醫用空氣壓縮機智能化氣源切換裝置的加裝

【作 者】劉波，汪家旺

1 南京醫科大學第一附屬醫院，江蘇，南京，210029

2 南京醫科大學生物醫學工程系，江蘇，南京，210029

當前，許多醫院都配置了中心供氣設施驅動呼吸機和麻醉機等醫療設備[1]。與傳統的醫用空氣壓縮機相比較，中心供氣具有節省能源、無壓縮機噪聲和維護保養方便等優點[2]。為適應這一發展趨勢， SIEMENS Compact和Mini等先進呼吸機匹配的空氣壓縮機具備待機模式[3]，采用中心供氣，但當中心供氣發生故障時，呼吸機可以自動探測到氣體壓力的異常下降，并且智能切換至空氣壓縮機供氣。國內的空氣壓縮機通常不具備此種功能，必須由使用人員手動切換氣源，往往會造成切換時機的延誤，影響治療效果。

SMART呼吸機是我們研制的一款具有一定智能化程度的微機控制的高檔無創呼吸機，而與其配套的國產醫用空氣壓縮機不具備待機模式。針對這一問題對其進行改進，使其不但在中心供氣出現故障時可以自動切換至空氣壓縮機，而且當故障排除后還可以自動切換回中心供氣，完全滿足了SMART呼吸機的匹配要求。

1 氣源智能切換裝置

1.1 加裝氣源切換裝置的必要性

中心供氣系統需要嚴格的管理和經常性的維護保養，以確保設備運行的可靠性[4]。呼吸機是對自主呼吸能力喪失或減低的危重病人實施呼吸支持的重要設備[5]，一旦壓縮氣體的供應出現故障，往往會導致呼吸機工作異常，嚴重時甚至會危及病人生命。空氣壓縮機加裝氣源切換裝置后，可在中心供氣和空氣壓縮機供氣二者間自主切換，大大降低了因供氣發生的呼吸機故障。

1.2 氣源切換裝置硬件平臺搭建

1.2.1 材料

采用二個Honeywell公司的26PCF壓力傳感器分別用于測量中央供氣和空氣壓縮機供氣壓力。26PCF壓力傳感器采用集成電路技術和硅壓敏電阻技術[6]，其測量精確性較高，帶有溫度補償和校正，測量類型為表壓，量程為0-100 psi。采用德國寶德公司電控兩位三通閥作為氣源切換閥門。

Smart呼吸機采用兩個功能較為強大的C8051f020單片機作為控制核心。C8051f020單片機具備片內12位8通道A/D轉換器[7]，可以直接通過引腳輸入壓力傳感器的模擬信號。在改裝過程中，我們避免使用專門的單片機，而是利用了呼吸機中的C8051f020單片機的富余能實現對氣源切換裝置進行控制。

1.2.2 硬件安裝方法

為了對氣源壓力進行監測，并達到氣源自動切換的目的，需要對空氣壓縮機進行一定程度的改裝。如圖1所示，將空氣壓縮機后蓋板拆除后，首先將空氣壓縮機氣體輸出單向閥前的管道斷開，依次接入一只三通接頭和一只兩位三通閥門，在三通接頭上連接壓力傳感器1，對空氣壓縮機的輸出壓力進行監測；然后在兩位三通閥的另一個輸入接口上連接一根軟管，軟管另一頭連接醫用氣體快速接頭，軟管中段用三通接頭接入壓力傳感器2，對中央供氣壓力進行監測；在空氣壓縮機側面板上開孔，將醫用氣體快速接頭固定其上。為了方便今后的檢修，將氣體快速接頭和兩個壓力傳感器的安裝位置做成可以打開的活門結構。將壓力傳感器1、2的輸出信號用導線引出，經運算放大器放大、低通濾波后，分別接入呼吸機控制主板上的單片機的片內AD轉換器0的模擬輸入引腳18、19。

圖1 硬件結構圖Fig.1 Image of Hardware Structure

對空氣壓縮機電源進行改裝，加裝控制繼電器，使呼吸機內的單片機可以控制空氣壓縮機電源的通斷。

1.3 氣源切換裝置的軟件架構

使用c語言編寫氣源監測、切換程序，在呼吸機的控制菜單中增加氣源控制選項菜單。通過呼吸機的液晶屏幕，可選擇切換裝置的工作方式。

氣源切換裝置控制菜單的結構如圖2所示，設置關閉和開啟兩個選項。當選擇關閉選項時，呼吸機僅對氣源的壓力進行監測，當氣源壓力異常時在液晶屏上顯示報警信息而不對氣源進行切換。如果選擇開啟選項，則可進一步選擇節能或待機兩種工作模式。當選擇節能模式時，如果中心供氣壓力正常，單片機控制空氣壓縮機的電源繼電器處于斷開位置，空氣壓縮機不工作，同時兩位三通閥門處在接通中心供氣的位置。如果中心供氣壓力出現異常，則單片機發出控制信號使電源繼電器閉合，同時使兩位三通閥門處在接通空氣壓縮機的位置，空氣壓縮機開始工作，建立壓力后向呼吸機供氣。節能模式的優點是當中心供氣壓力正常時，空氣壓縮機的電源是斷開的，在節省電能的同時降低了噪聲。其缺點是當空氣壓縮機剛開始工作時，需要一定的時間才能使機內貯氣罐中的空氣壓力由零上升至工作壓力，這可能導致在此段時間之內呼吸機工作出現異常。

與節能模式相比較，待機模式的不同點在于不論中心供氣壓力是否正常，單片機總是控制空氣壓縮機處于加電狀態，使空氣壓縮機的貯氣罐中氣體壓力時刻處于工作壓力。這種情況下，如果中心供氣壓力出現異常，兩位三通閥自動切換至接通空氣壓縮機位置，呼吸機可以立即得到正常壓力的壓縮空氣供應，幾乎不會有任何延遲。其缺點是即使中心供氣壓力正常，空氣壓縮機也要一直維持工作壓力，導致能耗和噪聲較節能模式要大一些。氣源切換裝置的C語言程序流程圖見圖3。

圖2 切換裝置控制菜單結構圖Fig.2 Control Menu Structure of Switching Device

圖3 切換裝置軟件程序流程圖Fig.3 Flow Chart of Switching Device Software

2 結論

將改裝的空氣壓縮機安裝在SMART呼吸機上驗證，結果證明智能氣源切換裝置操作方便，動作靈敏可靠，能在中心供氣和空氣壓縮機供氣之間自動進行智能切換，且具備多種工作模式，較好的實現了設計目標。

[1] 楊斌, 張美, 袁鐘清. 給予壓力監測醫用壓縮空氣供應系統[J]. 醫療衛生裝備, 2010, 31(1): 112-113.

[2] 陳渡平, 王征, 錢歡. 呼吸機中心供氣與空壓機供氣自動切換裝置[J]. 中國醫療器械雜志, 2007, 31（6）.452.

[3] 林頤勝. 對呼吸機空氣壓縮機的探討[J]. 醫療衛生裝備, 2005,26(9): 43-45.

[4] 廖火平. 醫院供氣中心的建設和維護[J]. 中國醫療設備, 2008,23(4): 77-78.

[5] 蔡映云. 機械通氣及臨床應用[M]. 上海: 上?？茖W技術出版社,2002

[6] 譚志堅, 楊東, 鄭則廣. 呼吸機觸發技術的現狀和新進展[J]. 中國醫療設備, 2009, 23(4): 56-59.

[7] 張培仁, 孫力. 基于C語言C8051F系列微控制器原理與應用[M].北京: 清華大學出版社, 2007