趙　鵬，嚴(yán)鈞戈

（甘肅省計(jì)量研究院，甘肅　蘭州　730000）

分子篩醫(yī)用制氧機(jī)質(zhì)量分析儀的研制

趙鵬，嚴(yán)鈞戈

（甘肅省計(jì)量研究院，甘肅蘭州730000）

醫(yī)用分子篩制氧機(jī)以其安全性、可靠性、便捷性、成本節(jié)約性廣泛地應(yīng)用于各級(jí)醫(yī)療衛(wèi)生部門，為患者提供吸氧治療，其輸出的氧氣濃度、雜質(zhì)濃度、氧氣流量等關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)于臨床治療尤為重要，因此研制一種實(shí)時(shí)、在線、全指標(biāo)檢測(cè)的醫(yī)用制氧機(jī)質(zhì)量分析儀十分必要。通過設(shè)計(jì)采樣部分、檢測(cè)部分、前置放大部分、微機(jī)控制部分、顯示部分、供電部分以及其他一些外圍設(shè)備構(gòu)成醫(yī)用制氧機(jī)質(zhì)量分析儀內(nèi)部測(cè)量結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)功能，選取高精度氧氣傳感器等以保證實(shí)時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確度。

分子篩；醫(yī)用制氧機(jī)；質(zhì)量分析儀

1　概述

醫(yī)用制氧機(jī)主要使用于各級(jí)醫(yī)療衛(wèi)生部門，依據(jù)需要提供濃度合格、流量合適的供氧服務(wù)，其本身具有氧濃度、雜質(zhì)濃度、氧氣流量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，其計(jì)量性能準(zhǔn)確與否將直接影響到需求者的安全與治療效果。

醫(yī)用制氧機(jī)從原理上可以分為：電子制氧機(jī)、化學(xué)藥劑制氧機(jī)、富氧膜制氧機(jī)、分子篩制氧機(jī)。前面三種或者工藝復(fù)雜，或者由于可產(chǎn)生的氧濃度太低基本上已經(jīng)被棄用，目前市場(chǎng)上見到最多也最有發(fā)展前景的就是分子篩制氧機(jī)。醫(yī)用分子篩制氧機(jī)是以空氣為原料，基于分子篩對(duì)空氣中的氧、氮組分選擇性吸附，采用變壓吸附原理，即利用空氣中的氧氣和氮?dú)庠谖絼┥系奈饺萘?、吸附速度和吸附力等方面的差異，以及吸附劑在不同壓力下?duì)氧氣和氮?dú)獾奈饺萘坑休^大差異，來使空氣分離獲得氧氣。當(dāng)空氣經(jīng)過壓縮，通過分子篩吸附塔的吸附層時(shí)，氮分子優(yōu)先被吸附，氧分子留在氣相中，而成為氧氣。吸附達(dá)到平衡時(shí)，利用減壓或抽真空將分子篩表面所吸附的氮分子驅(qū)除，恢復(fù)分子篩的吸附能力即吸附解吸。為了能夠連續(xù)提供一定流量的氧氣，裝置通常設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔，通過程控指令，分時(shí)接通高、低壓氣，周而復(fù)始完成吸附和解吸再生流程。醫(yī)用分子篩制氧機(jī)以其安全性、可靠性、便捷性、成本節(jié)約性成為市場(chǎng)主流機(jī)型。

按照中華人民共和國(guó)《醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》規(guī)定醫(yī)用制氧機(jī)屬于二類醫(yī)療器械，依據(jù)《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用規(guī)范》（YY0298-1998）對(duì)其氧濃度、氧產(chǎn)量、雜氣濃度等計(jì)量指標(biāo)都有著明確的要求。如果使用的制氧機(jī)氧濃度過低，就可能會(huì)引起低張性缺氧，造成動(dòng)脈血氧分壓降低，動(dòng)脈血氧含量減少，從而引起喉頭水腫等呼吸道狹窄或阻塞疾病、胸膜炎等胸腔疾病、肺炎等肺臟疾病、呼吸中樞抑制或麻痹性疾病。如果氧產(chǎn)量過低，就可能會(huì)引起循環(huán)性缺氧，造成組織器官血液量減少或流速減慢而引起的細(xì)胞供氧不足，從而導(dǎo)致肺水腫、休克等嚴(yán)重病變，氧產(chǎn)量過高又會(huì)引起吸收性肺不張，造成氧中毒。由此可見，對(duì)于醫(yī)用制氧機(jī)其性能指標(biāo)的檢測(cè)尤為重要?，F(xiàn)有的檢測(cè)手段只是按原件分類進(jìn)行檢測(cè)，存在檢測(cè)效率低、對(duì)于氧含量等指標(biāo)無法進(jìn)行在線測(cè)量等缺點(diǎn)，因此研制一種實(shí)時(shí)、在線、全指標(biāo)檢測(cè)的醫(yī)用制氧機(jī)質(zhì)量分析儀十分必要。

2　系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)原理

2.1總體設(shè)計(jì)方案

2.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由取樣、檢測(cè)部分、前置放大部分、微機(jī)控制部分、顯示部分、供電部分以及其他一些外圍設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。

圖1　醫(yī)用制氧機(jī)質(zhì)量分析儀總體設(shè)計(jì)方框圖

2.1．2關(guān)鍵部件的選型

傳感器做為儀表的核心部件，它的性能直接影響著儀表檢測(cè)的準(zhǔn)確度，因此決定選擇進(jìn)口的、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品。

其中氧電池所用氧氣傳感器都是自身供電，有限擴(kuò)散，其金屬-空氣型電池由空氣陰極、陽極和電解液組成。氧氣傳感器簡(jiǎn)單來說是一個(gè)密封容器（金屬的或塑料的容器），它里面包含有兩個(gè)電極：陰極是涂有活性催化劑的一片PTFE（聚四氟乙烯），陽極是一個(gè)鉛塊。這個(gè)密封容器只在頂部有一個(gè)毛細(xì)微孔，允許氧氣通過進(jìn)入工作電極。兩個(gè)電極通過集電器被連接到傳感器表面突出的兩個(gè)引腳，而傳感器通過這兩個(gè)觸角被連接到所應(yīng)用的設(shè)備上。傳感器內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，使不同種離子得以在電極之間交換。進(jìn)入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細(xì)微孔的大小。當(dāng)氧氣到達(dá)工作電極時(shí)，它立刻被還原釋放出氫氧根離子，由它將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流信號(hào)，通過放大器送到微處理器。反應(yīng)發(fā)生生成電流，電流大小相應(yīng)地取決于氧氣反應(yīng)速度（法拉第定律），可外接一只已知電阻來測(cè)量產(chǎn)生的電勢(shì)差，這樣就可以準(zhǔn)確測(cè)量出氧氣的濃度。

測(cè)水份含量所需的露點(diǎn)儀采用親水性材料或憎水性材料作為介質(zhì)，構(gòu)成電容或電阻，在含水份的氣體流經(jīng)后，介電常數(shù)或電導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)出當(dāng)時(shí)的電容值或電阻值，就能知道當(dāng)時(shí)的氣體水份含量。電容型聚合物薄膜測(cè)濕傳感器測(cè)量被測(cè)氣體中的水分子，從而測(cè)出相對(duì)濕度；測(cè)溫傳感器測(cè)量測(cè)濕傳感器的表面溫度，儀器內(nèi)置的微處理器從這兩個(gè)參數(shù)計(jì)算出水份含量。測(cè)濕、測(cè)溫傳感器通過金屬膜背靠背緊密靠近，這樣一方面使得測(cè)溫傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)得濕度傳感器所處溫度，另一方面通過金屬膜的作用大大減小了由于外部電場(chǎng)作用產(chǎn)生的感應(yīng)電容。

氧產(chǎn)量的測(cè)量采用世界領(lǐng)先的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）流量傳感器技術(shù)和智能電子控制技術(shù)，專為普通氣體流量監(jiān)測(cè)開發(fā)的產(chǎn)品。該傳感器能直接測(cè)量氣體質(zhì)量流量，低壓損。

前置放大部分也是儀表的關(guān)鍵部件之一，必須選擇一種簡(jiǎn)單、便宜、使用方便，不需要附加外圍的轉(zhuǎn)換器件。

2.2系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.2.1前置放大

前置放大系統(tǒng)是保證測(cè)試精度的重要因素。它包括放大器和電源等有關(guān)部分，詳見圖2所示。

圖2前置放大系統(tǒng)圖

因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器件輸出的是電流，而且阻抗很大，因此采用高阻抗的電流放大器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所以前置放大器應(yīng)選取高輸入阻抗、低噪聲、低漂移的運(yùn)算放大器。為了達(dá)到儀表輸入阻抗的要求，前置放大器輸入阻抗高達(dá)1 012 Ω，完全滿足輸入信號(hào)的要求。為了降低噪聲，電容C1接在反饋電阻端組成低通濾波器。

2.2．2單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)采用AD公司的ADuC813作為控制單元供電、主時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓ADuC813有兩組模擬和數(shù)字電源引腳AVDD和DVDD，其供電壓有3 V和5 V兩種電源或供選擇，但并不需要兩個(gè)供電電源，因?yàn)樵贏VDD和DVDD之間最大的絕對(duì)差值為0.3 V，所以ADuC813最好采用單一供電?？紤]到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀表功耗的要求，電源供電選擇3 V工作模式。

ADuC813含有一個(gè)靜態(tài)8051內(nèi)核，內(nèi)核的主時(shí)鐘頻率最低可達(dá)直流。然而，ADC時(shí)鐘是由主時(shí)鐘得到的，同時(shí)ADC的性能在非常低的頻率下會(huì)變壞?？杀ＷCADC性能的最低時(shí)鐘頻率為400 kHz，ADC的時(shí)鐘頻率應(yīng)為主時(shí)鐘頻率的1、1/2、1/4、1/8（由ADC-CON1來選擇），這樣，為了ADC的可靠操作，最低主時(shí)鐘頻率也為400 kHz。

2.2．3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器采用柜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各部件獨(dú)立安裝，互相影響小。儀器整體采用單開門結(jié)構(gòu)，維護(hù)使用方便。前門為透明玻璃，便于觀察。儀器上部為顯示控制部分，中間為流量調(diào)節(jié)部分，下部為管路系統(tǒng)。

儀器進(jìn)樣系統(tǒng)采用一個(gè)氣體穩(wěn)壓閥，使得流入到檢測(cè)器的樣品流量平穩(wěn)，減小流量波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。同時(shí)設(shè)有流量顯示和控制閥，大流量分流溢流，以減小測(cè)量滯后。結(jié)構(gòu)采用插拔式，便于更換傳感器。

2.3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

儀表的軟件采用C匯編語言進(jìn)行編程，包括AD采樣、DA輸出與上位機(jī)的通訊等。軟件設(shè)計(jì)的主流程圖見圖3所示。

圖3　　主流程圖

模擬量輸入中斷響應(yīng)程序流程圖見圖4所示。

圖4　模擬量輸入中斷響應(yīng)程序流程圖

儀表的軟件是基于MCGS提供的工控機(jī)組態(tài)平臺(tái)自主開發(fā)的腳本程序，包括數(shù)據(jù)的計(jì)算、濁度的補(bǔ)償、整個(gè)儀表的控制時(shí)序、顯示與鍵盤、數(shù)據(jù)的存貯等。要求儀表有6路A/D轉(zhuǎn)換，并且不低于12位，采用7寸彩色液晶顯示，計(jì)算出來的測(cè)量值能即時(shí)顯示6路測(cè)量值，分辨率0.01；同時(shí)能顯示趨勢(shì)圖，并能調(diào)出至少1個(gè)月的數(shù)據(jù)。

3　結(jié)束語

分子篩醫(yī)用制氧機(jī)質(zhì)量分析儀能有效實(shí)現(xiàn)醫(yī)用制氧機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)功能，且具有攜帶方便、操作便利、計(jì)量特性滿足《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用規(guī)范》（YY0298-1998）要求、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易的特點(diǎn)。該儀器能按照設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算和顯示被測(cè)氣體的氧含量、氧產(chǎn)量、水含量、二氧化碳、一氧化碳、臭氧含量等，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)通過快接插頭輸入輸出氣體，氣體流量根據(jù)需要調(diào)節(jié)，供測(cè)量?jī)x器使用。此外，儀器還配有精密的溫度、壓力傳感器，通過單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，將準(zhǔn)確的水含量、氧含量值等量值在同一屏幕上顯示出來。

［1］ 程海憑.醫(yī)用治療設(shè)備——原理與結(jié)構(gòu)導(dǎo)論［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

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TH789

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.030

2016-1-18

趙鵬（1974-），男，漢族，陜西西安人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)學(xué)計(jì)量工作。