基于OpenHarmony的新型智能電動吸痰器

陳元亮，戴洋毅，瑚 琦

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院；2.上海市現代光學系統重點實驗室，上海 200093）

0 引言

冬春季是各類呼吸道疾病的高發期，老年患者因體弱、咳痰反射差，容易出現痰液堵塞呼吸道問題，若痰液清理不及時，輕則導致患者呼吸困難，重則窒息死亡［1-2］。吸痰術是排除呼吸道潴留分泌物的有效方法之一，在臨床上已得到廣泛應用［2-4］，吸痰器是吸痰術必備的醫療器件之一。

然而，傳統吸痰器無法脫離市電使用，因此在戶外、急救、野戰等場景下無法使用。并且，傳統吸痰器由于操作繁瑣、智能化程度低、無吸痰計時功能等缺陷，存在較高的醫療風險，阻礙了吸痰器的廣泛應用。隨著5G、物聯網等技術與醫療行業的深度融合，智慧醫療逐漸成為國家重要的戰略資源，使用嵌入式技術賦能傳統醫療器械成為當下熱點研究話題［5］。

目前，便攜式電動吸引器大部分使用蓄電池供電，可應用于戶外、急救和野戰場景，但無法調整吸引負壓，對不同年齡段病人的普適性不足［6-7］。經過改良的電動吸痰器增加了機械調壓裝置調整吸引負壓，但存在操作繁瑣、耗時長、使用不靈活等缺陷［8］。智能化程度更高的多功能微型電動吸痰器使用按鈕選擇吸痰負壓檔位，方便快捷，但無法顯示吸痰時長，存在吸痰操作超時風險，并且設計成本較高，不利于大面積推廣［9］。

針對上述不足之處，本文設計了一種基于OpenHarmony 操作系統的智能電動吸痰器。通過嵌入式技術，結合氣壓傳感器與動態雙閾值算法實現吸痰壓力快速調節、過壓保護、吸痰計時功能。此外，該設備使用鋰電池供電，擺脫了市電限制，可應用于戶外、急救和野戰等場景，相較于傳統吸痰器操作更簡單，智能化程度更高，可對吸痰操作精準計時并顯示，降低了醫療風險。

1 系統整體架構

如圖1 所示，電動吸痰器系統由控制器、負壓泵、電磁泄壓閥、氣壓傳感器、緩沖瓶和過濾器組成，臨床吸痰時還需連接儲液瓶、真空控制裝置、吸痰管，設備實物圖如圖2所示。

Fig.1 System design framework圖1 系統設計框架

Fig.2 Physical equipment圖2 實物設備

臨床行吸痰術時，操作者首先在無菌條件下手持吸痰管經患者口鼻進入患者呼吸道，隨后將吸痰管撤回2cm，打開真空控制裝置，痰液將在大氣壓差作用下進入儲液瓶。

在系統組成部分中，緩沖瓶、過濾器可有效阻止痰液及水汽進入設備內部，避免設備損壞。氣壓傳感器用于監測氣路負壓大小。控制器根據操作者選擇的吸痰負壓值控制負壓泵運行產生負壓，當氣路負壓過高時，控制器將開啟電磁泄壓閥對氣路進行泄壓，以確保氣路負壓維持在安全范圍內。

2 系統設計

2.1 硬件設計

如圖3 所示，系統硬件由處理器、鋰電池、人機交互模塊、傳感器模塊、驅動模塊組成。其中，處理器采用華為海思Hi3861V100 芯片，主要負責處理各傳感器數據及控制執行機構動作；人機交互模塊由顯示屏、按鍵和聲光報警電路組成，按鍵設計采用硬件濾波電路，可有效解決因機械抖動引發的重復觸發問題；聲光報警電路由三極管驅動的有源蜂鳴器與LED 組成；傳感器模塊由氣壓傳感器、電池電量監測傳感器組成，氣壓傳感器選用BMP280 芯片，該芯片測量范圍為300～1100hPa（絕對壓力），具有高精度、高線性度和長期穩定性優點；電池電量傳感器選用CW2015芯片，該芯片能跟蹤電池的運行狀況估算電池電量；驅動模塊由負壓泵驅動電路和電磁泄壓閥驅動電路組成；驅動電路由IVCR2405 驅動芯片和LR7843 場效應管組成，可滿足負壓泵長時間穩定運行和電磁泄壓閥快速開閉的需求。

Fig.3 Hardware design framework圖3 硬件設計框架

2.2 軟件設計

圖4 為軟件設計方案，該軟件基于OpenHarmony 操作系統進行開發，主要由人機交互任務、氣壓檢測任務、負壓泵驅動任務組成。

Fig.4 Software design solutions圖4 軟件設計方案

2.2.1 OpenHarmony操作系統

OpenHarmony 是由開放原子開源基金會孵化運營的開源項目，是面向全場景、全連接、全智能時代的一個智能終端設備操作系統。該系統采用微控制器軟件接口標準（Common Microcontroller Software Interface Standard，CMSIS），可實現業務代碼跨平臺的快速移植［10-11］。

目前，OpenHarmony 支持輕量系統、小型系統、標準系統，輕量系統主要面向硬件資源有限的微控制器（Microcontroller Unit，MCU）類處理器設備，采用輕量級物聯網操作系統（LiteOS）內核，針對不同系列芯片又可分為LiteOSM、LiteOS-A。

本文系統所使用的LiteOS-M 內核具有體積小、功耗低、性能高的優點，包含硬件相關層與無關層。其中，硬件相關層提供統一的硬件抽象層接口（Hardware Abstraction Layer，HAL）；硬件無關層包含基礎內核與擴展內核，基礎內核提供任務調度、內存管理、通信機制、中斷異常、時間管理和軟件定時器功能，擴展內核提供C++支持、文件系統、網絡模塊等組件能力。

任務調度支持多任務，采用搶占式調度機制［12-13］，具有32 個優先級，高優先級任務可打斷低優先級任務，相同優先級任務支持時間片輪轉調度［14］。通信機制包括事件、消息隊列、互斥鎖、信號量，事件用于任務間同步操作，消息隊列用于任務間通信，互斥鎖保證資源不會被多個任務同時訪問，信號量是一種鎖機制，用于限制同一時刻對同一資源訪問的最大任務數目［15］。

時間管理是以系統時鐘為基礎，為應用程序提供所有與時間相關的服務［16］。軟件定時器基于系統時鐘中斷，由軟件模擬的定時器，解決了硬件定時器易受限于硬件資源的問題，擴展了定時器數量，當軟件定時器經過設定的系統時鐘計數值時則觸發用戶定義的回調函數，執行相應操作。

系統上電運行時，OpenHarmony 操作系統首先創建一個臨時任務，在臨時任務中再創建消息隊列、事件集、各子任務，之后銷毀臨時任務并開始運行各子任務。

2.2.2 人機交互任務

由于不同年齡段的病人使用吸痰器時所需吸痰負壓不同，因此吸痰負壓檔位可調功能必不可少。根據國內研究記錄［3，6，8，17-18］，系統設置13.3kPa（兒童）、26.6kPa（弱）、33.25kPa（中）、40kPa（強）和53.3kPa（濃痰）共5 個吸痰負壓檔位。

圖5 為人機交互任務流程，任務主要由按鍵檢測、顯示屏顯示、聲光報警功能組成。首先，操作者通過面板上“上”“下”“運行”“停止”按鍵選擇合適的吸痰檔位，系統向消息隊列中寫入被選定的吸痰負壓值后開始運行。然后，系統獲取吸痰操作計時值，并判斷吸痰是否超時，若吸痰時長超過12s 將亮起紅色LED 燈，蜂鳴器以1Hz 的頻率發出提示音；若吸痰時長超過15s將快速閃爍紅色LED 燈，蜂鳴器發出急促警報聲，提醒用戶盡快結束本次吸痰操作，避免患者因氣管痙攣導致缺氧窒息。最后，顯示屏刷新顯示內容。

Fig.5 Human machine interaction task flow圖5 人機交互任務流程

2.2.3 氣壓檢測任務

傳統電動吸痰器通常采用指針式氣壓表顯示當前氣路負壓值，但該方法所使用的負壓表通常采用純機械結構進行測量并顯示，精度易受環境溫度影響，既無法準確反饋真實的負壓值，又無法保證氣路負壓值保持在目標負壓值內，存在一定的醫療風險。因此，本文系統采用氣壓傳感器，結合環境溫度修正氣壓數據，保證在不同溫度環境下輸出的氣壓值準確無誤。

氣壓檢測任務由傳感器初始化、數據采集、數據濾波、算法識別和數據寫入組成。任務開始時，系統通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）向傳感器依次發送復位、保持時間、濾波器、壓力過采樣等設置命令，隨后讀取出廠校準數據，完成傳感器初始化工作。任務主循環中，系統首先通過IIC 總線讀取傳感器原始溫度和氣壓數據，結合出廠校準數據計算真實氣壓值。

然而，由于隔膜泵會產生脈沖式負壓，導致氣壓傳感器采集的數據呈現波動狀態。為此，系統首先采用移動平均算法對數據進行預處理，處理效果如圖6 所示；然后使用閾值算法識別吸痰管真空控制裝置開閉狀態并對吸痰操作進行計時；最后將預處理后的氣壓數據和吸痰計時數據寫入消息隊列。

Fig.6 Moving average algorithm processing effect圖6 移動平均算法處理效果

2.2.4 負壓泵驅動任務

由于吸痰負壓過高可能導致患者呼吸道黏膜損傷、肺不張和低血氧癥［17-19］，因此保證氣路負壓不超過設定吸痰負壓值至關重要。

傳統電動吸痰器負壓泵多采用固定功率運行，若患者所需吸痰負壓較低，而負壓調整裝置泄壓速度較慢，將導致氣路負壓過高，增加醫療風險。因此，本文系統根據設定的吸痰負壓值數據動態調整負壓泵運行功率，再結合氣壓傳感器數據控制電磁泄壓閥開啟的頻率和時長，實現過壓保護功能。該設計不僅能大幅降低設備電能消耗，還能保證氣路負壓不超過設定值，提高了設備安全性。

3 吸痰計時功能實現

由于吸痰過程中病人的氧氣會被部分或完全中斷，所以吸痰持續時長不宜過長。目前，公認的吸痰持續時長應小于15s［9，17-21］，然而傳統吸痰器并不具備吸痰計時功能，若操作者操作時未能控制吸痰時長，將導致患者呼吸道痙攣，增加醫療風險。

為此，本文系統使用氣壓傳感器，結合閾值識別算法主動識別吸痰操作開始的動作并計時，當吸痰超過12s 時發出弱提示，當吸痰超過15s時發出強警告，提醒操作者盡快結束吸痰操作。

3.1 狀態機

為了便于編程和數據分析，系統引入狀態機進行管理，運行狀態分別為待機、就緒和吸痰。其中，待機表示設備開機但負壓泵和真空控制裝置關閉；就緒表示負壓泵工作，氣路產生負壓，真空控制裝置保持關閉，患者端不產生負壓；吸痰表示真空控制裝置開啟，患者端產生負壓。起始狀態為待機，狀態轉換如圖7所示。

Fig.7 State machine state transition圖7 狀態機狀態轉換

3.2 閾值識別算法

靜態閾值識別法是根據經驗配置固定的閾值，當超過或低于該閾值時即刻觸發相應動作。本文系統共設置5個吸痰負壓檔位，每個檔位產生的負壓值各不相同，若使用相同閾值將導致不同檔位識別延遲不一致，不便于后續處理。

動態閾值識別法基于系統運行數據，實時調整識別的閾值。在動態單閾值識別法中，某一吸痰檔位僅設置一個閾值用于識別，當超過或低于該閾值時觸發相應動作，但當信號反復振蕩，多次穿過閾值時會導致識別結果抖動，影響系統穩定性，因此通常在識別成功后加入一個時間窗口，在該時間窗口內不再進行識別。然而，該方法無法保證時間窗口結束后信號是否穩定，識別結果會出現間斷性反復振蕩現象。為解決這一潛在風險，本文系統引入動態雙閾值識別算法，即當系統處于就緒狀態時，使用閾值T1作為識別閾值；當系統處于吸痰時，使用閾值T2作為識別閾值。

式中，x為吸痰檔位的負壓值，單位為Pa。

3.3 實驗結果與分析

本文在實驗時使用1.5%濃度的POLYOX 水溶性樹脂混凝劑作為模擬痰液，該濃度溶劑與人類氣道分泌的痰液的粘度和表面特性類似［22］。

圖8 為分別使用動態單閾值和動態雙閾值識別算法對同一段數據進行識別的結果，該段數據采集自40kPa（強）檔位且剛打開真空控制裝置的場景。由于吸痰管中含有濕潤吸痰管時殘留的生理鹽水，因此氣路負壓在上升的過程中出現多次波動。

由圖8（a）可見，動態單閾值識別法由于數據波動，系統在吸痰、就緒階段反復變化，導致吸痰計時被反復重置。由圖8（b）所示的動態雙閾值識別法可見，系統首先使用數值較大的T1作為識別閾值，當系統處于吸痰狀態時使用數值較小的T2作為識別閾值，由于圖中負壓數據高于T2，因此識別結果并未出現反復變化的現象。

Fig.8 Comparison of recognition effects of different recognition algorithms圖8 不同識別算法識別效果比較

通過比較圖8（a）、圖8（b）的識別起點可知，動態雙閾值識別法要慢于動態單閾值識別法。為了準確測量識別算法的延遲大小，實驗測試時在吸痰管真空控制裝置處加裝了一個電子開關，并接入處理器，當開閉真空控制裝置時，電子開關將同步觸發，系統便可采集到觸發信號并通過串口輸出至電腦端。

圖9 為電腦端采集的大量數據中隨機抽取的一段數據繪制的曲線，該段數據來源于13.3kPa（兒童）檔位且打開真空控制裝置，等待氣路負壓穩定后吸痰的場景。由此可見，識別結果的起點明顯遲于真空控制裝置開閉時刻。分析表明，該延遲主要來源于移動平均算法和緩沖瓶。

Fig.9 Delay test results圖9 延遲測試結果

通過多次實驗測試可知，從打開真空控制裝置到算法識別出該動作的延遲均值為440ms，該延遲與吸痰負壓檔位無關，與是否等待負壓穩定后再開始吸痰操作相關。為此，系統顯示屏將在顯示時主動補償440ms以抵消延遲。

由實驗數據可知，從關閉真空控制裝置到算法識別該動作的延遲均值為1 776ms，由于關閉真空控制裝置時患者端負壓即刻消失，故該延遲并未對患者造成任何損傷，因此不作處理。

通過上述實驗測定，本文所設計的系統工作穩定，魯棒性較強，識別開閉吸痰管真空控制裝置及時，吸痰計時精確，適用性和可行性較高。

4 結語

本文設計實現的基于OpenHarmony 操作系統的智能電動吸痰器，通過使用嵌入式技術，結合氣壓傳感器和動態雙閾值算法實現吸痰壓力快速調節、過壓保護、吸痰計時功能。系統簡化了吸痰術的操作流程，縮短了吸痰術前的準備時間，減輕了吸痰術中操作者的負擔，降低了患者因吸痰超時造成氣管痙攣和缺氧加重的風險。

實驗測定，設備運行穩定可靠，吸痰負壓調節快速精確，吸痰計時準確，具有廣泛的應用前景。然而，由于算法識別存在延遲問題，而OpenHarmony 具有強大的分布式和物聯網能力，后續將與科室智慧醫療設備進行聯動，以進一步降低吸痰動作信號的延遲。