馮嘯天

摘要??? 本文基于自適應(yīng)控制策略對(duì)醫(yī)用呼吸機(jī)的控制原理、控制規(guī)則以及控制器核心硬件的相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明醫(yī)用呼吸機(jī)控制器模糊自適應(yīng)推理過(guò)程中常常遇到實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，通過(guò)離線(xiàn)數(shù)據(jù)處理能夠有效解決，運(yùn)用最大隸屬度法可以對(duì)模糊的輸出量快速進(jìn)行去模糊計(jì)算。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)用呼吸機(jī) 自適應(yīng)控制 控制器設(shè)計(jì)

1 醫(yī)用呼吸機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

臨床醫(yī)學(xué)研究技術(shù)手段的不斷進(jìn)步使得醫(yī)用呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)種類(lèi)越來(lái)越具有多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)其進(jìn)行類(lèi)別的劃分最主要的渠道就是通過(guò)其結(jié)構(gòu)和工作方式來(lái)分類(lèi)。這些呼吸機(jī)有些需要依賴(lài)病人的自主呼吸，有些則適用于一些呼吸暫停等狀況之中，分別為不同患者提供了與之病情相適應(yīng)的醫(yī)療服務(wù)。而目前雖然在用的醫(yī)用呼吸機(jī)種類(lèi)繁多，但由于作用和功能的一致性，其基本結(jié)構(gòu)和主要的工作原理也大致相同，一般情況下，呼吸機(jī)的組成可分為氣路單元及電子單元兩部分。

1.1 氣路部分

對(duì)于醫(yī)用呼吸機(jī)而言，氣路單元是整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心，是發(fā)揮機(jī)器設(shè)備效用的最關(guān)鍵部分。在呼吸機(jī)氣路部分中，其主要組成單元可分為：氣路反饋系統(tǒng)、吸氣和呼氣控制閥、呼吸導(dǎo)管以及流量和壓力傳感器幾個(gè)方面。其工作過(guò)程原理如下：

（1）流量和壓力傳感器對(duì)呼吸導(dǎo)管內(nèi)的氣體數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量;

（2）測(cè)量結(jié)果與參考數(shù)值相比對(duì);

（3）氣路反饋系統(tǒng)針對(duì)數(shù)值比對(duì)差異對(duì)氣體供給情況進(jìn)行反饋，給出調(diào)節(jié)指令;

（4）吸氣和呼氣控制閥通過(guò)相應(yīng)指令完成氣體供給的調(diào)節(jié)控制;

（5）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的氣體供給。1.2電子單元控制部分

如果說(shuō)氣路單元是呼吸機(jī)的心臟，那么電子單元的地位則可比喻為呼吸機(jī)的大腦，它是氣路單元包括整個(gè)呼吸機(jī)設(shè)備的主控平臺(tái)，只有通過(guò)設(shè)計(jì)完備的電子單元才能實(shí)現(xiàn)整臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行操控，而該單元也是由一系列部件共同組成，具體組成情況如下：

（1）基準(zhǔn)電平，主要作用是實(shí)現(xiàn)與輸入端的參數(shù)校對(duì)功能，提供設(shè)置的基準(zhǔn)值;

（2）吸氣和呼氣調(diào)整單元，根據(jù)相應(yīng)程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)閥門(mén)控制功能;

（3）監(jiān)測(cè)告警單元，即將各類(lèi)傳感器的傳感信號(hào)與給定參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，一旦出現(xiàn)異常則產(chǎn)生告警;

（4）輸出和輸入控制部分;即外部接口，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交換;

（5）電源和時(shí)鐘單元，實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電及時(shí)間統(tǒng)一、同步控制。

2 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)PID控制器的關(guān)鍵輸入量是呼吸機(jī)所接受的壓力變量和流量變量，該變量是由兩個(gè)偏差量組成的，分別是E和EC，其中一個(gè)是偏差量，一個(gè)是偏差變化量。該自適應(yīng)控制器在經(jīng)過(guò)模糊自適應(yīng)推理后會(huì)得到一個(gè)輸出量，這個(gè)輸出量即為模糊自適應(yīng)輸出量H，這個(gè)輸出量H是一種模糊自適應(yīng)決策，這個(gè)模糊自適應(yīng)決策的過(guò)程即是PID控制器進(jìn)行變量趨勢(shì)判斷以及自適應(yīng)決策的過(guò)程。通過(guò)多個(gè)步驟的非模糊化處理，H會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閔（t）從而實(shí)現(xiàn)輸出量的在線(xiàn)調(diào)整。

2.2 模糊推理設(shè)計(jì)

大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明，醫(yī)用呼吸機(jī)的壓力控制情況存在一定的規(guī)律性，經(jīng)過(guò)歸納我們總結(jié)出該壓力呼吸機(jī)的控制規(guī)則。我們?cè)谶M(jìn)行偏差量和偏差變化量進(jìn)行模糊自適應(yīng)處理后首先要進(jìn)行的工作就是查詢(xún)模糊自適應(yīng)控制規(guī)則表，對(duì)模糊自適應(yīng)控制規(guī)則表的查詢(xún)是醫(yī)用呼吸機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)進(jìn)行模糊化自適應(yīng)推理的運(yùn)算規(guī)則是對(duì)偏差量和偏差變化量進(jìn)行自適應(yīng)模糊化，通過(guò)對(duì)本文所述的模糊自適應(yīng)控制規(guī)則表的查詢(xún)結(jié)果獲取輸出量的自適應(yīng)模糊值，而后對(duì)自適應(yīng)模糊值進(jìn)行精確化處理，即完成了模糊自適應(yīng)推理的過(guò)程。從表述上來(lái)看模糊自適應(yīng)推理的過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，在進(jìn)行模糊化和精確化的過(guò)程中浪費(fèi)了大量的時(shí)間并占用了較多的運(yùn)算空間，雖然能夠起到模糊控制的作用并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的功能，但該醫(yī)用呼吸機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就會(huì)大打折扣，鑒于醫(yī)用呼吸機(jī)是一種需要實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的醫(yī)用設(shè)備，因此我們考慮采用離線(xiàn)處理的思路來(lái)解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

離線(xiàn)進(jìn)行醫(yī)用呼吸機(jī)自適應(yīng)控制的模糊過(guò)程和精確過(guò)程無(wú)疑會(huì)減少?zèng)]有意義的控制過(guò)程時(shí)間消耗，相對(duì)于在線(xiàn)處理來(lái)講離線(xiàn)方式能夠更加實(shí)時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用呼吸機(jī)自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制的目的。

去模糊計(jì)算的過(guò)程中最關(guān)鍵的步驟是算法的選擇，我們選擇最大隸屬度法開(kāi)展計(jì)算過(guò)程，這種算法是從模糊子集中選取控制量，所選取的元素是被選子集中隸屬度最大的元素。如果出現(xiàn)醫(yī)用呼吸機(jī)自適應(yīng)模糊控制輸出量隸屬度函數(shù)的極值不唯一，控制量則按照多個(gè)極值求平均數(shù)的方法來(lái)計(jì)算。

3 呼吸機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本節(jié)主要對(duì)前向通道、后向通道以及微處理器電路接口的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，其中前向通道設(shè)計(jì)針對(duì)數(shù)據(jù)采樣電路開(kāi)展相關(guān)工作，因此呼吸機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中前向通道硬件主要包含傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路。163PC01D48和163PC01D36為Honeywell公司生產(chǎn)的差壓型傳感器，同屬于160系列，差別較小，均為帶放大、溫度補(bǔ)償直插式差壓傳感器。

對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的硬件進(jìn)行選擇時(shí)應(yīng)該綜合考慮多種因素，主要依據(jù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)和速率，工作電壓和基準(zhǔn)電壓等方面，該轉(zhuǎn)換電路的選擇依據(jù)和功能性原則是在能夠完成預(yù)定功能的前提下使電路盡可能簡(jiǎn)單并且可靠。

本文所述的醫(yī)用呼吸機(jī)需要采集的信號(hào)分為氣道壓力信號(hào)和流量差壓信號(hào)兩種，所涉及兩種信號(hào)的傳感器輸出電壓都在1V到6V之間，由于本系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)屬于壓力信號(hào)，變化較慢，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求需較高的采樣率，考慮到需要兩路信號(hào)，因此選用多路模擬開(kāi)關(guān)AD7501和A/D轉(zhuǎn)換器AD571結(jié)合來(lái)完成采樣。

在進(jìn)行微處理器單片機(jī)選擇時(shí)，確保程序存儲(chǔ)器不必?cái)U(kuò)展的情況下，另外考慮能兼容MCS-51指令系統(tǒng)和具有程序監(jiān)控復(fù)位功能的硬件看門(mén)狗電路，本系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89C51RC單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理與控制芯片。

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