸機(jī)測(cè)試儀的研制[J]. 北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2006, 25(1): 70-72.

[2] 張從華, 龔嵐, 宿紅, 等. 精確控制的模擬肺裝置用于肺功能測(cè)量校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版). 2008, 40(5): 185-189.

[3] 孫大金, 廖美琳. 呼吸機(jī)與麻醉機(jī)——基本原理、結(jié)構(gòu)及臨床應(yīng)用[M]. 中華醫(yī)學(xué)會(huì)上海分會(huì)出版, 1987年, 110-112.

[4] 易韋韋, 張玘, 王躍科. 主動(dòng)模擬肺ASL5000在呼吸機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備. 2008, 23(7): 93-94.

[5] 曹玉龍. 呼吸機(jī)參數(shù)的設(shè)置與調(diào)節(jié)[J]. 中國(guó)臨床醫(yī)生. 2006, 2: 50-52.

[6] 蔣雪萍, 邵磊. 呼吸機(jī)校準(zhǔn)方法的研究[J]. 中國(guó)測(cè)試技術(shù), 2008, 34(6): 12-14.

Research and Design of an Initiative Lung Simulator Based on Plunger

【W(wǎng)riters】Wang Wei1，2, Ge Bin1

1 School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai For Science and Technology, Shanghai, 200093
2 Shanghai Testing & Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

This article introduces the working principle and the structural design of an initiative lung simulator based on plunger. The lung simulator is intended to test the monitor parameter and trigger function of the ventilator. Lung simulator can ventilate initiatively by adjusting the parameters such as tidal volume(VT)、frequency and inspiration time.

plunger, initiative, lung simulator

R318.18

B

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.03.012

1671-7104(2012)03-0199-03

2012-03-12

王偉，E-mail: wwslh@yahoo.com.cn