魏立峰， 李 麟， 王慶輝

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

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單水平無創(chuàng)通氣治療機的設計

魏立峰， 李 麟， 王慶輝

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

提出便攜式CPAP呼吸機的整體設計方案.該設計采用觸摸按鍵設置合適的壓力參數(shù)，通過控制直流無刷電機，實現(xiàn)軟管呼吸內(nèi)壓力控制，液晶模塊實時顯示壓力值和使用時間，并通過SD卡實時記錄呼吸數(shù)據(jù)，為進一步提出治療方案提供依據(jù).同時管道脫落報警和斷電報警為設計增加了高可靠性和安全性，為CPAP呼吸機的使用提供更高保障.實驗測試結(jié)果表明：該設計實現(xiàn)了CPAP呼吸機的基本功能，具有價格低廉、可靠性高、低功耗、便攜等優(yōu)點.

CPAP； 呼吸機； 直流無刷電機

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥(obstructive sleep apnea syndrome，OSAS)，又稱睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥，是指每晚7 h睡眠過程中呼吸暫停反復發(fā)作30次以上，或者睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)(AHI)≥5次/h，并伴有睡眠中響亮打鼾、夜間低氧血癥、日間嗜睡等為特征的一系列臨床綜合癥[1].OSAS患者會表現(xiàn)出脾氣暴躁，智力和記憶力減退，等病情，嚴重者可引起高血壓、冠心病、糖尿病和腦血管疾病等，故需對病人采取治療措施.對OSAS的治療可以采用行為、持續(xù)氣道正壓(continuous positive airway pressure，CPAP)、藥物和手術治療，其中CPAP治療已經(jīng)成為公認的治療OSAS最為安全和有效的方法.CPAP呼吸機即為單水平無創(chuàng)通氣治療機，單水平是指能持續(xù)輸出一個恒定壓力.在文獻[2]中，某醫(yī)院采用CPAP呼吸機對30例均有中重度阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥典型癥狀的患者進行為期兩周的治療，觀察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)治療后，能迅速改善患者呼吸暫停，睡眠時打鼾，白天嗜睡、困倦、頭暈、頭痛，等OSAS所引起的一系列臨床并發(fā)癥，確?；颊哒Ｓ行У睾粑?

國內(nèi)呼吸機的研制起步較晚，1958年在上海制成鐘罩式正負壓呼吸機；1971年制成電動時間切換定容呼吸機；直到20世紀90年代中末期，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)呼吸機在技術上大多還處于借鑒和模仿國外產(chǎn)品技術，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[3].國內(nèi)主流產(chǎn)品多為電動氣控型的中低檔呼吸機，呼吸模式也只能滿足中低端需求.未來呼吸機的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在通氣模式、功能以及信息化的發(fā)展.本文提出了一種便攜式CPAP呼吸機整體設計方案，并進行了整機制作與調(diào)試，實現(xiàn)了CPAP呼吸機的基本功能，具有價格低廉、可靠性高、低功耗、實時數(shù)據(jù)記錄等優(yōu)點，為CPAP呼吸機的產(chǎn)業(yè)化打下了基礎.

1 CPAP呼吸機的基本原理

CPAP呼吸機治療OSAS的原理如圖1[4]所示，(a)為正常咽部結(jié)構(gòu)和正常呼吸；(b)為氣道部分受阻，氣流通過不暢引起打鼾；(c)為氣道完全阻塞，氣流中斷，發(fā)生呼吸暫停；(d)為CPAP保持氣道通暢.

圖1 CPAP治療OSAS的原理

Fig.1 Principle of CPAP treatment of OSAS

正常人體進入睡眠狀態(tài)時，從鼻子和咽部經(jīng)過的氣流通暢，可以保持正常的呼吸；而有鼻中隔彎曲、扁桃體肥大、軟腭過長等問題的OSAS患者會出現(xiàn)上呼吸道狹窄或阻塞，有憋氣感，致使呼吸氣流中斷，導致短暫性呼吸暫停，進而影響睡眠質(zhì)量并引起多種疾病.因而，保持氣道的順暢至關重要.

CPAP呼吸機由控制系統(tǒng)控制電機，當電機輸出設定壓力時，氣流經(jīng)過軟管、鼻罩進入鼻腔.當用戶吸氣時，由于氣道阻塞使得氣道壓低于CPAP水平，則控制電機加速，增加輸入壓力迫使氣流進入肺內(nèi)，使氣道壓保持在CPAP水平；當用戶呼氣時，用戶排出氣流方向和呼吸機輸出氣流方向互逆，使得氣道壓高于CPAP水平，此時控制電機減速，使氣道壓力保持在CPAP水平.在整個過程中，CPAP呼吸機都是持續(xù)往氣道輸入氣流，由于體內(nèi)負壓、頸屈曲的作用和咽氣道內(nèi)在的不穩(wěn)定性使咽氣道易于塌陷，一旦氣道關閉，需更大相反的力才能克服咽壁的附著力使咽氣道重新開放.這種氣流壓力的強制性可以保持咽喉部的氣道通暢，以防止氣道狹窄或塌陷而引起呼吸障礙事件的發(fā)生[5].

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)整體采用閉環(huán)控制流程，設計中的硬件部分是壓力傳感器采集用戶軟管內(nèi)壓力，并將采集到的氣道壓轉(zhuǎn)化為電壓值，經(jīng)分壓等處理后傳到主控單片機，主控單片機將得到的信號送入電機驅(qū)動控制中，根據(jù)設置的轉(zhuǎn)速范圍帶動電機轉(zhuǎn)動；同時若遇呼吸機突然斷電等情況會報警，提醒用戶呼吸機已停止工作.設計采用法拉電容存儲電能，以備突然斷電情況的發(fā)生，起到節(jié)能的作用.另外用戶的呼吸情況會記錄在SD卡中，用以備份.圖2為硬件設計原理圖.軟件部分是在Keil界面編寫程序.

硬件電路主要由主控單片機、電源電路、壓力傳感器、電機、電機驅(qū)動、液晶顯示、觸摸按鍵、斷電報警、SD卡存儲、時鐘電路等部分組成.

圖2 硬件設計原理圖

Fig.2 Hardware design schematics

2.1 主控單片機

采用STM32F103VET6，其資源豐富、功能強大的特點可滿足呼吸機的控制應用條件.片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集傳輸與控制中常用功能部件和其它外設功能部件，主要體現(xiàn)在：工作頻率最高可達72 MHz，可以執(zhí)行0等待狀態(tài)內(nèi)存存取；512 K字節(jié)的閃存和高達64 kb的SRAM等.其外圍設備主要有：3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、3個串行外設接口(SPI)、4個16位的帶有輸入捕獲/輸出比較/PWM的定時器、2個I2C接口、SDIO接口等[6].

2.2 電源電路

圖2為DPD模擬所涉及最高體系濃度(雜雙子表面活性劑體積分率φ=0.5)下,C9-P-NC18體系中各DPD軟粒子的擴散系數(shù)(D)隨模擬步數(shù)(Ns)的變化情況.顯然,當模擬進行一段時間(至多5×104時間步)之后,各類粒子的擴散系數(shù)均無大的起伏,僅有小的波動,充分表明該體系已達平衡.由此可見,5×105時間步應足以確保每一輪模擬達到平衡狀態(tài).

CPAP呼吸機從電源適配器接入24 V直流電源，需要分成3組為電路供電：一組24 V直接供直流電機驅(qū)動部分工作；一組由開關型降壓穩(wěn)壓器LM2576將24 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓(見圖3)，為液晶、蜂鳴器和壓力傳感器等供電；另外一組由正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓(見圖4)，為主控單片機、觸摸按鍵等提供參考電源.

圖3 電源部分24 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

Fig.3 24 V to 5 V power supply circuit diagram

圖4 電源部分5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

Fig.4 5 V to 3.3 V power supply circuit diagram

2.3 壓力采集電路

采用 Freescale 公司生產(chǎn)的MPXV5004G壓力傳感器.該芯片具有10～60 ℃的溫度補償功能，壓力量程為0～3.92 kPa，輸出壓力范圍為1.0～4.9 V[7].CPAP呼吸機的壓力范圍為0.4～2.0 kPa，輸出電壓最高為2.5 V.而風機的最大極限壓力為3.0 kPa，相當于3.75 V，主控單片機的AD采集參考電壓為3.3 V，故采用如圖5的分壓過程將采集到的信號傳遞給AD.

圖5 壓力信號采集電路圖

Fig.5 Pressure signal acquisition circuit

2.4 直流電機控制電路

CPAP呼吸機控制系統(tǒng)的主要控制對象是電機，采用 Motorola 公司生產(chǎn)的第二代直流無刷電機控制芯片 MC33035 和電機調(diào)速芯片MC33039控制電機驅(qū)動電路.

圖6為三相直流無刷電機控制電路，MC33035內(nèi)部有轉(zhuǎn)子位置譯碼器，可以將電機轉(zhuǎn)子位置三相檢測信號(SA、SB、SC)與正反轉(zhuǎn)、制動、使能、電流檢測等信號狀態(tài)結(jié)合后編譯運算，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關器件的6路原始控制信號.由 MC33035的1、2、24腳輸出用于直接驅(qū)動外部頂端功率開關晶體管，在19、20、21腳有輸出時需經(jīng)過脈沖寬度調(diào)整，經(jīng)驅(qū)動電路整形放大用于驅(qū)動外部底端功率開關晶體管，底部的驅(qū)動是由MC33035的18腳來供電[8].

圖6 MC33035三相直流無刷電機控制電路圖

Fig.6 MC33035 DC motor control circuit

MC33035的23腳為制動輸入端，內(nèi)部有40 kΩ上拉電阻，故在斷開或開路時實施制動；當主控單片機有信號MOTOR23輸出時，連接MC33035的23腳Brake端電位被拉低，電機正常運轉(zhuǎn)(見圖8).制動輸入較所有其他輸入具有無條件的優(yōu)先權(quán)，此設計為電機增加了新的安全保障.

圖7 MC33039閉環(huán)電機測速器電路圖

Fig.7 MC33039 closed loop motor speed control

圖8 直流電機制動控制電路圖

Fig.8 DC Braking control circuit

2.5 SD卡存儲

設計中加入SD卡用來存儲用戶的使用時間和呼吸機檢測到的用戶的呼吸數(shù)據(jù).這種記錄有利于醫(yī)生對用戶睡眠數(shù)據(jù)進行分析.SD卡一般支持兩種操作模式：一是SD卡模式(通過SDIO通信)，二是SPI模式.SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，SPI模式允許簡單地通過SPI接口與SD卡通信，這種模式與SD卡模式相比速度低，故采用SD卡模式(見圖9).

圖9 SD卡存儲電路圖

Fig.9 SD card memory circuit

3 CPAP呼吸機軟件設計

系統(tǒng)軟件程序主要是采用C語言進行編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，軟件主要由主程序和中斷服務子程序兩部分組成.CPAP呼吸機軟件設計流程為：首先，對系統(tǒng)進行初始化，包括對模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、串口、時鐘模塊等進行初始化操作；然后，設定相應參數(shù)，讀取AD并轉(zhuǎn)換為壓力值，對該數(shù)值進行增量式PI算法處理，控制電機輸出；最后，處理控制標識，將控制結(jié)果返回至壓力傳感器進行AD讀取，繼續(xù)進行循環(huán)控制.

CPAP呼吸機外部按鍵中斷流程為：檢測被按下的鍵并讀取鍵值，根據(jù)按鍵的設定對程序進行控制.按鍵功能包括：啟動/暫停呼吸機、增加/減少壓力值.

4 實驗驗證

CPAP呼吸機氣路連接：風機出氣口連接帶有壓力測試點的連接件，連接件的另一端通過螺旋管與氣阻相連接.CPAP呼吸機的壓力設定范圍為0.4～2.0 kPa，表1為設定相應壓力值時的實際輸出壓力；誤差為設定壓力值與測得壓力值之差絕對值的平均值，它是反應CPAP呼吸機的壓力保持能力，是衡量呼吸機性能的重要指標.

表1 0.4～2.0 kPa設定值與測量值對比

±0.05 kPa的壓力控制誤差是CPAP呼吸機測試標準.從表1可以看出：測量的壓力值與設定值誤差小于0.05 kPa，符合呼吸機的壓力指標.

5 結(jié) 論

給出了CPAP呼吸機的整體設計方案，測試結(jié)果表明：該設計符合設計要求，具有穩(wěn)定、低功耗、便攜等優(yōu)點.CPAP呼吸機在治療OSAS疾病中是最為有效的方法.

[1] 劉清萍.無創(chuàng)呼吸機治療OSAS療效觀察及護理[J].實用醫(yī)技雜志，2005，12(23):3529.

[2] 楚庚香.淺談CPAP呼吸機治療阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥的護理[J].中國民族民間醫(yī)藥，2010，19(10):204-205.

[3] 梁曉婷，楊國忠.我國呼吸機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢——走訪北京誼安公司后的調(diào)研報告[J].中國醫(yī)療器械信息，2008，14(1):30-36.

[4] 李淼，胡兆燕，陳正龍，等.CPAP呼吸機壓力發(fā)生器的設計[J].中國醫(yī)療器械信息，2008，14(10):40-44.

[5] 包涵，趙守國.基于PID控制的便攜式CPAP呼吸機設計[EB/OL].[2011-04-25].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2011/04/611.

[6] MXCHIP Corporation.STM32F 103xC STM32F103 xD STM32F103xE數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2014-10-10].http://www.chinadmd.com/file/s06xwtsxt xcwxsiropiztovr_7.html.

[7] MOTOROLA.MPX5100DP-Integrated Silicon Pressure Sensor數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2014-10-10].http://pdf.elecfans.com/MOTOROLA/MPX5100 DP.html.

[8] 孫歡慶，李橋梁.MC33035在直流無刷電機控制中的應用[J].電機技術，2007(3):27-30.

Design of a Single Level Non-invasive Ventilation Therapy Machine

WEI Li-feng， LI Lin， WANG Qing-hui

(Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142， China)

Overall design of portable CPAP machine is presented in this paper，the ventilator is designed with touch buttons to set the appropriate pressure parameters，the ventilator by controlling the DC brushless motor to achieve the hose breathing pressure control，LCD module can display real-time pressure value and the use of time，and real-time recording of respiratory data via SD card，provide the basis for further proposed treatment.At the same time the design of pipeline shedding and power failure alarm increases reliability and security，provide greater protection for the use of CPAP breathing machine.The test results show that the CPAP machine is designed with the basic functions，with low cost，high reliability，low power，portability and other advantages.

CPAP(continuous positive airway pressure); ventilator; brushless DC motor

2014-10-13

魏立峰(1962-)，男，浙江紹興人，教授，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究.

2095-2198(2016)04-0366-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.04.016

TH77

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