許煜聰，譚志堅(jiān)，羅語溪

1 廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院設(shè)備科，廣州市，510120

2 中山大學(xué)工學(xué)院，廣州市，510006

0 引言

呼吸機(jī)是臨床搶救和治療疾病不可缺少的重要工具[1]。本文采用虛擬儀器技術(shù)搭建了一種呼吸機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。本平臺的主要思想在于：它根據(jù)現(xiàn)有呼吸機(jī)的結(jié)構(gòu)原理將硬件和軟件集合于一體，實(shí)現(xiàn)了通氣的功能；同時(shí)在此開發(fā)環(huán)境中，控制策略可不斷被改善和實(shí)現(xiàn)，軟硬件的資源調(diào)用變得更為容易，縮短開發(fā)時(shí)間。呼吸機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作流程如圖1所示：

圖1 呼吸機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of ventilator

渦輪風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流經(jīng)過呼吸導(dǎo)管和鼻面罩輸送給受試者，使其肺部進(jìn)行壓縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)；傳感器檢測呼吸導(dǎo)管內(nèi)的壓力和流速，并通過處理器不斷修正輸出控制信號，從而調(diào)整渦輪風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和呼吸閥門閉合，輸送符合生理規(guī)律的氣流[2]。

1 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由信號采集電路、數(shù)據(jù)采集卡、渦輪風(fēng)機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。其中：信號采集電路用于采集通氣過程的壓力和流量，并對渦輪風(fēng)機(jī)輸出控制信號；采集卡將信號采集電路獲取的電壓信號回傳至計(jì)算機(jī)并作進(jìn)一步處理[3]。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of experiment platform

1.1 信號采集電路

信號采集電路是自制的集壓力檢測、流量檢測、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和信號反饋于一體的電路板，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號采集電路結(jié)構(gòu)Fig.3 The circuit of signal acquisition

1.1.1 電源管理模塊

電源管理模塊采用24 V直流電進(jìn)行供電，其中，場效應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路需12 V供電，因此采用了LM2576-12電源芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換以給驅(qū)動(dòng)模塊正常供電，而壓力傳感器和流速傳感器則分別由LM2576-5和LM7808電源芯片對其進(jìn)行5 V和8 V供電[4]。安全是電路設(shè)計(jì)的首要原則，因此在電源模塊的各分壓電路中需加入二極管以防止電流倒灌而燒毀芯片，并在各級電源芯片輸入端加入不同容量的電容以起整流和濾波的作用，使輸出的電壓更加穩(wěn)定。

1.1.2 傳感器模塊

本平臺選擇Freescale公司的MPXV5004G作為壓力傳感器，Honeywell公司的163PC01D75作為流速傳感器。以壓力傳感器為例，其內(nèi)部集成的高精度應(yīng)變片可檢測氣體壓力的變化，通氣過程中隨著壓力不斷增大，其中一管腳將輸出相應(yīng)的電壓。壓力與電壓值的關(guān)系如下所示：

其中，VS為供電電源5 V，0.025.VFSS為壓力補(bǔ)償，VFSS為該傳感器的壓力最大量程，為40 cmH2O。

1.1.3 風(fēng)機(jī)控制模塊

實(shí)驗(yàn)平臺選用德國Ebm-papst公司生產(chǎn)的無刷電機(jī)，并采用MC33035作為渦輪風(fēng)機(jī)的控制芯片，它主要是通過對下側(cè)半橋的功率開關(guān)管輸出PWM波，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的調(diào)整[5]。該模塊設(shè)計(jì)初期曾添加了MC33039芯片，但調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，MC33039具有增強(qiáng)電機(jī)硬特性的功能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不會因外界負(fù)載變化而產(chǎn)生變化。對于開環(huán)系統(tǒng)，具有硬特性的電機(jī)可使系統(tǒng)保持穩(wěn)定輸出，但本實(shí)驗(yàn)平臺中，由于渦輪風(fēng)機(jī)需要根據(jù)受試者不同的呼吸相切換而快速輸出不同的壓力，而且控制策略采用的是閉環(huán)回路，因此該模塊并沒有加入MC33039芯片。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

本平臺選取了NI公司的USB-6341作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該款采集卡由NI公司生產(chǎn)，具有500 ks/s的采樣率和吞吐量，還提供16位分辨率的16路模擬輸入和2路模擬輸出[6]。由于本平臺檢測的信號屬于模擬量，因此只需用到采集卡上模擬信號的I/O端口，其中，AI0和AI1分別連接壓力傳感器和流速傳感器的輸出端，AO0則作為控制MC33035的信號輸出端。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

呼吸機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的控制軟件采用LabVIEW編寫，控制軟件的流程框架如圖4所示。

圖4 控制軟件的流程圖Fig.4 The diagram of software

在平臺對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行初始化后，需對吸氣壓力、呼氣壓力、呼吸頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通氣過程中，采集電路將對氣流實(shí)時(shí)采樣并建立數(shù)據(jù)組，控制策略即時(shí)分析反饋回來的數(shù)據(jù)，計(jì)算出所需壓力值并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)[7]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本平臺中的傳感器及電機(jī)控制信號均屬于模擬量，因此在DAQmx庫中直接調(diào)用即可。軟件系統(tǒng)需對數(shù)據(jù)卡上的模擬輸入口進(jìn)行指定，如圖5所示，通過創(chuàng)建虛擬通道設(shè)置了兩路輸入通道，即可將兩路傳感器模擬信號回傳至計(jì)算機(jī)。

圖5 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊Fig.5 The module of sensor data

2.3 控制策略模塊設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)以穩(wěn)定的頻率和通氣壓力來撐開患者塌陷的氣道，因此需要保證氣流平穩(wěn)。本平臺的控制策略窗口以PID控制器作為基礎(chǔ)算法，其原理如圖6所示。

圖6 PID控制器原理Fig.6 The principle of PID controller

PID控制器將根據(jù)實(shí)際輸出值與預(yù)定值形成偏差，然后按照比例、積分和微分對偏差進(jìn)行計(jì)算，并對受控對象進(jìn)行控制[8]，其算法可由公式（2）表示：

PID控制器是一種適合于呼吸機(jī)控制的理想算法。如圖7所示，是本平臺建立初期采用PID控制器輸出的壓力響應(yīng)曲線，其中，設(shè)定的壓力為6 cmH2O，PID控制器在通過不斷地減小誤差和修正偏差信號的過程中，使系統(tǒng)逐漸地逼近預(yù)設(shè)壓力并最終穩(wěn)定下來，從中我們能更清楚地認(rèn)識到PID控制器的工作原理。

圖7 采用PID控制器下輸出的壓力響應(yīng)波形Fig.7 The pressure response waveform outputted by PID controller

為了使風(fēng)機(jī)輸出更準(zhǔn)確的壓力響應(yīng)，需測定風(fēng)機(jī)在開環(huán)狀態(tài)下輸入電壓和壓力響應(yīng)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)平臺采用TSI公司的Certifier FA Plus氣流分析儀來標(biāo)定。方法如下：

（1）將皮托管取下，把氣流分析儀的測試部分接入風(fēng)機(jī)出口處和通氣管路進(jìn)口處，并保證連接處密封。

（2）設(shè)定不同的電壓值并驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，測試儀將顯示對應(yīng)的輸出壓力響應(yīng)。

（3）在Matlab中繪制對輸入電壓和壓力響應(yīng)進(jìn)行擬合，獲得公式如下所示：

其中，v為控制風(fēng)機(jī)的輸入電壓，p為壓力響應(yīng)值。

（4）獲得上述擬合曲線后，即可將公式置于軟件中并通過建立子VI來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)電壓輸出。

3 結(jié)果

本平臺在對數(shù)據(jù)保存路徑、吸氣壓力、呼氣壓力和觸發(fā)流量等參數(shù)設(shè)定完畢后，即可開始通氣。如圖8所示，是一次通氣過程保存的數(shù)據(jù)，其中，吸氣壓力為10 cmH2O（1 cmH2O=100 Pa），呼氣壓力為3 cmH2O，觸發(fā)流量為10 L/min，呼吸頻率為12 次/min。在呼氣階段，呼氣壓力一直穩(wěn)定在設(shè)定值附近；隨著流量逐步提升并達(dá)到閾值后，平臺立刻觸發(fā)并使風(fēng)機(jī)快速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速，輸出所需的吸氣壓力；在吸氣末期，流量到達(dá)極值后將開始下降，平臺降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以便快速釋放管道內(nèi)的壓力，從圖8中可觀察出，壓力迅速下降。但值得注意的是，由于本平臺未設(shè)置呼氣閥，因此在吸氣相轉(zhuǎn)呼氣相的時(shí)刻出現(xiàn)一微小的壓力尖峰，造成管道內(nèi)壓力瞬時(shí)升高了大約2 cmH2O，這在一定程度上造成了使用不舒適，在下一步研究中，將通過改善控制策略來消除該壓力尖峰。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺的呼吸波形Fig.8 Respiration waveform of experiment platform

4 結(jié)論

在以往的呼吸機(jī)開發(fā)過程中，需將編寫好的代碼進(jìn)行編譯并燒錄到主控芯片上，同時(shí)還要串聯(lián)氣流分析儀等設(shè)備進(jìn)行對比，過程較為復(fù)雜且效率較低，不利于項(xiàng)目的進(jìn)展[9-10]。在本平臺中，使用人員無需在開發(fā)環(huán)境方面花精力去設(shè)計(jì)，只需在控制策略模塊內(nèi)進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能，因此在產(chǎn)品的初期階段，可快速推出原型機(jī)，并在原有基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，可較大程度提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。