一種供氧面罩防窒息活門測試系統的設計研究

顧 昭，于立華，溫冬青，薛利豪，施維茹，王桂友

(空軍軍醫大學 空軍特色醫學中心,北京 100142)

0 引言

航空供氧面罩是飛行員的主要個體防護裝具之一，是供氧防護人機界面的關鍵交接點，在實際飛行中使用頻率最高，其性能對飛行員供氧及救生具有極重要的影響[1]。彈射跳傘已經拯救上萬名飛行員的生命，但彈射傷的發生率仍高達50%～90%，據報道兩名參加夜間訓練飛行員彈射離機后都出現意識喪失，墜海后自行清醒，并吞服大量海水[2]。飛行員彈射離機后出現昏迷或上肢受傷等情況，當傘氧耗盡后無法自行取下面罩時，會導致飛行員窒息或溺水死亡[3]。供氧面罩增加防窒息活門，在應急情況它可給飛行員供給周圍環境中的空氣，防止其窒息或溺水。美國海軍在面罩上都備有防窒息活門,當吸氣阻力增加到一定閾值(2 kPa)時,防窒息活門便開啟[1]。LSS(Life Support System)是波音公司為第四代戰斗機 F-22 研制的生保系統，具有全面的綜合防護能力，并且較好地兼顧了飛行員的視野、舒適性、活動性等，其供氧面罩也采用了防窒息/溺亡活門結構[4]。開展防窒息活門相關研究，是提高飛行員供氧安全必不可少的步驟。供氧面罩防窒息活門測試系統是研究防窒息活門特性及對人體影響不可缺少的手段。

1 系統結構及原理

1.1 系統結構

參考外軍同類防窒息活門主要技術參數，防窒息活門測試裝置應當可完成面罩壓、通氣流量及開啟壓力的測量。防窒息活門通常安裝于供氧面罩殼體下端，屬于在特定壓力下開啟的吸氣活門，為保證正常供氧不受干擾，其吸氣阻力相對較高。過高的吸氣阻力增加會引起代償性呼吸頻率和幅度的增加，導致飛行員出現過度換氣，過度換氣達到一定程度時，機體出現呼吸性酸中毒[5]。為研究防窒息活門對人體呼吸模式影響，防窒息活門測試裝置還應可完成吸氣阻力、通氣流量、通氣流量峰值、潮氣量、呼吸頻率等的分析統計。臧斌等人研制的KYCC-2007低壓艙氧氣裝備供氧參數測試系統，可完成面罩壓及呼吸流量的測量[6]。但無法完成防窒息活門開啟壓力等主要指標檢測，同時其采用PLC可編程控制器開發，體積大，不便于在海上等外場環境應用。針對以上不足，文中防窒息活門參數測試系統采用 CompactDAQ平臺，采用LabVIEW軟件開發了對面罩壓、通氣流量及開啟壓力等的測試系統，以滿足防窒息活門特殊測量使用需求。

在實驗中為防止面罩腔意外進水導致志愿者溺水，系統應配置應急閥門等執行機構。其在面罩壓超過特定值后開啟，為志愿者提供額外的供氣通道。

1.2 測量原理

面罩壓、通氣流量等可通過直接測量獲得，但呼吸氣阻力測量較為復雜。表達外加吸氣阻力大小比較規范的方法是：用維持空氣單位時間流率的壓力值來表示阻力值的大小,例如記作cmH2O·L-1·S[7]。馬瑞山等人報道呼吸阻力感覺與面罩壓波動密切相關[8]。即評價防窒息活門對人體呼吸的影響時，吸氣阻力可通過測量面罩壓替代。通氣流量峰值、通氣量及潮氣量可使用通氣流量信號分析統計獲得；吸氣相面罩壓峰值、呼吸頻率通過面罩壓呼吸波動分析統計獲得；額外呼吸功通過面罩壓及通氣流量計算獲得。

1.3 主要設計指標

各參數測量、統計范圍及精度如下：

1)面罩壓(P，mmH2O)：測量范圍-10～1 kPa，測量精度0.5%FS，介質空氣；

2)流量(L,L/min)：測量范圍0～150 L/min，測量精度1%FS，介質空氣；

3)流量峰值(VImax,L/min)：每吸氣相流量的極值，通過截取每吸氣相流量信號，并求得極值，統計范圍0～150 L/min；

4)潮氣量(VTI,L)：每次呼吸吸入氣的氣量，通過截取吸氣相流量信號，并對其積分，求得吸氣相潮氣量，統計范圍0～10 L；

5)呼吸頻率(f,次/min)：每分鐘呼吸次數，通過分析面罩壓呼吸波動獲得，動統計范圍0～60次/min；

6)通氣量(MV,L/min)：每分鐘呼吸吸入氣量，通過1 min內的流量積分值獲得，統計范圍0～100 L/min；

7)吸氣相面罩壓峰值(PImax，mmH2O)：每吸氣相面罩壓的極值，通過截取每吸氣相面罩壓信號，并求得極值，統計范圍0～150 L/min；

8)額外呼吸功(cmH2O·L-1·S),附加阻力帶來的呼吸功，統計范圍0～150 cmH2O·L-1·S，在額外呼吸功的計算中：

W=F×L

F=P×S

其中:W為額外呼吸功;F為附加阻力;L為距離;P為面罩壓(口腔壓，面罩阻力);S為面積;V為體積;Q為流量。

即可用壓力與瞬時流量對時間的積分求得額外呼吸功；

9)開啟壓力(POx，mmH2O)：當通過防窒息活門氣體流量達到規定值時，當前面罩壓，即為開啟壓力統計范圍0～-300 mmH2O。

2 測試系統硬件設計

為完成以上測量需求，系統主要由壓力、流量變送器、數據采集卡、無線信號傳輸模塊、上位計算機組成。

根據系統的技術和功能要求，為降低干擾，面罩壓測量采用了電流型壓力變送器，輸出電流4～20 mA。

因系統流量檢測條件類似呼吸機，流量傳感器的選擇依據以下原則：

1)對流過傳感器的空氣應有靈敏和快速的反應；

2)為測量開啟壓力，在小流量下有較高的準確性；

3)為測量通氣量，同時具有在大流量下良好的重復性[9]。

系統選用了Siargo Ltd 的FS105CL系列質量流量傳感器。其具有靈敏度高使動流量極小、量程比大、零點穩定度高、響應快等優點，且設計使用環境為醫療設備兼容環境。

信號采集本系統采用了基于NI CompactDAQ 的8槽以太網機箱。 CompactDAQ機箱專為小型便攜式傳感器測量系統而設計, 可滿足惡略環境下的高速采集需求，并可靈活地與CompactDAQ I/O模塊配置使用，快速建立數據采集系統。系統配置NI-9263 8通道電流采樣模塊采集壓力傳感器電流信號，配置NI-9215 4通道電壓同步采樣模塊采集FS105CL系列質量流量傳感器電壓信號及系統移動電源電壓；配置 NI-9203 4通道模擬信號輸出模塊，控制兩路應急閥門，在面罩壓超標時迅速打開，防止溺水，如圖1所示。本系統機箱采用通過無線模塊建立802.11無線網絡，連接到上位機，實現了低成本的無線監測。

圖1 硬件總體結構

3 測試系統軟件設計

測試系統的開發設計在LabVIEW2010平臺下進行。包含DAQ采集，并使用選項卡控件區分零位設置、開啟壓力測量、檢測數據、歷史數據回顧及統計幾個功能。根據使用需求，軟件總體流程如圖2所示。首先系統進行自檢，確認硬件配置正確，并開啟系統電源監控。對部分信號進行調零設置，并根據任務需要選擇測試項目，配置測試參數。開始測量任務后，可實時顯示各路信號，進行呼吸頻率、通氣量、面罩壓峰值、開啟壓力等的在線分析。

圖2 軟件總體流程

3.1 DAQ采集、輸出

DAQ采集輸出模塊完成了主要信號的轉換，由NI-9215、NI-9263完成AD轉換，NI-9203完成DA轉換。軟件采用NI提供的DAQ軟件包驅動模塊來實現。通過Express任務完成所需輸入輸出通道設置，包括采集模式、待讀取采樣、采樣頻率及換算等。之后對輸出信號進行拆分，針對流量信號及壓力信號不同干擾特征分別進行數字濾波。數字濾波指輸入、輸出均為數字信號，通過運算改變輸入信號所含頻率成分，或濾除某些頻率成分，與模擬濾波器相比數字濾波器具有準確、穩定、易改變等優點[10]。LabVIEW數字濾波器可完成低通、高通、帶通、帶阻和平滑等模式的濾波，比傳統方式節省大量的開發時間，并可將其作為子程序在不同程序中調用，具有很強的通用性[11]。系統通過過濾Express VI進行了數字濾波的配置，針對工頻干擾等采用低通無限長沖激響應(IIR)濾波器，Butterworth拓撲結構，3階設置，完成信號濾波。

在對比了SQL Sever與LabVIEW自帶的二進制測量文件tdm或者tdms格式后，系統的數據存儲選擇了后者。SQL Sever是微軟公司開發的數據庫管理系統，適合大數據處理及分析。在兩種存儲方式的對比實驗中，使用OLE DB建立SQL Sever數據庫連接，系統采樣率在1 K時，直接存儲數據出現不定時的數據丟失現象，在將每100組數據打包再進行存儲時，解決了數據丟失現象。讀取數據時因SQL Sever讀取速度問題，10 min數據約60萬條需花費超過130 s，不能滿足實際使用需求。Tdms文件內部核心是segment，當程序只讀取其中一個數據段時可直接獲得而無需關心其他數據段的信息，其實際存儲速度可達372 MB/s[11]，遠高于SQL Sever系統存儲速度。本系統數據結構較為簡單，對存儲速度要求較高，采用了Tdms文件模式進行數據存儲。測量數據按需求寫入測量文件，為便于存儲及后期數據處理，測量文件每分鐘重命名一次，即每分鐘的數據存為一個數據文件。

3.2 歷史數據回顧及統計

歷史數據回顧模塊主要用于歷史數據的回看及簡單處理。打開所需數據后，可通過游標選擇所需數據段，進行簡單的查詢及分析處理，如圖3所示。

圖3 歷史數據回顧

統計模塊完成歷史數據的統計，包括每呼吸波面罩壓峰值、頻率，通氣量峰值、通氣量均值、頻率等呼吸參數。以及某段時間內的面罩壓、通氣量峰值的分布情況，包括最大值、眾數、中值、均值標準差等。

4 實驗結果與分析

根據上述硬、軟件設計方法，建立了基于CompactDAQ平臺的測試系統。經計量檢測，系統氣體壓力測量精度可達到0.5%FS；流量標定采用3 L定量桶在低速、快速推桿情況求累積流量定標，精度可達1%FS，系統設計滿足測試需求。實驗對系統關鍵指標進行了驗證，結果表明該系統運行可靠，各項指標滿足設計要求。

4.1 防窒息活門測量驗證

志愿者佩戴飛行頭盔、安裝防窒息活門的供氧面罩，無負荷，通過防窒息活門呼吸。防窒息活門入口端接系統流量傳感器，面罩腔接面罩壓力傳感器，實驗時長2 h。

實驗對測試系統流量、面罩壓力等關鍵技術指標進行了驗證，由圖4可見，系統完整地記錄了人體平靜呼吸時的防窒息活門流量、面罩壓力曲線，并實時統計了通氣流量峰值、潮氣量、通氣量及面罩壓峰值等數據。

圖4 測量驗證實

4.2 數據存儲及統計驗證

測量數據實時以Tdms形式記錄，以當前日期及實驗名稱命名保存。系統采樣率設置1 K，兩通道，每分鐘數據量1 800 KB，存儲速度為0.029 MB/s，在系統承受范圍內。如圖5所示，通過對實驗數據進行讀取，實驗數據保存完整，流量、面罩壓力曲線完整；通氣流量峰值、面罩壓峰值等分布，及最大值、眾數、中值、均值標準差等統計完整。

5 結束語

該系統攜帶方便、界面友好、便于使用，在防窒息活門測量的基礎上還可以滿足其他型號供氧面罩、供氧供氣系統的參數測量，獲得了國家發明專利。同時系統可擴展性強，適當添置C模塊、傳感器及執行機構可完成更多的工作。

系統在實際使用中也暴露了不足之處，野外環境使用中存在體積、重量偏大，漂浮性能差及攜行過程系統鋰電池無法通過機場安檢等。下步工作將針對以上問題，簡化功能，縮小體積、重量，加強防水設計，提高漂浮性能；改進供電模式，達到機場安檢要求。

圖5 數據讀取及統計