多重反饋閉環控制便攜式呼吸機的設計

馮小冬，汪家旺，林劉華，楊濤，翁羽潔

（1.南京醫科大學 生物醫學工程系，江蘇南京 210029；2.東南大學 電子科學與工程系，江蘇 南京 210000）

多重反饋閉環控制便攜式呼吸機的設計

馮小冬1，汪家旺1，林劉華2，楊濤1，翁羽潔1

（1.南京醫科大學 生物醫學工程系，江蘇南京 210029；2.東南大學 電子科學與工程系，江蘇 南京 210000）

在便攜式呼吸機中引入閉環控制，能夠增強便攜式呼吸機的性能，使便攜式呼吸機的使用更為安全、有效。將肺的力學性質、呼氣末期二氧化碳分壓（PetCO2），血氧飽和度（SaO2）作為反饋信號，控制呼吸機的工作與調整，在不影響便攜性能的基礎上，增強便攜式呼吸機治療效果。

便攜式呼吸機；閉環控制；血氧飽和度

Abstract:Making use of closed-loop control for portable medical ventilator can enhance the performance of portable medical ventilator and make it more safe. Using the respiratory mechanics, end-tidal CO2pressure(PetCO2), arterial oxygen saturation(SaO2) as feedback signal to control the medical ventilator will improve the therapeutic efficacy, but wouldn't affect its applicability.

Key words:portable ventilator;closed-loop control; blood oxygen saturation

便攜式呼吸機廣泛應用于急救、飛機、艦船、戰場、家庭等特殊場合，是呼吸機的一個重要分支。閉環控制成為如今呼吸機一個重要的發展方向[1-3]，早在50年代初就開始了呼吸機閉環控制的研究[2]。目前常見的ASV（適應性支持通氣）就是一種閉環控制通氣模式，在不少情況下取得了不錯的通氣效果[4]。

由于便攜式呼吸機對便攜性和穩定性的特殊要求，目前絕大部分便攜式呼吸機還是開環控制的，即將預設的壓力或潮氣量輸送給病人，并不能對病人肺的力學參數、血氧飽和度等生理參數的變化做出調節。隨著高性能的處理芯片和傳感器的出現，使得不少生理參數的檢測變得簡單，這為便攜式呼吸機的閉環控制提供了可能。

本文將設計一款便攜式呼吸機，引入肺的力學性質、呼氣末期PetCO2（二氧化碳分壓），SaO2（血氧飽和度）作為反饋信號，協助控制通氣，使通氣更加有效。

1 設計要求

閉環控制便攜式呼吸機的設計要求滿足中華人民共和國國家標準GB 9706.1和GB 9706.28。在充分保證安全性和穩定性的基礎上，使呼吸機具有良好的便攜性和強大的功能。本系統的部分功能參數如下：

通氣模式： CLV（閉環反饋通氣），PSV（壓力支持通氣），PCV（壓力控制通氣），A/C（輔助/控制通氣）。

IPAP(吸氣壓)： 3～40cmH2O。

EPAP(呼氣壓)： 3～25cmH2O。

潮氣量： 0～1500mL。

呼吸頻率： 10～30次/min。

吸呼比： 吸氣相占整個呼吸周期的10%～80%。

氧濃度：21%～100%（有外接氧氣時可調）。

2 系統組成

呼吸機系統的設計分為氣路和電路部分。

2.1 氣路部分(圖1)

圖 1 呼吸機氣路圖

對于便攜式呼吸機，氣路的復雜程度是決定呼吸機體積的重要因素。為了滿足便攜性，氣路的設計需要簡潔、有效。

本系統采用渦輪增壓來提供氣源和驅動。空氣經過濾后，由渦輪機增壓后供給系統。系統通過與渦輪機并聯的旁路閥控制送給病人的氣體量，從而控制吸氣相氣道壓力。連接管路中的單向閥可防止氣體反流。安全閥可在氣道壓力過高是打開，防止對病人造成氣壓傷。呼氣閥用于控制呼氣時氣道壓力，呼氣時，系統通過控制呼氣閥的打開情況，控制氣道壓力。當需要外接氧氣時，可以通過氧氣濃度調節閥實現對吸氣氧濃度的調節。

2.1.1 過濾器

過濾器是用來過濾進入呼吸機的空氣，可以濾除空氣中的雜質粉塵，既可以保護呼吸機，又可以簡單地凈化吸入氣體。

2.1.2 渦輪增壓

渦輪增壓是通過渦輪產生病人吸氣所需要的氣流，直接送給病人。渦輪輸出的壓力及流量與其轉速有關。

渦輪增壓的成本相對較低，體積小，比較適合于便攜式和家用呼吸機，而且其噪音較小，能夠符合便攜式呼吸機對于噪音的要求。驅動渦輪的電機可以由電池供電，使得呼吸機有良好的便攜特性。渦輪風扇直接對病人供氣，可以提供較大流速的氣流。目前，無創呼吸機大多采用渦輪增壓來供氣。

在渦輪增壓供氣時，對于氣道壓力的調節主要有兩種形式，一種是通過轉速調節，一種是固定轉速，調節通過氣路中的閥控制來實現。轉速調節對于電機性能要求較高，控制響應慢，控制精確度差，但此模式氣路簡單，控制的實現也相對簡單。閥控制調節時，渦輪機僅作為氣源，輸出相對穩定，由閥的開啟和關閉情況來控制呼吸。

2.1.3 旁路閥

渦輪增壓供氣時，使用閥來控制時有兩種控制方法，一種是控制閥與渦輪機串聯，通過閥的開啟情況，控制流入后級氣路的氣流；一種是控制閥與渦輪并聯，閥通過控制返回渦輪的氣體流量而控制流入下級氣體。本系統氣路使用閥與渦輪機并聯的控制方式。

旁路閥是由一個比例電磁閥來實現的。當旁路閥完全打開時，渦輪機產生的氣體全部回流到渦輪機，不向下一級輸送氣體；當旁路閥完全關閉時，渦輪機產生的氣體無回流，全部流入下一級氣路。本系統通過控制旁路閥的打開情況，控制氣道壓力。

2.1.4 氧濃度調節

系統設置了外接氧氣的接口，外接氧氣要求符合醫用氧氣標準。氧氣接入氣路后需要先經過減壓閥，將壓力穩定在適合呼吸機的低壓。再經過氧濃度調節閥調節流入氣路的氧氣的量。氧濃度調節閥是一個流量調節閥，可以調節進入氣路的氧氣的量。

2.1.5 安全閥

安全閥是為了防止氣道的壓力過高而對病人造成氣壓傷。當氣道壓力高于設定值時，該閥就打開，直到氣道壓力恢復到設定值，該閥關閉。

2.1.6 呼氣閥

呼氣閥控制呼氣時氣道壓力。本系統采用比例電磁閥作為呼氣閥，通過控制呼氣閥的開啟情況維持呼氣相氣道壓力。2.2 電路部分（圖2）

系統電路是以氣路為基礎，以實現呼吸機的各項功能為目而設計的，系統電路包括：主控芯片、參數檢測、控制、報警、顯示、設置等模塊。

圖 2 系統電路框圖

主控芯片是電路部分的核心，電路的其他部分功能的實現都由主控芯片來控制。在本系統中，需要檢測氣道壓力、流量、氧濃度、血氧飽和度（SaO2），呼氣末期二氧化碳分壓（PetCO2）等信號。檢測到的信號將直接或經換算后，供控制、報警、顯示等模塊使用。

2.2.1 檢測電路

檢測電路包括壓力檢測、流量檢測、SaO2檢測和PetCO2檢測。為了使呼吸機按設定值正常工作，需要即時的檢測氣道的壓力和流量信號。同時，還需要了解病人目前的生理參數，即時檢測病人的SaO2和PetCO2，以便呼吸機及時調整呼吸參數，達到最佳通氣效果。

2.2.2 控制電路

控制電路包括吸氣控制、呼氣控制和氧濃度控制。

吸氣控制主要是通過旁路閥來控制，旁路閥可以采用一個電磁比例閥來實現。吸氣時，呼氣閥關閉，系統通過控制旁路閥打開的情況控制送給患者氣流量，從而控制氣道壓力。呼氣控制是通過呼氣閥來控制的，通過控制呼氣閥的開度，控制呼氣相氣道壓力。本系統通過控制進入系統氧氣的流量來實現對吸氣氧濃度的控制。

2.2.3 其他電路部分

即時信息的顯示、完善的報警系統等，是呼吸機不可缺少的功能。本系統還設計了通訊電路和存儲電路，能夠實現呼吸機與個人電腦的通訊和病人治療信息的存儲。

3 控制環路的建立

現有的閉環控制呼吸機，其閉環控制的輸入控制量很有限，主要是針對肺的力學性質反饋控制，對于考察通氣效果的動脈氧分壓（PaO2）、動脈二氧化碳分壓（PaCO2）及其相關量作為反饋控制量的通氣僅見于部分研究中，實際應用卻不多見[2]。對于PaO2、PaCO2檢測需要對動脈血進行有創檢測，檢測復雜，且不適宜做實時檢測。因此本系統采用與其具有相關性的血氧飽和度（SaO2）、呼氣末期二氧化碳分壓（PetCO2）作為閉環輸入信號。閉環控制框圖3所示：

圖 3 閉環控制框圖

3.1 肺的力學性質反饋控制

在呼吸機控制中引入該反饋可以使通氣的壓力和流量適應病人肺的力學性質，有望減少呼吸機相關性肺損傷的發生。近年來開發的多種通氣模式如：ASV（適應性支持通氣）、MMV(分鐘指令通氣)、PRVC(壓力調節容量控制通氣)、PAV(比例輔助通氣)等，都是應用閉環控制技術控制呼吸機輸出的壓力和(或)容積，而且能做到在一次通氣內對輸出的壓力和(或)容量進行雙重控制。

通過檢測吸氣相和呼氣相的壓力值和病人潮氣量，可以得到當前病人的肺的順應性和氣道阻力。依據病人肺的順應性和氣道阻力情況，就能夠以最小的壓力差為病人通過必要的潮氣量。

呼吸機在工作時將根據醫生設定，結合SaO2和PetCO2的反饋情況確定病人所需的通氣量，實時計算病人肺順應性和氣道阻力，計算出最佳的呼吸頻率、潮氣量、吸氣壓、呼氣末壓力、吸呼比，使得病人以最小的呼吸功獲得足夠的通氣量。使用這種控制方法將可以有效防止過度通氣、氣壓傷、通氣不足的情況發生。

3.2 SaO2反饋控制

血氧情況是評價呼吸效果的一個重要指標，能夠準確地反映通氣效果。常見的PaO2能夠準確地反映當前動脈血液的氧合情況，但臨床上常用的血氣分析檢測麻煩，且為有創檢測，不適合作為實時的反饋信號，控制呼吸機的工作。無創的血氧飽和度（SaO2）雖然檢測精度不高，但幾個關鍵的測量點還是與血氣分析的測量點是重合的[5]。例如血氣分析測得PaO2=60mmHg時與SaO2=90%時是重合的。SaO2與PaO2的相關性能夠滿足呼吸機閉環控制的需要。無創的血氧飽和度檢測能夠比較簡單地得到實現，不會影響設備的便攜性能。

在呼吸機的工作過程中，如果病人在一段時間內出現了SaO2偏低的情況，呼吸機將改變目標通氣量和（或）吸氣氧濃度，并結合肺的力學性質和PetCO2的值調整病人呼吸。引入血氧飽和度反饋控制可以有效防止病人通氣不足、低血氧等情況的發生。同時還能起到監測血氧和低血氧報警的作用，在監護條件不佳的特殊場合可以為醫生提供更多的病人信息。

3.3 PaCO2反饋控制

與PaO2一樣，PaCO2也是評價呼吸效果的一個重要指標。PaCO2檢測同樣存在檢測復雜、連續性差的缺點。PetCO2與PaCO2存在相關性，已作為PaCO2替代手段之一，廣泛應用于術中麻醉監護等領域[3]。PetCO2檢測也較為簡單，使用二氧化碳分析器件結合呼吸機自身對于呼吸周期的監測，即可實現PetCO2檢測。

PetCO2的反饋控制原理同SaO2。將PetCO2引入反饋控制，不僅可以控制通氣效果，還能有效防止機械通氣造成的酸堿紊亂。

4 小結

將閉環控制引入到便攜式呼吸機中來，有助于提高便攜式呼吸機的性能，使其能夠提供更有效的治療。更多生理參數的檢測集成到便攜式呼吸機中來，不僅為呼吸機提供了有效的反饋控制信息，也能夠在特殊場合為醫生提供更多的病人信息。

在對呼吸機實現多重反饋閉環控制時，要正確認識各反饋量的意義，處理好各反饋量在控制中的比重，優化算法，為病人提供最有效的治療。

[1] F.W.Chapman,J.C.Newell,R.J.Roy.A Feedback Controller for Ventilatory Therapy[J]. Annals of Biomedical Engineering, 1985,13: 359-372.

[2] Fleur Tehrani, Mark Rogers, Takkin Lo, et al. A Dual Closed-Loop Control System for Mechanical Ventilation[J].Journal of Clinical Monitoring and Computing, 2004,18:111-129.

[3] Frederico C. Jandre, Alexandre V. Pino, Ivanir Lacorte, et al. A closed-loop mechanical ventilation controller with explicit objective functions[J].IEEE:Transactions on Biomedical Engineering, 2004,51: 823-831.

[4] Jean Michel Arnal, Marc Wysocki, Cyril Nafati, et al. Automatic selection of breathing pattern using adaptive support ventilation[J]. Intensive Care Med, 2008,34:75-81.

[5] 夏慧琳,高關心,彭樹良.閉環控制在呼吸機上的應用[J].中國醫療設備,2008,23(5):56-57.

Design of Multiple Closed-Loop Control Portable Ventilator

FENG Xiao-dong1,WANG Jia-wang1, LIN Liu-hua2,YANG Tao1,WENG Yu-jie1
(1.Biomedical Engineering Department, Nanjing Medical University,Nanjing Jiangsu 210029, China;2.Electronic Science and Engineering Department, Southeast University,Nanjing Jiangsu 210000,China)

TH789

A

1674-1633(2010)01-0023-03

2009-05-18

2009-10-10

本文作者：馮小冬，在讀碩士研究生。

汪家旺，教授，碩士研究生導師。

作者郵箱：fexdc@163.com