摘 要：呼吸機除了給患者提供持續(xù)穩(wěn)定的氧氣輸入，還需對呼吸狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。本文提出一種基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由單片機主控模塊、風(fēng)機驅(qū)動模塊、流量傳感器、壓力傳感器、通氣管道、面罩以及基于MATLAB開發(fā)的GUI上位機軟件七部分組成。主控模塊將流量傳感器監(jiān)測的實時流量數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上位機進(jìn)行處理，上位機采用流量變化率觸發(fā)算法對呼吸狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并發(fā)送相關(guān)指令到主控模塊，通過PID控制算法改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)氣道壓力的動態(tài)調(diào)節(jié)。測試結(jié)果表明，所設(shè)計呼吸機系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)呼吸狀態(tài)判斷、呼吸異常情況檢測以及對呼吸波形、呼吸參數(shù)的實時顯示，并能通過PID控制實時調(diào)整通氣壓力和流量，改善患者呼吸狀況。

關(guān)鍵詞：呼吸機系統(tǒng)；雙傳感器；PID控制；風(fēng)機驅(qū)動；呼吸狀態(tài)判斷；呼吸異常檢測

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-05

0 引 言

呼吸機作為一種可以輔助病人進(jìn)行正常呼吸的設(shè)備[1]，通過用于實現(xiàn)機械通氣以提高患者的呼吸能力，改善患者的呼吸情況，提高人體肺部的通氣率，它涉及風(fēng)機、控制芯片、高精度傳感器等元器件。

準(zhǔn)確識別患者的呼吸狀態(tài)是呼吸機的關(guān)鍵功能，當(dāng)前市面上呼吸機大都采用壓力觸發(fā)和流量觸發(fā)兩種方式進(jìn)行呼吸狀態(tài)檢測[2]。壓力觸發(fā)原理是以患者的呼吸動作導(dǎo)致通氣管道內(nèi)氣壓值產(chǎn)生的變化為依據(jù)[3]，患者吸氣時氣壓值會減小，呼氣時氣壓值會增大，當(dāng)分別達(dá)到設(shè)定的觸發(fā)閾值時則會觸發(fā)對應(yīng)的通氣過程。流量閾值觸發(fā)與壓力觸發(fā)的原理大同小異，只是將觸發(fā)條件變?yōu)橥夤艿纼?nèi)氣體流量值的變化，相比于壓力觸發(fā)，其具有觸發(fā)更靈敏、始終保持氣道內(nèi)有新鮮氣體的優(yōu)點[4]。但是當(dāng)患者出現(xiàn)低通氣情況時由于事先設(shè)定的觸發(fā)閾值過高，使用流量閾值觸發(fā)有可能無法實現(xiàn)準(zhǔn)確的呼吸狀態(tài)判斷，從而導(dǎo)致人機不同步，影響患者的使用[5]。范霖等[6]通過快速響應(yīng)濕度傳感器進(jìn)行呼吸狀態(tài)的檢測，但是濕度傳感器若放置在距離口腔較近的位置，會降低患者的使用舒適度。

本文提出了一種基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統(tǒng)，通過流量傳感器實時檢測通氣時氣道中的氣體流量數(shù)據(jù)，計算出流量變化率，從而實現(xiàn)患者呼吸狀態(tài)的判斷以及相關(guān)呼吸參數(shù)的準(zhǔn)確計算。結(jié)合壓力傳感器，采用PID控制算法[7]使氣道壓力迅速接近預(yù)先設(shè)定的期望壓力。與傳統(tǒng)采用呼吸流量閾值觸發(fā)方式的呼吸機相比較，本系統(tǒng)的優(yōu)點是：不論是在患者正常呼吸還是在患者出現(xiàn)低通氣情況時呼吸機系統(tǒng)都能實現(xiàn)呼吸狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

1 呼吸機系統(tǒng)框架設(shè)計

基于PID控制的雙傳感器呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)的框圖如圖1所示，主要包含呼吸管道和醫(yī)用面罩、控制模塊、上位機軟件三部分?？刂颇K主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)流量傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集[8]，并通過串口將數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機，同時實現(xiàn)風(fēng)機驅(qū)動功能。上位機軟件對串口傳輸?shù)牧髁繑?shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確接收，通過相關(guān)算法進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對患者呼吸狀態(tài)的判斷以及呼吸是否存在異常情況的檢測。上位機也可以通過串口發(fā)送指令到單片機，單片機根據(jù)上位機發(fā)送的指令去調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)動態(tài)反饋達(dá)到調(diào)節(jié)呼吸管道氣壓值的目的，患者的實時呼吸流量波形、呼吸管道氣壓變化曲線、相關(guān)呼吸狀態(tài)參數(shù)也可以在上位機上查看。

2 呼吸機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 PID控制算法

呼吸機系統(tǒng)由單片機主控模塊驅(qū)動風(fēng)機形成氣道壓力，壓力傳感器將檢測到的氣道壓力值返回到主控模塊進(jìn)行PID運算，進(jìn)而使輸出盡量靠近目標(biāo)壓力值，形成了一個閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)框圖如圖2所示。

呼吸機系統(tǒng)采用PID控制算法來實現(xiàn)上述壓力控制過程，通過計算出實際測量壓力與目標(biāo)壓力的差值，借助比例、積分、微分運算得到的控制量進(jìn)行動態(tài)控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理如圖3所示。其中：r（t）表示設(shè)定的目標(biāo)壓力值；y（t）表示系統(tǒng)的實際測量值；e（t）表示實際測量值與目標(biāo)值的誤差量；u（t）表示被控對象輸入值；P（s）表示被控對象傳遞函數(shù)，在本系統(tǒng)中代表控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速的占空比大小。

模擬PID計算公式為：

（1）

式中：Kp代表比例系數(shù)；Ti代表積分時間；Td代表微分時間；Kp與Ti的比值為積分系數(shù)；Kp與Td的比值為微分系數(shù)。但是在實際應(yīng)用中需要將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散數(shù)字量進(jìn)行處理，將式（1）進(jìn)行離散化處理后得到數(shù)字PID計算表達(dá)

式為：

（2）

式中：k代表采樣號；T代表采樣周期；ek代表此次采樣值與目標(biāo)值的差值。經(jīng)過計算可以得到輸出值uk，進(jìn)而控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，這種控制方式被稱為全量式PID控制器。

2.2 流量變化率觸發(fā)算法

呼吸機系統(tǒng)的核心就是能夠高效準(zhǔn)確地識別出患者的呼吸狀態(tài)，因此需要采用的呼吸狀態(tài)檢測算法具有較高的精確度和較快的識別速度。傳統(tǒng)的流量閾值觸發(fā)算法在判斷患者呼吸狀態(tài)時存在延時大、患者低通氣時無法準(zhǔn)確識別的缺點。因此，本系統(tǒng)選用流量變化率閾值觸發(fā)的方法對患者的呼吸狀態(tài)進(jìn)行檢測。當(dāng)患者吸氣時，通氣管道內(nèi)的氣體流動加快，流量變化曲線由低變高。患者呼氣時，由于呼氣方向與風(fēng)機輸出方向相反，導(dǎo)致通氣管道內(nèi)氣體流動降低，流量變化曲線隨之由高到低變化。通過將流量變化率與設(shè)定的呼氣、吸氣變化率閾值進(jìn)行比較，實現(xiàn)對患者呼氣、吸氣狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

具體實現(xiàn)方式是將系統(tǒng)接收到的流量值數(shù)據(jù)保存為一個兩位的數(shù)組，并且數(shù)組內(nèi)容會伴隨著串口數(shù)據(jù)的實時傳輸進(jìn)行刷新；再調(diào)用MATLAB的diff（）函數(shù)對數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)操作，將得到的導(dǎo)數(shù)結(jié)果與設(shè)定的流量變化率閾值進(jìn)行比較，即可實現(xiàn)呼吸狀態(tài)的判斷，計算方法如下：

（3）

（4）

（5）

式中：Flow[i+1]和Flow[i]分別表示流量傳感器連續(xù)采集的兩位流量數(shù)據(jù)，二者相減得到的即是流量變化值?F；?T表示采集到兩個連續(xù)數(shù)值時間間隔。

經(jīng)過人體反復(fù)試驗后發(fā)現(xiàn)，將呼氣變化率閾值KO和吸氣變化率閾值KI分別設(shè)置為-0.8和0.8時，能精確實現(xiàn)對呼吸狀態(tài)的判斷。當(dāng)K小于呼氣變化率閾值KO時，系統(tǒng)將呼吸狀態(tài)判定為呼氣；當(dāng)K大于吸氣變化率閾值KI時，系統(tǒng)將呼吸狀態(tài)判定為吸氣。流量變化率閾值觸發(fā)算法流程如圖4所示。相關(guān)呼吸參數(shù)的計算也需要根據(jù)呼吸狀態(tài)的檢測結(jié)果來實現(xiàn)，呼吸頻率指患者1 min內(nèi)由吸氣動作轉(zhuǎn)到呼氣動作的總次數(shù)，通過計算單位時間內(nèi)呼氣和吸氣狀態(tài)的觸發(fā)次數(shù)而得到呼吸頻率。異常呼吸檢測指對患者出現(xiàn)低通氣或者呼吸暫停狀況，以及對長時間內(nèi)通氣流量值偏低或者長時間無法觸發(fā)呼吸狀態(tài)的檢測。

3 呼吸機系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統(tǒng)硬件部分由微控制器模塊、風(fēng)機驅(qū)動模塊以及呼吸管道和呼吸面罩組成。其中微控制器模塊負(fù)責(zé)對風(fēng)機的驅(qū)動、雙傳感器數(shù)據(jù)的采集以及LED燈等外設(shè)的控制，并實現(xiàn)與上位機之間的串口通信；風(fēng)機、呼吸管道和呼吸面罩構(gòu)成了呼吸通道。呼吸機系統(tǒng)硬件連接如圖5所示。

3.1 傳感器模塊硬件設(shè)計

傳感器采集電路包括壓力傳感器采集電路和流量傳感器采集電路。本系統(tǒng)中壓力傳感器選用寶勝信息公司的MCP-H10-A10KPP，該傳感器體積小、反應(yīng)靈敏、測量精度高，測量范圍為0～10 kPa，符合呼吸機應(yīng)用要求；采用5 V電源供電，因此直接與控制芯片的ADC模擬輸入引腳連接，其采集電路和實物如圖6所示。流量傳感器選用奧松電子的 AFM3000流量傳感器，專為呼吸機應(yīng)用而設(shè)計，以超高的精確度測量氣體流量，其電路連接方式也是直接與控制芯片的對應(yīng)引腳連接，流量傳感器采集電路及實物圖如圖7所示。

3.2 主控及其外圍電路設(shè)計

呼吸機系統(tǒng)選用STM32F407ZGT6作為單片機模塊的主控芯片，該芯片主頻為168 MHz，其SRAM的大小為192 KB、FLASH的大小為512 KB，同時包含了多個I/O接口，能夠?qū)崿F(xiàn)多個外圍電路的連接，并且擁有三個ADC，能夠滿足多個傳感器的數(shù)據(jù)采集[9]。為了實現(xiàn)上位機與單片機的數(shù)據(jù)傳輸，采用CH340G串口芯片來實現(xiàn)串口的通信。外圍電路包括LED指示燈、蜂鳴器、按鍵這三部分，電路分別直接連接到主控芯片上對應(yīng)輸出引腳，LED的電路是低電平時有效，其作用是對患者的呼吸狀態(tài)進(jìn)行指示并且反映系統(tǒng)是否正常運行；蜂鳴器用于在患者出現(xiàn)異常呼吸狀況時進(jìn)行報警；按鍵用來實現(xiàn)系統(tǒng)的外設(shè)控制功能。

單片機模塊外接12 V電源進(jìn)行單獨供電，再由12 V電源產(chǎn)生傳感器和其他模塊所需要的電壓，12 V到5 V、3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換均選用高效降壓穩(wěn)壓芯片TPS562201完成。單片機控制板實物圖如圖8所示。

3.3 風(fēng)機及驅(qū)動模塊

目前市面上多數(shù)無創(chuàng)性通氣設(shè)備使用的都是BLDC（直流無刷電機）[10]，其具有使用壽命長、運轉(zhuǎn)速度高、運轉(zhuǎn)噪音小[11]這幾項優(yōu)勢。本系統(tǒng)選用 Wonsmart公司生產(chǎn)的高速直流無刷風(fēng)機，使用電機驅(qū)動板進(jìn)行控制。通過主控芯片STM32F407ZGT6對風(fēng)機驅(qū)動電路和三相全橋電路進(jìn)行控制，從而驅(qū)動風(fēng)機。在讀取到霍爾傳感器的數(shù)據(jù)后，根據(jù)相應(yīng)的換相規(guī)則對三相全橋電路的6個MOS管進(jìn)行關(guān)斷與導(dǎo)通控制，使任意時刻上橋臂與下橋臂分別只有一個MOS管導(dǎo)通，從而形成回路，使得風(fēng)機按所需方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，輸出氣流。風(fēng)機及其驅(qū)動模塊如圖9所示。

4 呼吸機系統(tǒng)軟件設(shè)計

呼吸機系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩部分：一部分是在 Keil上面設(shè)計的單片機控制程序；另外一部分是基于MATLAB的GUI上位機程序設(shè)計。

4.1 單片機控制程序設(shè)計

單片機主程序運行流程如圖10所示。主控模塊上電啟動后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后通過串口通信向上位機發(fā)送傳感器采集到的呼吸流量數(shù)據(jù)和氣道壓力數(shù)據(jù)，同時接收上位機軟件發(fā)送的控制指令；緊接著根據(jù)相關(guān)指令去運行PID壓力控制程序，并通過STM32高級定時器的PWM互補輸出通道實現(xiàn)無刷直流電機的輸出換相，改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速使得氣道壓力向期望值靠近。

4.2 MATLAB上位機程序設(shè)計

呼吸機系統(tǒng)上位機軟件基于MATLAB的GUI平臺進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。上位機根據(jù)呼吸機系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，將界面分為5個部分：串口參數(shù)、系統(tǒng)控制、氣道壓力和呼吸流量的波形顯示、通氣模式設(shè)置以及呼吸情況判斷?；颊呖梢栽诖趨?shù)界面中設(shè)置好串口通信的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后點擊系統(tǒng)控制界面中的啟動程序，系統(tǒng)會進(jìn)行串口、繪圖程序的初始化。接收到下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進(jìn)入中斷程序。在中斷程序中，軟件會對接收到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，更新呼吸情況判斷界面中的呼吸狀態(tài)等參數(shù)。上位機程序的運行流程如圖11所示。

5 呼吸機系統(tǒng)測試

5.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

呼吸機系統(tǒng)的測試環(huán)境如圖12所示，包括單片機主控模塊、風(fēng)機以及連接流量傳感器的呼吸管路、呼吸面罩、電腦上位機、外接電源。連接好所有需要的硬件設(shè)備后，接通電源，通過USB接口將單片機控制模塊與電腦進(jìn)行連接，上位機檢測到串口相關(guān)參數(shù)匹配后代表硬件與上位機連接成功。當(dāng)患者點擊“啟動程序”后，上位機會進(jìn)行初始化，呼吸管道內(nèi)的氣體流量和氣壓值都會在上位機的波形顯示界面中顯示，患者也能在上位機界面中看到相關(guān)的呼吸參數(shù)，如呼吸狀態(tài)、呼吸頻率等。

5.2 呼吸機系統(tǒng)測試

為了驗證所設(shè)計呼吸機系統(tǒng)的可行性，對4位患者進(jìn)行呼吸測試，并對4位患者在1 min內(nèi)的測試呼吸次數(shù)與實際呼吸次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，見表1所列。從表中數(shù)據(jù)可以看到患者呼吸頻率的測試值與實際值相同。

系統(tǒng)的上位機界面如圖13所示。從圖中可以看到，患者此時呼吸正常，其呼氣和吸氣過程都得到了準(zhǔn)確的識別，同時患者的呼吸頻率等參數(shù)也在上位機進(jìn)行了顯示。從壓力波形可以看出，患者在呼氣和吸氣時的氣壓值是在設(shè)定壓力值上下變化的，證明系統(tǒng)能夠通過PID實現(xiàn)動態(tài)控制，在患者呼氣時風(fēng)機降速使得氣道壓力降低，患者呼氣更加順暢；吸氣時風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大使得氣道壓力增大，讓患者更快速地吸入氧氣。

圖14是高頻呼吸檢測結(jié)果。從圖中可以看到，患者每分鐘的呼吸頻率超過40次，處于呼吸急促狀態(tài)，系統(tǒng)仍能準(zhǔn)確判斷出患者的呼吸狀態(tài)，完成高頻觸發(fā)。

如圖15所示，上位機檢測到患者低通氣發(fā)生后，發(fā)送增壓指令到單片機，從而使得風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大，使氣道壓力增強，進(jìn)而改善患者的通氣狀況。從圖中可以看到，氣道壓力在PID控制下于1 s內(nèi)便上升到了設(shè)定的壓力值，使患者恢復(fù)到正常呼吸狀態(tài)。由此可知，即使是在低通氣情況下，本系統(tǒng)仍能精確地識別出患者的呼吸狀態(tài)，有效避免了傳統(tǒng)流量閾值觸發(fā)算法導(dǎo)致的低通氣無法進(jìn)行呼吸狀態(tài)檢測的問題。

如圖16所示，上位機檢測到患者發(fā)生呼吸暫停后，發(fā)送增壓指令到單片機，從而使得風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大，使氣道壓力增強，幫助患者恢復(fù)正常呼吸。從圖中可以看到，氣道壓力在PID控制下于1 s內(nèi)便上升到了設(shè)定的壓力值，使患者恢復(fù)到正常呼吸狀態(tài)。

6 結(jié) 語

本文提出一種基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統(tǒng)。呼吸機系統(tǒng)在將STM32F407ZGT6作為主控芯片的單片機控制板上采用PID控制實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制、串口通信、LED指示燈閃爍、蜂鳴器報警等功能，結(jié)合上位機的流量變化率閾值觸發(fā)算法，對采集的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)對患者呼吸動作的準(zhǔn)確判斷；結(jié)合壓力傳感器通過PID控制實現(xiàn)通氣管道內(nèi)氣壓的動態(tài)控制。系統(tǒng)能對低通氣、呼吸暫停等狀況及時做出氣壓調(diào)整，幫助患者恢復(fù)正常呼吸，在患者處于呼吸急促情況下仍能實現(xiàn)呼吸狀態(tài)的高頻觸發(fā)。與傳統(tǒng)采用流量閾值觸發(fā)算法的呼吸機相比，本系統(tǒng)能夠在患者發(fā)生低通氣情況下實現(xiàn)呼吸狀態(tài)的準(zhǔn)確識別，提高了患者使用呼吸機時的通氣安全性。

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作者簡介：李德鑫（1997—），男，四川宜賓人，碩士研究生，就讀于西南交通大學(xué)電子信息專業(yè)，研究方向為信息感知、獲取與處理技術(shù)。