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        基于方艙醫(yī)院大規(guī)模應(yīng)急呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2022-01-20 13:29:30劉怡昕安曉峰通信作者王宇飛
        電子制作 2021年24期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)葉潮氣量無源

        劉怡昕,安曉峰(通信作者),王宇飛

        (吉林工程技術(shù)師范學(xué)院,吉林長春,130052)

        0 引言

        目前,人工定時(shí)測量、檢查記錄,并繪制實(shí)時(shí)呼吸曲線依舊是各大醫(yī)院監(jiān)測病人呼吸情況的主要方式。這項(xiàng)工作不僅耗費(fèi)大量的人力資源,而且無法及時(shí)反饋病人的實(shí)時(shí)情況,很可能會(huì)錯(cuò)失治療最佳時(shí)間。為此,在深入了解了現(xiàn)如今國內(nèi)外部分呼吸監(jiān)護(hù)儀器原理之后,研究了一種以模擬生理壓值變化來實(shí)現(xiàn)對呼吸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測的研究[1]。作為控制系統(tǒng)的單片機(jī),它將在感應(yīng)到呼吸氣流后,完成模擬血氧飽和度值并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后由液晶顯示器等電子系統(tǒng)進(jìn)行檢測和記錄,最終實(shí)現(xiàn)對患者的呼吸狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測[2]。該呼吸監(jiān)護(hù)儀可以隨時(shí)對病人的各項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)護(hù)、預(yù)測,從而為醫(yī)生提供應(yīng)急處理和治療方案的依據(jù)[2]。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        ■1.1 壓力傳感器

        此設(shè)計(jì)中的壓力傳感器選用了含有單晶硅片半導(dǎo)體材料的壓阻式壓力傳感器。單晶硅片是由集成電路工藝制成的,當(dāng)表面的擴(kuò)散電阻受到外力作用時(shí),其阻值與壓力會(huì)跟隨壓力的變化而變化。而這種壓阻元件就是在半導(dǎo)體材料的基片上選用了這種阻值與外界壓力成正比的擴(kuò)散電阻。研究表明只要一個(gè)系統(tǒng)能同時(shí)檢測到呼吸力學(xué)中的最基本的三個(gè)量:流量、壓力和時(shí)間,就能通過這三個(gè)基本物理量計(jì)算得到十多個(gè)呼吸的基本量,如呼吸頻率、吸氣呼氣時(shí)間比、峰值流量等。

        ■1.2 呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的原理

        本設(shè)計(jì)的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)是一種高性能的系統(tǒng),主要由單片機(jī)系統(tǒng)、流量傳感器和壓力傳感器等組成,價(jià)格低廉,耗能少,效率高。流量傳感器內(nèi)部有一個(gè)微小限流孔,在呼吸氣流流過時(shí),會(huì)感應(yīng)到一個(gè)壓力差,隨即將此壓力差傳遞給壓力傳感器,壓力傳感器對呼吸道內(nèi)的氣體流量進(jìn)行測量并計(jì)算。所以在使用呼吸監(jiān)護(hù)儀時(shí),首先將流量傳感器與病人的呼吸道同呼吸機(jī)相連,兩路的氣流呼吸一路被各項(xiàng)儀器監(jiān)測,輸出壓力經(jīng)過壓力傳感器測量后發(fā)送信號(hào),先后經(jīng)過放大、濾波處理,被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化狀態(tài)信息,再經(jīng)過相關(guān)程序的計(jì)算和波形特征識(shí)別,形成相應(yīng)的客觀參數(shù)和曲線[3]。

        呼吸監(jiān)護(hù)主系統(tǒng)內(nèi)部原理圖,如圖1所示。

        圖1 呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理圖

        2 模擬電路部分

        ■2.1 放大電路設(shè)計(jì)

        流量傳感器主要負(fù)責(zé)檢測并傳遞信號(hào),其內(nèi)部有一個(gè)限流裝置,它能夠及時(shí)監(jiān)測出呼吸道內(nèi)的微弱氣流壓差。后續(xù)將此信號(hào)進(jìn)行先放大再濾波,以得到低噪聲呼吸生理信號(hào)。為避免模干擾,進(jìn)行阻抗匹配,系統(tǒng)采用儀用放大器結(jié)構(gòu)。

        2.1.1 儀用放大器的介紹

        儀用放大器由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成,即輸入級(jí)和輸出級(jí),總輸出失調(diào)電壓等于輸入失調(diào)乘以增益加上輸出失調(diào)。盡管初始的失調(diào)電壓可以通過外部來調(diào)零,但失調(diào)電壓漂移則不能通過調(diào)整來消除.與一般運(yùn)放的失調(diào)電壓一樣,儀用放大器的失調(diào)電壓漂移也由兩部分組成,及輸入和輸出兩部分。每一部分均對總增益有影響,但當(dāng)增益提高時(shí)輸入部分的失調(diào)漂移將成為主要的誤差源,而輸出部分的影響可以忽略。

        2.1.2 儀用放大器的工作原理

        儀用放大器是在差動(dòng)放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種比較完善的放大器.作為已成型的儀用放大器,其內(nèi)部是由三個(gè)運(yùn)放和一些精密電阻構(gòu)成,低聲噪的放大低電平信號(hào)對后端數(shù)字信號(hào)處理和人體呼吸信息識(shí)別與計(jì)算都有非常重要的意義。并且其對稱結(jié)構(gòu)的多種高性能,高功率,對整個(gè)系統(tǒng)起著重要作用。例如,它的抗干擾能力和溫度穩(wěn)定性等。

        ■2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

        國際上常見的有源濾波器高價(jià)格,低容量。且大容量硅閥技術(shù)尚未成熟,所以此設(shè)計(jì)中濾波電路用無源低通濾波電路。其截止頻率為:

        可濾除各種高頻干擾,其放大倍數(shù)A≈1。

        無源濾波器的原理:在濾除非線性用戶用電設(shè)備所產(chǎn)生的高次諧波,改善電流和電壓波形,提高電能質(zhì)量,解決諧波源對電網(wǎng)及用戶的污染,確保電網(wǎng)用戶的設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí)還可補(bǔ)償用戶無功電力,提高功率因數(shù)和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。無源濾波器還能減少因諧波電流所造成的有功及無功電能損耗,對節(jié)約能源,充分利用設(shè)備容量,均有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

        采用無源濾波的優(yōu)點(diǎn):無源濾波器現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于諧波治理。其相對有源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、濾波范圍廣、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高。

        3 電源電路

        壓力傳感器的輸出屬于電流驅(qū)動(dòng)型模擬信號(hào)。1.5mA的激勵(lì)電流對應(yīng)一定的壓力滿量程輸出,近距離輸出電壓一般為100~150mV。恒流激勵(lì)可提高測量精度,而適當(dāng)減小激勵(lì)電流可以擴(kuò)大測量范圍。本設(shè)計(jì)中采用直流穩(wěn)壓電源。

        直流穩(wěn)壓電源能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源,當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí),穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會(huì)保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展,對電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。

        4 系統(tǒng)檢測過程

        呼吸系統(tǒng)監(jiān)測前期為吸氣期,氣道內(nèi)氣體壓力增高,為流量傳感器提供第一個(gè)信號(hào)[4]。氣體經(jīng)各個(gè)呼吸道、腔室直接流向肺泡,導(dǎo)致肺泡內(nèi)氣壓大于大氣壓。呼氣時(shí)呼吸機(jī)管道與外界大氣相通,開始被動(dòng)呼氣,氣體經(jīng)高壓流向低壓,直至肺內(nèi)氣壓與大氣壓相等。市場上普遍的鐘表式容量計(jì)的傳感器為簡單結(jié)構(gòu)風(fēng)葉。當(dāng)呼吸氣流推動(dòng)風(fēng)葉,使風(fēng)葉被迫轉(zhuǎn)動(dòng),再根據(jù)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速計(jì)算并顯示每次通氣量。該系統(tǒng)所運(yùn)用的電子呼吸容量計(jì)的傳感器也是風(fēng)葉,不同的是該儀器通過紅外線探測風(fēng)葉轉(zhuǎn)速,再經(jīng)一系列電子系統(tǒng)處理后在液晶顯示屏上以數(shù)字和圖形實(shí)時(shí)顯示潮氣量和分鐘通氣量,反饋病人此刻呼吸情況及身體狀況。

        如圖2所示,氣體先經(jīng)流量傳感器,將轉(zhuǎn)化成的生理信號(hào)傳遞給壓力傳感器,單片機(jī)系統(tǒng)此時(shí)模擬血氧飽和度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電子呼吸容量計(jì)經(jīng)紅外探測,計(jì)算出氣流流速,壓差,潮氣量以及分鐘通氣量。液晶顯示屏隨即顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖形。

        圖2 呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)流程圖

        呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)圖,如圖3所示,其中潮氣量×呼吸頻率=每分通氣量。圖中右側(cè),呼吸頻率19次/分,PEEP2cmHg,屬于人體正常數(shù)據(jù)。下側(cè)所標(biāo)潮氣量6.8ml/kg,CPAP持續(xù)氣道內(nèi)正壓通氣8cmHg。該設(shè)計(jì)同現(xiàn)如今平價(jià)品牌呼吸機(jī),醫(yī)院臨床呼吸機(jī)進(jìn)行控制變量數(shù)據(jù)比對。結(jié)果表明,并無實(shí)質(zhì)性差異,且該設(shè)計(jì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)顯示更具體,更形象。

        圖3 呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)圖

        5 結(jié)束語

        由模擬傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和部分集成電路共同構(gòu)成了該新型呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件部分。該系統(tǒng)可以通過上述硬件順利完成對壓力信號(hào)的放大、濾波,對呼吸頻率、峰值壓力、潮氣量等十多項(xiàng)實(shí)時(shí)呼吸力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測,為醫(yī)療團(tuán)隊(duì)提供有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中,可以有效提高對患者呼吸監(jiān)護(hù)的程度,及時(shí)掌握患者肺呼吸能力,動(dòng)脈血?dú)馇闆r,幫助醫(yī)生診斷病人呼吸功能障礙類型和嚴(yán)重程度,對呼吸治療及時(shí)有效做出合理判斷。該系統(tǒng)可以為急診醫(yī)療和臨床醫(yī)療,提供切合實(shí)際的援助,為危重病人提供更高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù),使呼吸監(jiān)護(hù)不再滯后于心血管監(jiān)護(hù),減少因呼吸因素所致的猝死,心跳驟停。此系統(tǒng)開發(fā)難度低,成本低廉,易于大規(guī)模生產(chǎn)和使用,并且減少了醫(yī)院資金投入,病人的醫(yī)療費(fèi)負(fù)擔(dān)。每一位病人都值得最好的醫(yī)療條件,監(jiān)護(hù)設(shè)備。

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