基于方艙醫院大規模應急呼吸監護系統的設計

劉怡昕，安曉峰（通信作者），王宇飛

（吉林工程技術師范學院，吉林長春，130052）

0 引言

目前，人工定時測量、檢查記錄，并繪制實時呼吸曲線依舊是各大醫院監測病人呼吸情況的主要方式。這項工作不僅耗費大量的人力資源，而且無法及時反饋病人的實時情況，很可能會錯失治療最佳時間。為此，在深入了解了現如今國內外部分呼吸監護儀器原理之后，研究了一種以模擬生理壓值變化來實現對呼吸實時數據進行實時監控與預測的研究[1]。作為控制系統的單片機，它將在感應到呼吸氣流后，完成模擬血氧飽和度值并進行A/D轉換，然后由液晶顯示器等電子系統進行檢測和記錄，最終實現對患者的呼吸狀態實時監測[2]。該呼吸監護儀可以隨時對病人的各項生理參數進行隨時監護、預測，從而為醫生提供應急處理和治療方案的依據[2]。

1 系統總體設計

■1.1 壓力傳感器

此設計中的壓力傳感器選用了含有單晶硅片半導體材料的壓阻式壓力傳感器。單晶硅片是由集成電路工藝制成的，當表面的擴散電阻受到外力作用時，其阻值與壓力會跟隨壓力的變化而變化。而這種壓阻元件就是在半導體材料的基片上選用了這種阻值與外界壓力成正比的擴散電阻。研究表明只要一個系統能同時檢測到呼吸力學中的最基本的三個量：流量、壓力和時間，就能通過這三個基本物理量計算得到十多個呼吸的基本量，如呼吸頻率、吸氣呼氣時間比、峰值流量等。

■1.2 呼吸監測系統的原理

本設計的呼吸監測系統是一種高性能的系統，主要由單片機系統、流量傳感器和壓力傳感器等組成，價格低廉，耗能少，效率高。流量傳感器內部有一個微小限流孔，在呼吸氣流流過時，會感應到一個壓力差，隨即將此壓力差傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器對呼吸道內的氣體流量進行測量并計算。所以在使用呼吸監護儀時，首先將流量傳感器與病人的呼吸道同呼吸機相連，兩路的氣流呼吸一路被各項儀器監測，輸出壓力經過壓力傳感器測量后發送信號，先后經過放大、濾波處理，被轉換成數字化狀態信息，再經過相關程序的計算和波形特征識別，形成相應的客觀參數和曲線[3]。

呼吸監護主系統內部原理圖，如圖1所示。

圖1 呼吸監護系統原理圖

2 模擬電路部分

■2.1 放大電路設計

流量傳感器主要負責檢測并傳遞信號，其內部有一個限流裝置，它能夠及時監測出呼吸道內的微弱氣流壓差。后續將此信號進行先放大再濾波，以得到低噪聲呼吸生理信號。為避免模干擾，進行阻抗匹配，系統采用儀用放大器結構。

2.1.1 儀用放大器的介紹

儀用放大器由兩個獨立的部分組成，即輸入級和輸出級，總輸出失調電壓等于輸入失調乘以增益加上輸出失調。盡管初始的失調電壓可以通過外部來調零，但失調電壓漂移則不能通過調整來消除．與一般運放的失調電壓一樣，儀用放大器的失調電壓漂移也由兩部分組成，及輸入和輸出兩部分。每一部分均對總增益有影響，但當增益提高時輸入部分的失調漂移將成為主要的誤差源，而輸出部分的影響可以忽略。

2.1.2 儀用放大器的工作原理

儀用放大器是在差動放大器的基礎上發展起來的一種比較完善的放大器．作為已成型的儀用放大器，其內部是由三個運放和一些精密電阻構成，低聲噪的放大低電平信號對后端數字信號處理和人體呼吸信息識別與計算都有非常重要的意義。并且其對稱結構的多種高性能，高功率，對整個系統起著重要作用。例如，它的抗干擾能力和溫度穩定性等。

■2.2 濾波電路設計

國際上常見的有源濾波器高價格，低容量。且大容量硅閥技術尚未成熟，所以此設計中濾波電路用無源低通濾波電路。其截止頻率為：

可濾除各種高頻干擾，其放大倍數A≈1。

無源濾波器的原理:在濾除非線性用戶用電設備所產生的高次諧波，改善電流和電壓波形，提高電能質量，解決諧波源對電網及用戶的污染，確保電網用戶的設備安全運行的同時還可補償用戶無功電力，提高功率因數和設備的安全性、穩定性和可靠性。無源濾波器還能減少因諧波電流所造成的有功及無功電能損耗，對節約能源，充分利用設備容量，均有明顯的經濟效益。

采用無源濾波的優點：無源濾波器現如今被廣泛應用于諧波治理。其相對有源濾波器結構簡單、濾波范圍廣、成本低廉、運行可靠性較高。

3 電源電路

壓力傳感器的輸出屬于電流驅動型模擬信號。1.5mA的激勵電流對應一定的壓力滿量程輸出，近距離輸出電壓一般為100～150mV。恒流激勵可提高測量精度，而適當減小激勵電流可以擴大測量范圍。本設計中采用直流穩壓電源。

直流穩壓電源能為負載提供穩定直流電源的電子裝置。直流穩壓電源的供電電源大都是交流電源，當交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩壓器的直流輸出電壓都會保持穩定。 直流穩壓電源隨著電子設備向高精度、高穩定性和高可靠性的方向發展，對電子設備的供電電源提出了高的要求。

4 系統檢測過程

呼吸系統監測前期為吸氣期，氣道內氣體壓力增高，為流量傳感器提供第一個信號[4]。氣體經各個呼吸道、腔室直接流向肺泡，導致肺泡內氣壓大于大氣壓。呼氣時呼吸機管道與外界大氣相通，開始被動呼氣，氣體經高壓流向低壓，直至肺內氣壓與大氣壓相等。市場上普遍的鐘表式容量計的傳感器為簡單結構風葉。當呼吸氣流推動風葉，使風葉被迫轉動，再根據風葉轉速計算并顯示每次通氣量。該系統所運用的電子呼吸容量計的傳感器也是風葉，不同的是該儀器通過紅外線探測風葉轉速，再經一系列電子系統處理后在液晶顯示屏上以數字和圖形實時顯示潮氣量和分鐘通氣量，反饋病人此刻呼吸情況及身體狀況。

如圖2所示，氣體先經流量傳感器，將轉化成的生理信號傳遞給壓力傳感器，單片機系統此時模擬血氧飽和度進行A/D轉換。電子呼吸容量計經紅外探測，計算出氣流流速，壓差，潮氣量以及分鐘通氣量。液晶顯示屏隨即顯示實時數據、圖形。

圖2 呼吸監護系統流程圖

呼吸監護系統實測數據圖，如圖3所示，其中潮氣量×呼吸頻率=每分通氣量。圖中右側，呼吸頻率19次/分，PEEP2cmHg，屬于人體正常數據。下側所標潮氣量6.8ml/kg，CPAP持續氣道內正壓通氣8cmHg。該設計同現如今平價品牌呼吸機，醫院臨床呼吸機進行控制變量數據比對。結果表明，并無實質性差異，且該設計產品的數據顯示更具體，更形象。

圖3 呼吸監護系統實測數據圖

5 結束語

由模擬傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和部分集成電路共同構成了該新型呼吸監護系統的硬件部分。該系統可以通過上述硬件順利完成對壓力信號的放大、濾波，對呼吸頻率、峰值壓力、潮氣量等十多項實時呼吸力學參數的監測，為醫療團隊提供有效數據。該系統應用到實際中，可以有效提高對患者呼吸監護的程度，及時掌握患者肺呼吸能力，動脈血氣情況，幫助醫生診斷病人呼吸功能障礙類型和嚴重程度，對呼吸治療及時有效做出合理判斷。該系統可以為急診醫療和臨床醫療，提供切合實際的援助，為危重病人提供更高質量的醫療服務，使呼吸監護不再滯后于心血管監護，減少因呼吸因素所致的猝死，心跳驟停。此系統開發難度低，成本低廉，易于大規模生產和使用，并且減少了醫院資金投入，病人的醫療費負擔。每一位病人都值得最好的醫療條件，監護設備。