一種新型便攜式制氧系統的設計與應用

陳娟娟 蔡雪花* 林海東 紀學鑫

目前,吸氧已成為醫療救治不可或缺的手段,尤其是隨著人們生活水平的不斷提高和改善,對健康的需求逐漸增強,吸氧將逐步成為家庭和社區康復中一種重要手段[1].在患者治療過程中,如果長期吸氧量不足,患者體內有氧代謝率降低,無氧酵解加強,機體代謝效率下降;長期重度缺氧可引起肺部血管收縮,造成肺動脈高壓,右心室負擔增加,長久下去可引起肺心病等.在生活中,有些孕婦或者老人長期缺氧時,會造成呼吸次數增多、呼吸困難、胸悶及氣憋等;還會出現夜間睡眠障礙,睡眠質量下降,白天思睡,頭暈頭痛等癥狀[2].

現階段吸氧方式是采用傳統的氧氣瓶吸氧和制氧機進行吸氧.氧氣瓶作為備用氣體,是患者在移動治療和轉移治療時的吸氧方式,需要不定期的充氧才能滿足患者長時間吸氧,氧氣瓶比較笨重,無法滿足患者在運動過程中吸氧,而且無法對吸入氣體中的氧濃度進行控制.而采用制氧機進行吸氧,可滿足患者的吸氧要求,但因制氧機多數結構比較復雜,整體比較笨重,無法滿足患者移動吸氧,且大部分采用市電供電,導致其戶外吸氧無法實現.基于此,本研究設計一種新型便攜式制氧系統,采用高效鋰電池供電,并配備背帶式結構,便于患者在移動過程中吸氧.該制氧系統結構新穎,使用簡單、攜帶方便,能在戰地、事故現場、野外旅行保健及各種不同層次人群需求[3].

1 新型便攜式制氧系統設計

1.1 系統結構設計

系統主要包括單片機主控制模塊、電源模塊、制氧控制模塊、氧濃度監測模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及報警模塊等,整個系統采用變壓吸附(pressure swing adsorption,PSA)原理進行制氧,人體工學一體化設計,便于患者的攜帶與使用[4].系統結構見圖1.

圖1 便攜式制氧系統結構框圖

1.2 系統硬件設計

1.2.1 系統外觀

系統將所有模塊一體化設計,并統一封裝成長方體形狀,主機的上方為液晶顯示模塊,便于患者時時關注氧濃度;主機右側的上方為氧氣調節按鈕,便于患者調節氧濃度;主機右側的中間封裝有空氣進風口,內部帶有空氣過濾器,便于過濾空氣中的塵埃;氧氣出口接上轉接頭連接氧氣吸入管,便于患者吸氧;主機的前端帶有風扇,起到冷卻作用[5].制氧系統外觀見圖2.

圖2 便攜式制氧系統外觀

1.2.2 電源電路

設計的新型便攜式制氧系統主要用于患者戶外吸氧,并滿足患者邊吸氧邊運動的特殊要求,因此該系統不僅可以采用市電供電,還采用大容量的鎳氫電池供電,容量為6000 mAh,額定輸出電壓為5 V,拆卸與安裝都非常方便[6].電源供電電路和電池充電電路見圖3.

圖3 電源供電和電池充電電路

圖3 顯示,市電電壓經過變壓器T1進行變壓,再經過D1、D2、D3及D4橋式整流后得到直流電,再經過C1、C2濾波后加到穩壓芯片7812的1腳上,其2腳輸出12 V,用于壓縮機供電和電池充電;輸出12 V電壓再經過C3、C4濾波后輸入穩壓芯片7805的1腳上,其2腳輸出5 V,用于單片機系統的供電[7].

1.2.3 壓縮機控制電路

制氧系統的制氧原理采用變壓吸附原理,吸附劑為沸石分子篩,在等溫條件下,當吸附壓力增加時對氮氣的平衡吸附量要比氧氣增加很多,當吸附壓力減少時,其對氮氣的平衡吸附量比氧氣減少很多,利用這一特性,可采用加壓吸附,減壓解吸循環操作的方法制取氧氣.整個制氧系統的空氣先經過一級過濾器和二級過濾器后進入無油空氣壓縮機變壓,再經過冷卻系統進行冷卻,一方面經過控制閥進入吸附塔系統進行制氧進而輸出氧氣,另一方面直接經過調節閥輸出空氣,空氣和氧氣進行混合后輸出患者所需的氧氣.患者可以根據需要通過調節閥調節空氣流量的大小,進而控制輸出氧氣的濃度[8].制氧系統結構見圖4.

圖4 制氧原理框圖

系統采用的中央處理器為AT89S51,其為低功耗、高性能CMOS 8位單片機,具有4 K字節可編程FLASH存儲器、三級程序存儲器保密鎖定、128X8位內部RAM、兩個16位定時器/計數器、低功耗的閑置和掉電模式等.當AT89S51的P0.0輸出高電平時,開關管Q1導通,壓縮機正向工作;當AT89S51的P0.1輸出高電平時,開關管Q2導通,壓縮機反相工作.穩壓管D5、D6起到穩壓作用,電容C5、C6起到加壓啟動的作用[9].壓縮機控制電路見圖5.

圖5 壓縮機控制電路

1.2.4 氧濃度監測電路

系統氧濃度監測電路采用氧電池采集氧濃度,并轉化為微弱的電壓信號,并通過運放放大器放大電壓信號給中央處理芯片,在經過轉化后在顯示屏上顯示氧濃度,氧信號采集電路見圖6.

圖6 氧信號采集電路

氧電池采集的信號輸入到運放芯片LM358的IN1+引腳上,再通過OUT2引腳輸出到主芯片的P0.3腳上,圖6中C7、R1和C8及R5啟動穩壓濾波作用,R3、R4啟動分壓作用[10].

1.3 系統軟件設計

新型便攜式制氧機系統開機后首先進行系統軟件的初始化,然后進行按鍵掃描和液晶顯示掃描后進行患者正常使用的參數設置狀態.患者在使用過程中,可以設定吸氧時間和需要濃度等參數,然后啟動制氧機后即可.患者在吸氧過程中,系統的液晶顯示器顯示吸氧時間、吸氧濃度等信息.當系統吸氧時間或者系統出現故障時,報警系統啟動,提示患者吸氧結束或者設備出現異常,請停止吸氧[11].制氧系統主程序見圖7.

圖7 便攜式制氧系統主程序框圖

2 新型便攜式制氧系統臨床測試

吸氧對于孕婦、老年人以及呼吸困難患者都有著不可替代的作用,對于一些亞健康人群,也可以通過吸氧緩解大腦疲勞,舒緩腦神經壓力、改善記憶力等功能[12].本研究設計的新型便攜式制氧系統采用高效鎳氫電池供電,并配備小型壓縮機和吸附塔對空氣進行變壓吸附,進而輸出患者需要的氧氣.整個系統一體化封裝設計,重量<3 kg,便于患者攜帶或者邊散步邊吸氧;系統設有氧濃度調節閥,可根據患者需要調節氧濃度;系統設有吸氧時間、吸氧濃度、電池電量檢測、系統故障等參數信息,便于患者使用時關注吸氧狀態[13].整個系統與傳統的中央制氧系統及氧氣瓶具有明顯的優勢,其與傳統制氧設備對比見表1.

表1 新型便攜式制氧系統與傳統制氧系統及氧氣瓶分析對比

在臨床測試過程中,采用FLUKE氣流檢測儀(型號為VT-PLUS標準器)對該系統氧濃度進行監測,其誤差<±10%,符合國家計量控制標準.在臨床使用過程中,通過對100例孕婦、100例老年患者以及100例呼吸困難者進行吸氧使用測試,其氧濃度最高可達95%,吸氧時間≥3 h,可以滿足患者的戶外吸氧要求[14].

3 結語

對于急救患者及時并長期吸氧可以緩解支氣管痙攣、減輕呼吸困難,改善通氣功能障礙,改善患者體質和大腦功能,提高運動耐力和生命質量[15];同時還可以改善慢性阻塞性肺疾病,延長生命,減少住院次數,節約醫療費用,減少手術后的感染等.本研究針對傳統制氧系統的不足和缺陷,設計一種新型便攜式制氧系統,患者可以根據自身的需要,設置吸氧濃度,自由的選擇吸氧環境,最大的滿足患者隨時隨地的吸氧,對于提高患者的生命力,具有較大的臨床意義.