楊震，楊坤，高磊，詹寧波，管吉，孫重陽，柴雁飛

解放軍第302醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100039

呼吸機濕化器可自動補液系統(tǒng)設計

楊震，楊坤，高磊，詹寧波，管吉，孫重陽，柴雁飛

解放軍第302醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100039

目的設計一款可實時監(jiān)測濕化罐液位并按需自動補液的呼吸機濕化器。方法分別在濕化罐側面3.2、3.8 cm液位處安裝光學液位傳感器，用于監(jiān)測濕化罐液位。在濕化器主機安裝蠕動泵，濕化罐液位與光學液位傳感器的高低狀態(tài)可控制蠕動泵規(guī)律擠壓水管注液。結果當濕化罐液位低于3.2 cm時，蠕動泵啟動并開始注液，當液位上升至3.8 cm時，蠕動泵停止工作，將濕化罐液位控制在3.2～3.8 cm之間。結論該濕化器將濕化罐液位控制在理想范圍，使患者吸入氣體加溫、加濕效果達到最佳，可提高人工氣道護理質量。

濕化罐；光學液位傳感器；液位控制；吸入氣體溫濕效果

引言

隨著通氣模式和患者肺功能參數(shù)監(jiān)測的不斷完善，呼吸機已成為臨床搶救為重癥患者的重要手段。有創(chuàng)通氣時，氣體通過人工氣道進入下呼吸道，失去了上呼吸道的加溫和濕化作用。如果呼吸機經(jīng)濕化罐輸出的氣體溫濕度效果不佳，必然造成下呼吸道失水、粘膜干燥、分泌物干結、纖毛運動減弱、排痰不暢，容易發(fā)生氣道阻塞、肺不張和繼發(fā)感染等并發(fā)癥。因此，使用呼吸機時氣道濕化是人工氣道護理的主要環(huán)節(jié)，氣道濕滑效果直接影響人工氣道護理的質量[1-4]。

呼吸機濕化器發(fā)展已較為成熟，以Fisheramp;Paykel公司生產(chǎn)的傳統(tǒng)呼吸機高端MR850型濕化器為例，它同時具備氣體加溫、加濕、氣體溫度實時監(jiān)測、無創(chuàng)/有創(chuàng)通氣模式選擇及相關補償功能，但不具備自動補液功能，需醫(yī)護人員反復定時（約2 h）給濕化罐加滅菌注射用水，導致增加醫(yī)護人員的工作量、增加醫(yī)護人員的工作量和增加患者感染機率等諸多弊端，因此研發(fā)一款可通過自動補液功能來維持最佳液位范圍的呼吸機濕化器尤為迫切[5-9]。

1 濕化器自動補液系統(tǒng)設計

1.1 材料選擇

1.1.1 ELS-950光電液位傳感器

呼吸機濕化器液位傳感器S1和S2采用ELS-950型光電液位傳感器，其精度誤差為±1 mm，耐溫范圍為-40℃～110℃，且體積較小，適合本設計所需求。

ELS-950光電液位傳感器工作電壓為直流5～12 V，紅線和黑線分別連接電源正極和負極，藍線和黑線連接光電液位開關兩端，見圖1。當呼吸機濕化罐液位浸沒ELS-950光電液位傳感器時，液位開關閉合；當呼吸機濕化罐液位脫離ELS-950光電液位傳感器時，液位開關斷開。另外，ELS-950光電液位傳感器外形尺寸較小，其探頭長19.1 mm，“O型圈”長16.3 mm，電纜線長119.8 mm。光電液位傳感器探頭側面螺紋和“O型圈”可保證其與濕化罐較好的密封效果，且探頭內部電路部分和外部塑料接頭可拆卸，便于清洗、消毒。采用含有效氯500 mg/L的消毒劑溶液浸泡消毒，浸泡時間大10 min。

圖1 ELS-950光電液位傳感器電路連接和外形尺寸

1.1.2 指狀蠕動泵

呼吸機濕化器水泵采用指狀蠕動泵，電源電壓為DC 12 V，其通過指狀齒規(guī)律伸縮擠壓管路將滅菌注射用水通過注射口C注入到濕化罐內，將濕化罐液位維持在3.2～3.8 cm，見圖2。

圖2 指狀蠕動泵

AC 220 V電源經(jīng)變壓、整流和濾波后分別變?yōu)镈C 12 V和DC 5 V兩路電源，見圖3。其中DC 12 V為電機驅動電路供電，步進電機驅動蠕動泵體指狀齒規(guī)律伸縮，同時，位置反饋電路可驅動電路實時反饋蠕動泵體的工作狀態(tài)，DC 5 V為控制系統(tǒng)供電，阻塞檢測電路、開門檢測電路、外部接口和人機接口可與控制系統(tǒng)相互通訊，實現(xiàn)蠕動泵體的精準控制[10]。

圖3 指狀蠕動泵工作原理圖

1.2 自動補液工作原理

已有相關研究表明呼吸機濕化器濕化罐內滅菌注射用水容量為250 mL時濕化效果最佳[11]，本設計以Fisheramp;Paykel MR850型濕化罐為例，見圖4。在濕化罐側面高3.2 cm和3.8 cm刻度處各安裝1個IMS光電液位傳感器，通過光電液位傳感器控制蠕動泵工作，蠕動泵通過擠壓管路推動管內滅菌注射用水注入濕化罐。當濕化罐內液面低于3.2 cm時低液位報警，蠕動泵啟動，開始緩慢注水；當濕化罐液面到達3.8 cm時高液位報警，蠕動泵停止工作；其將濕化罐內滅菌注射用水水量維持在226～274 mL，使?jié)窕鳉怏w溫濕化效果達到最佳狀態(tài)。

圖4 可自動補液呼吸機濕化器

1.3 電路圖設計

呼吸機濕化罐自動補液電路圖，見圖5。220 V交流電經(jīng)變壓器變壓、整流橋整流和電容C1濾波后變?yōu)橹绷?5 V電壓，然后再經(jīng)穩(wěn)壓模塊7812、7805變壓，C2、C3濾波后可分別提供+12、+5 V電源。K1、K2為12 V 8腳繼電器，其可分為兩組開關，1、3、5腳為一組，2、4、6腳為一組，7和8引腳為電源輸入端。K3和K4分別為常開和常閉開關，SW為手動開關。當SW閉合時可直接給蠕動泵提供12 V直流電壓，蠕動泵開始工作，將滅菌注射用水通過注射口C注入MR850濕化罐。單片機89C51通過查詢P1.4、P1.5和P1.6端口輸入的電平狀態(tài)來控制P1.0和P1.1端口輸出的電平狀態(tài)。光學液位傳感器S1和S2用于檢測MR850濕化罐液位高度，當液位覆蓋光學探頭時其開關閉合，反之S1和S2開關處于斷開狀態(tài)。

圖5 呼吸機濕化罐自動補液電路圖

當呼吸機MR850濕化罐液位低于3.2 cm時，光學液位傳感器S1和S2開關斷開，繼電器K1和K2的5、6腳分別與1、2腳接通。此時，蜂鳴器SPK發(fā)出報警聲，低液位報警發(fā)光二極管D3發(fā)光；若89C51的P1.4和P1.5端口輸入高電平，P1.0輸出高電平，P1.1輸出低電平，常開開關K3閉合，常閉開關K4閉合，蠕動泵開始工作并通過注射口C向濕化罐注射滅菌注射用水。當濕化罐液位上升到高液位3.8 cm時，光電液位傳感器S1和S2開關閉合，蠕動泵停止工作。

當呼吸機MR850濕化罐液位處于3.2 cm和3.8 cm之間時，光電液位傳感器S1開關閉合，S2開關斷開，蠕動泵不工作。

1.4 軟件設計

1.4.1 89C51匯編程序流程圖

89C51匯編程序流程圖，見圖6～9。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷服務流程圖

圖8 DVT0流程圖

圖9 DVT1流程圖

1.4.2 匯編程序編寫

ORG 8000H

START: AJMP MAIN

ORG 8013H

LJMP PINT1

ORG 8030H

MAIN: MOVE SP, #60H；確立堆棧區(qū)

CLR IT1 ；電平觸發(fā)方式

SETB EX1 ；外中斷1允許

SETB EA ；總中斷允許

MOV A, #00H ；置P1.0～ P1.7口低電平

MOV P1, A

HERE: AJMP HERE ；等待中斷

ORG 8300H

PINT1: PUSH PSW

PUSH ACC ；保護現(xiàn)場

JB P1.4, DVT0 ；若P1.4為高電平，跳到DVT0

JB P1.5, DVT1 ；若P1.5為高電平，跳到DVT1

PINTR: POP ACC ；現(xiàn)場恢復干擾信號引起的中斷請求

POP PSW

RETI ；中斷返回

DVT0: CLR EX1 ；關外中斷1

SETB P1.0 ；置P1.0為高電平

CLR P1.1 ；置P1.1為低電平

JB P1.5, DVT0 ；若P1.5為高電平，跳到DVT0

CLR P1.0 ；置P1.0為低電平

SETB EX1 ；開外中斷1

AJMP PINTR ；跳到PINTR

DVT1: CLR EX1 ；關外中斷1

SETB P1.1 ；置P1.1為高電平

JB P1.6, DVT1 ；若P1.6為高電平，跳到DVT1

CLR P1.1 ；置P1.1為低電平

SETB EX1 ；開外中斷1

AJMP PINTR ；跳到PINTR

END ；程序終止

1.4.3 程序淺析

程序的起始地址設定為8000H，然后無條件跳到地址8030H執(zhí)行主程序。主程序首先依次設置堆棧區(qū)、外中斷1允許控制字、中斷的觸發(fā)方式和P1端口初始化，然后等待中斷請求。當外中斷1響應時，首先將程序計數(shù)器PC的內容壓入棧以保護斷點，再將中斷入口地址嵌入PC，使程序執(zhí)行轉向相應的中斷入口地址。一個中斷區(qū)只有8個單元，不能寫入一個完整的中斷服務程序。因此，在中斷入口地址處放置一個無條件轉移指令，使程序執(zhí)行轉向8300H去執(zhí)行中斷服務程序。PINT1首先保護現(xiàn)場，然后依次查詢P1.4、P1.5電平狀態(tài)。若P1.4、P1.5為高電平，則分別跳到其相應的DVT0、DVT1中斷服務子程序。PINTR執(zhí)行恢復現(xiàn)場指令后返回中斷，可有效防止干擾信號引起的中斷請求。置EX1為低電平，關外中斷1，可保證DVT0、DVT1中斷服務子程序完整運行[12-15]。

若P1.4為高電平，濕化罐液面低于低液位3.2 cm，執(zhí)行中斷子程序程序DVT0。DVT0關外中斷1后置P1.0為高電平、P1.1為低電平，常開開關K3閉合、常閉開關K4閉合，蠕動泵工作，開始向濕化罐注液，然后查詢P1.5電平狀態(tài)。若P1.5為高電平，則返回至DVT0，繼續(xù)補液；若P1.5非高電平，濕化罐液面上升至高液位3.8 cm，置P1.0為低電平，蠕動泵停止工作，停止向濕化罐注液，最后跳到PINTR返回主程序等待中斷請求。

若P1.4為低電平P1.5為高電平，濕化罐液面高度位于低液位3.2 cm和高液位3.8 cm之間，濕化罐內滅菌注射用水水量維持在226～274 mL之間，此時呼吸機濕化器氣體濕化效果達到最佳狀態(tài)，執(zhí)行中斷子程序程序DVT1。DVT1關外中斷1后置P1.1為高電平，常閉開關K4斷開，蠕動泵停止工作，然后查詢P1.6電平狀態(tài)。若P1.6為高電平，則返回至DVT1，蠕動泵保持停止工作；若P1.6非高電平，濕化罐液面下降至低液位3.2 cm，置P1.1為低電平，跳到PINTR返回主程序等待中斷請求。

若P1.4、P1.5均為低電平，濕化罐液面高于位于高液位3.8 cm，執(zhí)行PINTR返回主程序等待中斷請求。

2 實驗

2.1 設備與方法

實驗環(huán)境溫度25℃、空氣濕度56%，設備連接方法，見圖10，實驗設備包含TSI4080呼吸機檢測儀1臺、GE Egstrom呼吸機1臺、MR850濕化器1套、ELS-950光電液位傳感器2個、呼吸機成人硅膠管路1套、成人夾板模擬肺1個、500 mL/瓶滅菌注射用水4瓶以及醫(yī)院設備帶氧氣、空氣氣源等。呼吸機通氣模式和參數(shù)設定如下：SIMV通氣模式、潮氣量VT=500 mL、呼吸頻率f=12次/min、吸呼比I:E=1:2、氧濃度FiO2=40；MR850濕化器加熱檔位調為3檔，濕化罐加注滅菌注射用水至刻度線處，約250 mL水。每組實驗持續(xù)8 h，實時記錄呼吸機檢測儀所測呼吸機相關參數(shù)。對照組采用傳統(tǒng)加水方法，呼吸機濕化罐加滅菌注射用水至刻度線處，當液位較低時斷開呼吸螺紋管路再次向濕化罐注入適量滅菌注射用水；實驗組采用通過光電液位傳感器控制蠕動泵自動補液的方法。

2.2 實驗結果

呼吸機開機預熱15 min，運行狀態(tài)穩(wěn)定，每隔10 min記錄1組實驗數(shù)據(jù)，實驗組和對照組都連續(xù)測試8 h；另外，濕化罐加注滅菌注射用水后及時記錄試驗數(shù)據(jù)。實驗結果見表1，與參數(shù)設定值相比，實驗組所測潮氣量VT、呼吸機頻率f、吸呼比I:E、氣體氧濃度FiO2以及吸入氣體溫濕度都比較穩(wěn)定，可大大降低氣道阻塞、肺不張和繼發(fā)感染等并發(fā)癥發(fā)生率；對照組實測數(shù)據(jù)波動較大，治療效果較差。

圖10 呼吸機檢測實驗示意圖

2.3 結果分析

呼吸機濕化罐標識液位線處為最佳濕化效果液位，實驗組通過光學液位傳感器自動補液系統(tǒng)來精確控制濕化罐內無菌注射用水液位，在無需斷開螺紋呼吸管路的條件下可使液位維持在3.2～3.8 cm，呼吸機可持續(xù)穩(wěn)定運行，因此其潮氣量、氣體溫濕度等參數(shù)波動幅度較小，呼吸機治療效果較好；對照組濕化罐內無菌注射用水液位較低時需人工斷開呼吸螺紋管路再注水，各參數(shù)波動幅度較大，管路斷開期間模擬肺得到的VT、f、I:E均降低至0，F(xiàn)iO2降低至21，氣體溫度降低至26.6℃，氣體濕度降低至68%RH。濕化罐人工注水完成后，VT、f、I:E和FiO2恢復到正常值需約3 min，期間人機對抗比較嚴重氣體溫濕度恢復到正常值需約10 min，人工注水周期約4 h。

3 結論

呼吸機是雙刃劍，隨著呼吸機性能的不斷改進，機械通氣治療已廣泛應用于臨床，給予危重癥患者呼吸通氣支持，可有效提高臨床患者治愈率，但同時它也是高風險設備，稍有不慎便會給患者帶來生命危險。呼吸機濕化器是通過加熱滅菌注射用水使其產(chǎn)生的水蒸氣與呼吸機傳送給患者的吸入氣體混合的方法來實現(xiàn)加溫、加濕。呼吸機濕化器常規(guī)加水方法需暫停呼吸機從出氣孔加水，或者分離進氣口與呼吸機的連接，從進氣口加水，但二者均可導致患者血氧飽和度下降，也會造成患者呼吸狀態(tài)改變和呼吸機管路二次污染[16]。濕化器自動補液系統(tǒng)，可實時監(jiān)測濕化罐內滅菌注射用水的液位，并根據(jù)液位情況自動按需注水，使?jié)窕鳒貪裥ЧS持最佳狀態(tài)，值得臨床廣泛推廣。呼吸機濕化器在臨床中的應用都是以保障進入患者呼吸道的氣體溫度和濕度適宜為目的，為實現(xiàn)濕化效果的不斷改進，提高患者的舒適度、保證患者的生命安全，還需對呼吸機濕化裝置做進一步的試驗和研究。

表1 呼吸機濕化器自動補液系統(tǒng)實驗結果

[1] 蔡少華.呼吸機相關性肺炎的診斷研究進展[J].中國危重病急救醫(yī)學,2005,12(9):566.

[2] Saeed H,Mohsen M,Fink JB,et al.Fill volume, humidification and heat effects on aerosol delivery and fugitive emissions during noninvasive ventilation[J].J Drug Deliv,2017,39:372-378.

[3] Iof M,Mhe EH,Al HM,et al.Clinical outcome associated with the use of different inhalation method with and without humidification in asthmatic mechanically ventilated patients[J].Pulmon Pharmacol Ther,2017,45.

[4] 鐘愛娟,韓嘉雯,鐘楊峰,等.ICU患者人工氣道內痰痂形成原因分析及護理對策研究[J].實用中西醫(yī)結合臨床,2017,17(1):132-134.

[5] 劉曉穎,孫紅,繩宇,等.濕化液滴注速度對機械通氣患者氣道濕化效果的影響分析[J].護理學報,2014,21(16):1-3.

[6] 嚴麗華.淺談呼吸機濕化器加水方法的改進[J].求醫(yī)問藥,2013,12(11):167.

[7] 戴啟鳳,程炎芳,溫麗芳,等.新型呼吸機濕化液滴入接頭的設計與應用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2017,38(5):42-44.

[8] 劉茹涵,汪國有.呼吸機長管獨立溫控器的研制[J].中國醫(yī)療器械雜志,2016,40(1):44-46.

[9] 曾碰華,吳靜冰,鄭若菲.呼吸機濕化器不同加水方法的效果評價與分析[J].中國現(xiàn)代藥物應用,2010,4(15):239-240.

[10] 康華光,陳大欽.電子技術基礎[M].4版.北京:高等教育出版社,2002:64-76.

[11] 呂用曉.呼吸機濕化裝置更換周期的研究進展[J].醫(yī)療設備,2014,7(27):16-17.

[12] BCQ-600六合一編程器[M].4.0版.北京:北京中青世紀科技發(fā)展公司,1998:45-48.

[13] 李廣弟,朱月秀,王秀山.單片機基礎[M].北京:北京航天航空大學出版社,2007:118-126.

[14] 龔尚福,朱宇.微機原理與接口技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:222-228.

[15] 沈美明,溫冬嬋.IBM-PC匯編語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003:165-178.

[16] 李文濤,何曉明,孫麗娟,等.呼吸機濕化器溫度設定的臨床研[J].究實用護理雜志,2001,9(17):3-4.

Design of Automatic Liquid Injection System of Ventilator Humidifier

YANG Zhen, YANG Kun, GAO Lei, ZHAN Ningbo, GUAN Ji, SUN Chongyang, CHAI Yanfei Department of Medical Engineering, 302 Military Hospital of China, Beijing 100039, China

ObjectiveTo design a ventilator humidifier that can monitor the level of the wetting tank in real time and automatically inject liquid on demand.MethodsFirstly, the optical level sensors were respectively installed at the wetting tank side 3.2 and 3.8 cm level, which was used to monitor the wet tank liquid level. Then, the peristaltic pump was installed in the humidifier main unit, which could inject liquid into the wetting tank by regularly squeezes liquid pipe and control the high and low state of the liquid level at the optical liquid level sensor.ResultsWhen the wetting tank level was less than 3.2 cm, the peristaltic pump started and begined to fill the liquid, when the liquid level rised to 3.8 cm, the peristaltic pump stoped working, which could control the wetting tank liquid level between 3.2 to 3.8 cm.ConclusionThe humidifier controls the wetting tank liquid level in the desired ranges, so as to achieve the best heating and humidification effects for patients inhaling gas and improve the quality of artificial airway care.

wetting tank; optical liquid-level sensor; level control; inhaled gas temperature and humidity effect

R472

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.012

1674-1633(2017)11-0044-04

2017-07-12

2017-08-11

高磊，高級工程師，主要研究方向為醫(yī)療設備的質量控制和計量管理。

通訊作者郵箱：gao_lei_2002@sina.com

本文編輯 袁雋玲