呼吸機(jī)長(zhǎng)管獨(dú)立溫控器的研制

【作 者】劉茹涵，汪國有

1 華中科技大學(xué)軟件學(xué)院，武漢市，430074

2 華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢市，430074

呼吸機(jī)長(zhǎng)管獨(dú)立溫控器的研制

【作 者】劉茹涵1，汪國有2

1 華中科技大學(xué)軟件學(xué)院，武漢市，430074

2 華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢市，430074

現(xiàn)行呼吸機(jī)大多數(shù)使用濕化器對(duì)送入管道前的氣體加溫加濕，少數(shù)雙加熱型呼吸機(jī)使用長(zhǎng)管和濕化器一體化加熱加濕，這使得已購買呼吸機(jī)的病患依然面臨困擾。對(duì)此該文提出一種新方法，通過在線加裝獨(dú)立呼吸機(jī)溫控器來保證氣體溫濕度。該溫控器由硅膠加熱線和單片機(jī)控制裝置構(gòu)成，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可適用于多種呼吸長(zhǎng)管較為精準(zhǔn)地控制進(jìn)入人體的氣體溫濕度。

在線加熱；呼吸機(jī)改造；單片機(jī)

0 引言

在濕化器的使用過程中，研究者們發(fā)現(xiàn)存在著病人面部不適及口鼻干苦的問題，特別是在溫差較大的環(huán)境中，這個(gè)問題尤為明顯。不僅如此，由于氣體經(jīng)過了濕化器的加濕含有大量水分，這就導(dǎo)致了新問題的產(chǎn)生：面罩內(nèi)積水。針對(duì)這些未解決的問題，研究者們也通過深入的思考，提出了全新的改進(jìn)方法。研究者們發(fā)現(xiàn)經(jīng)由濕化器加濕加熱的氣體，在通過保溫保濕能力較差的呼吸長(zhǎng)管的過程中，由于溫度的下降，會(huì)出現(xiàn)冷凝的現(xiàn)象。這不僅使得進(jìn)入人體的氣體并不能達(dá)到人體真正的要求，而且這也是面部凝水出現(xiàn)的主要原因。于是針對(duì)冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，格雷厄姆.PK，加西亞.EA以及西姆斯.DJ提出了雙加熱呼吸機(jī)的方法[1]，通過增加針對(duì)呼吸長(zhǎng)管的加熱設(shè)備來保證高濕氣體順利地通過管路。他們?cè)O(shè)計(jì)制造的雙加熱呼吸機(jī)[2]是由呼吸機(jī)、濕化器以及專用螺旋加熱長(zhǎng)管構(gòu)成，其中螺旋長(zhǎng)管的加熱控制電路連接在呼吸機(jī)的電路板上與呼吸機(jī)和濕化器形成一體。它通過補(bǔ)充的長(zhǎng)管加熱裝置與現(xiàn)有的呼吸機(jī)及濕化器一起，成功地解決了氣體冷凝的問題[3]。但在我們?cè)谶M(jìn)一步的臨床試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了該種方法的兩個(gè)不足：第一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]上，他們有著認(rèn)識(shí)上的缺陷，他們?cè)诤粑L(zhǎng)管上添加加熱設(shè)備是為了解決氣體在長(zhǎng)管中冷凝的問題，然而他們?nèi)匀徽J(rèn)為口鼻處干苦的主要原因[5]是濕度不夠，而對(duì)于溫度只需提高到將近室溫(20～25oC)即可。然而我們研究發(fā)現(xiàn)，在呼吸機(jī)的使用過程中，呼吸機(jī)送出的高壓氣體通過呼吸長(zhǎng)管，最后將直接送入病人的口鼻腔或氣管。在我們的常規(guī)呼吸狀態(tài)下，鼻黏膜中血供動(dòng)脈終末分支形成毛細(xì)血管，引流入靜脈竇，構(gòu)成靜脈性勃起組織(Venous Erectile Tissue)，主要分布于下鼻甲的前端和鼻中隔。當(dāng)血竇充盈時(shí)，可通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式提高吸入氣體的溫度。血流的方向與氣體流動(dòng)的方向相對(duì)，從而保證了熱量的充分交換，使吸入氣體從鼻孔處的20oC左右，升至鼻咽部的31oC ，到達(dá)氣管時(shí)為35oC。然而在呼吸機(jī)的高壓狀態(tài)下，沒有辦法保證鼻腔內(nèi)氣體的充分熱量交換，所以溫度在自身的生理特性[6]影響下，無法實(shí)現(xiàn)由室溫加熱到所需溫度，因此可知對(duì)溫度的控制是應(yīng)該得到重視的。第二，他們?cè)O(shè)計(jì)制造的加熱設(shè)備是一體化的，這對(duì)于已經(jīng)購買呼吸機(jī)的病人以及各個(gè)型號(hào)的呼吸機(jī)而言是沒有普適意義的。所以針對(duì)當(dāng)下仍然存在的問題，我們提出一種新的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高普適性的獨(dú)立外加溫控裝置，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的較精準(zhǔn)控制，而且適用于各種型號(hào)各個(gè)品牌。

在設(shè)計(jì)溫控器上，加熱控溫方法采用雙溫度傳感器共同檢測(cè)溫度和硅膠加熱線放置在管路中央進(jìn)行加熱，雙溫度傳感器分別置于加熱線兩端，一個(gè)放置在加熱線上測(cè)量線上溫度，一個(gè)放置在離加熱線一段距離的呼吸長(zhǎng)管面罩口用于測(cè)量氣體溫度，雙溫度器的溫度測(cè)量值經(jīng)過耦合分析通過單片機(jī)程序的控制實(shí)現(xiàn)矛盾的最小化；而硅膠加熱線則是通過其自身的特性，在管內(nèi)加熱減小了管外加熱的能量損耗。而針對(duì)我們的獨(dú)立設(shè)備可能導(dǎo)致的與呼吸機(jī)不同步而產(chǎn)生的高溫氣體凝滯燒毀導(dǎo)管的問題，我們也通過軟硬件設(shè)計(jì)對(duì)長(zhǎng)管進(jìn)行了保護(hù)。通過我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，較好地避免了為了提高加熱溫度從而提高加熱功率而導(dǎo)致的呼吸長(zhǎng)管管壁被燒毀的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。利用雙溫度傳感器構(gòu)成的耦合檢測(cè)系統(tǒng)，通過溫度采集電路將溫度值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過溫度信號(hào)調(diào)理后變成符合A/D芯片規(guī)范的信號(hào)，控制單元對(duì)輸入的溫度信號(hào)處理后得到控制溫度信號(hào)和相應(yīng)的顯示值；利用合金加熱線和包裹它的硅膠包皮，通過控制單元的信號(hào)變化對(duì)長(zhǎng)管進(jìn)行加熱控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖2 單片機(jī)功能設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of the function of microcomputer

本溫控器的單片機(jī)[7]功能設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其使用STM8S003F3P6芯片，通過對(duì)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件編程，使得單片機(jī)能通過溫度傳感器的A/D變換電路讀取實(shí)時(shí)溫度值，通過掃描鍵盤判斷是否有人為改變加熱狀態(tài)的情況；將讀取的數(shù)據(jù)分析之后，還可以通過加熱控制電路控制加熱線的加熱，通過LED顯示電路控制LED數(shù)碼管顯示溫度值。

用于給呼吸長(zhǎng)管加熱的加熱線采用的是硅膠加熱線，由合金電熱線在外包裹硅膠包皮組成。該硅膠加熱線一端連接在溫控器上，而剩下的部分放置在呼吸長(zhǎng)管中，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸長(zhǎng)管的加熱。

溫度傳感器選用的是電阻模式的溫度傳感器，其利用線性熱敏電阻與不變電阻的分壓對(duì)溫度值進(jìn)行測(cè)量。

由于人體溫濕度的舒適范圍較廣，所以我們采取兩個(gè)溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的溫度控制，一個(gè)放置在距加熱線一定距離的呼吸長(zhǎng)管面罩端的管口處測(cè)量管口溫度，一個(gè)放置在硅膠加熱線上測(cè)量加熱線線溫。

LED顯示器由三個(gè)8 bit LED數(shù)碼顯示管組成，用來顯示溫度傳感器1所測(cè)量的呼吸長(zhǎng)管面罩端口的氣體溫度，溫度值精確到0.1oC。由單片機(jī)控制完成數(shù)據(jù)的顯示工作。

該溫控器設(shè)有的三個(gè)按鍵各有其控制功能：“確定鍵”：長(zhǎng)按該鍵LED數(shù)碼管出現(xiàn)閃爍，此時(shí)顯示的溫度為管口上限溫度，閃爍表明管口溫度上限為可調(diào)狀態(tài)，待調(diào)好溫度后再長(zhǎng)按該鍵表明溫度已設(shè)置完畢；“升高鍵”：當(dāng)LED數(shù)碼管閃爍時(shí)，每次按下該鍵，管口上限溫度升高0.5oC；“降低鍵”：使用方式同“升高鍵”，每次按下該鍵，溫度則降低0.5oC。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本單片機(jī)控制的溫控器的軟件系統(tǒng)主要包括主程序框圖（圖3）、按鍵處理具體流程圖（圖4）、定時(shí)器中斷程序框圖（圖5）三個(gè)關(guān)鍵部分的程序框圖。

圖3 主程序框圖Fig.3 Block diagram of main program

圖4 按鍵處理具體流程圖Fig.4 Flow chart of keystroke handing

圖5 定時(shí)器中斷處理程序框圖Fig.5 Block diagram of interrupt processing

使用者可手動(dòng)控制上限溫度，通過“確認(rèn)鍵”、“升高鍵”、“降低鍵”提供升高或降低管口上限溫度的功能；使用者也可使用溫控器自動(dòng)控制加熱的方式，即溫控器在開機(jī)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)室溫，根據(jù)室溫設(shè)定加熱線上限溫度和管口上限溫度。而在加熱過程中單片機(jī)會(huì)檢測(cè)使用者是否使用了按鍵進(jìn)行手動(dòng)控制，調(diào)整加熱管口上限溫度。單片機(jī)還會(huì)使用定時(shí)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩溫度傳感器的值，當(dāng)室溫達(dá)到病人適宜送氣溫度的最高值，停止加熱，當(dāng)溫度低于該范圍的最低值就啟動(dòng)加熱，并且根據(jù)溫度傳感器2的值，控制硅膠加熱線的線上溫度不超過我們預(yù)設(shè)的加熱線上限溫度，即當(dāng)線上溫度超過加熱線上限溫度時(shí)停止加熱，低于設(shè)定的最低值時(shí)再重新開始加熱。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過實(shí)驗(yàn)來證明我們所設(shè)計(jì)制造的新型獨(dú)立在線溫控器具有以下功能：

第一，未安裝在線溫控器的普通呼吸機(jī)在加裝新型獨(dú)立溫控器之后，能夠?qū)崿F(xiàn)與雙加熱型呼吸機(jī)相等或更優(yōu)的效果，即成功地保證達(dá)到病人呼吸道的氣體有較高溫濕度。第二，針對(duì)各個(gè)廠家的呼吸機(jī)，溫控器可以做到較好的普適性。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案分析

由于我們的獨(dú)立在線溫控是加裝設(shè)備，所以其無法與呼吸機(jī)在同步性上完全匹配。這就導(dǎo)致出現(xiàn)呼吸機(jī)還未來得及啟動(dòng)，而加熱器已經(jīng)開始加熱的情況出現(xiàn)，這會(huì)使得由于呼吸機(jī)還未送氣，加熱器提供的熱量沒法被帶走，從而燒毀呼吸長(zhǎng)管。所以我們需要測(cè)量停止送氣而不關(guān)閉加熱器時(shí)氣體的溫度，來確保呼吸長(zhǎng)管安全。其次，為了保證溫控器對(duì)溫度的控制，還需多次測(cè)量穩(wěn)定時(shí)的氣體溫度，以保證準(zhǔn)確。

由于市面上長(zhǎng)管種類繁多，我們選擇市場(chǎng)份額較大的4種樣品進(jìn)行長(zhǎng)管安全性的檢測(cè)。

4.3 實(shí)驗(yàn)具體方案

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是由一種自動(dòng)控溫的呼吸長(zhǎng)管加熱裝置[8]及測(cè)溫裝置組成。

實(shí)驗(yàn)1：分別設(shè)定不同的設(shè)定溫度值，在每一個(gè)設(shè)定的溫度值下，分別3次測(cè)量穩(wěn)定工作時(shí)氣體溫度，取平均值，再觀察測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差；當(dāng)呼吸機(jī)停止工作時(shí)再分別3次測(cè)量氣體溫度，取平均值，再觀察測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差。

實(shí)驗(yàn)2：分別找來不同特征的廠家呼吸長(zhǎng)管樣品設(shè)定相同的測(cè)量溫度，測(cè)量5次取平均值，再觀察測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差。

4.4 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，分別針對(duì)兩個(gè)方面對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，在測(cè)試中對(duì)于各個(gè)設(shè)定溫度，長(zhǎng)管都能正常的工作，未出現(xiàn)燒毀長(zhǎng)管現(xiàn)象；對(duì)于所選用的四個(gè)品牌(偉康、瑞斯邁、凱迪泰、怡和嘉業(yè))呼吸機(jī)長(zhǎng)管，也都能正常的工作，除了出現(xiàn)偉康、怡和嘉業(yè)長(zhǎng)管出現(xiàn)微微發(fā)熱現(xiàn)象外，其余品牌長(zhǎng)管并沒有異常。

5 結(jié)論

本文介紹由硅膠加熱線以及單片機(jī)設(shè)計(jì)的溫控裝置構(gòu)成的溫控器。其采取雙溫度傳感器進(jìn)行較為精準(zhǔn)地溫度測(cè)量；采取硅膠加熱線進(jìn)行氣流加熱；采取單片機(jī)進(jìn)行處理及分析，從而實(shí)現(xiàn)了較好的獨(dú)立高適配性管路在線溫控設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可適用于多種型號(hào)呼吸機(jī)并較為精準(zhǔn)地控制進(jìn)入人體的氣體溫濕度。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用認(rèn)為本裝置設(shè)計(jì)合理、操作簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)際解決病人不適問題。此裝置在臨床應(yīng)用中有較好的發(fā)展前景。

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Development of an lndependent Heater for Ventilator Tube

【 Writers 】LIU Ruhan1, WANG Guoyou2
1 School of software Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074
2 School of Automatic Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074

online heating, transformation of ventilator, microcomputer

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.013

1671-7104(2016)01-0044-03

2015-08-17

劉茹涵，E-mail: 544509628@qq.com

【 Abstract 】Nowadays, normal humidifier is used to heat and humidify the gas before sending to ventilator tube. A new type of ventilator which offers both breathing tube with heater and humidifier is incorporate. In the light of this, patients already bought ventilator still confront this problem. Therefore, this paper mainly introduces a new manufactural method which is controlling the temperature and humidity of gas sent by breathing machine online by a temperature controller which consist of Silica gel hotline and microcomputer. As a matter of fact, the controller is adaptable in various types of breathing tube and can accurately control the humidity and temperature of gas sent into bodies.