自動調壓無創呼吸機軟件設計及測試分析

雷豪

摘? 要：該文主要探究自動調壓無創呼吸機軟件部分的設計方法，并開展測試觀察應用效果。呼吸機采用μc/OS-II實時嵌入式操作系統，呼吸機與上位機之間使用USB接口實現通信。用戶佩戴呼吸機面罩后，傳感器實時采集壓力數據，并根據用戶的呼吸動作自動調節輸出壓力，在呼氣時降低壓力以減小呼氣阻力，在吸氣時增加壓力以輔助吸氣。從測試情況來看，該文設計的自動調壓無創呼吸機基本上達到設計要求。

關鍵詞：無創呼吸機；嵌入式操作系統；人機同步；傳感器；FSM模型

中圖分類號：TH77? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0045-04

Abstract： This paper mainly explores the design method of the software part of the automatic pressure regulating non-invasive ventilator， and carries out the test to observe the application effect. The ventilator adopts μc/OS-II real-time embedded operating system， and the USB interface is used to realize the communication between the ventilator and the host computer. After the user wears a ventilator mask， the sensor collects the pressure data in real time， automatically adjusts the output pressure according to the user's breathing action， reduces the pressure when exhaling to reduce expiratory resistance， and increases the pressure when inhaling to assist inhalation. Seen from the angle of the test， the automatic pressure regulating non-invasive ventilator designed in this paper basically meets the design requirements.

Keywords： non-invasive ventilator; embedded operating system; man-machine synchronization; sensor; FSM model

自動調壓無創呼吸機在改善呼吸功能、增加肺通氣量、提升睡眠質量等方面發揮了突出作用，隨著呼吸機技術的成熟和價格的降低，逐漸在呼吸疾病患者群體中得到了普及使用。傳統的呼吸機需要用戶主動適應呼吸機的輸出壓力，經常會出現呼吸機的壓力調整與用戶的呼吸動作不同步的情況。當用戶呼氣時，呼吸機的輸出壓力較大，由于呼氣阻力較大，使用體驗不佳。因此，本文以人機同步作為出發點，對呼吸機軟件進行了改良設計，利用精密傳感器和高性能CPU準確識別用戶的呼吸動作，并靈活調節輸出壓力，達到人機同步效果，優化了呼吸機的使用效果。

1? 自動調壓無創呼吸機的軟件設計

1.1? 嵌入式操作系統的選擇

本文設計的呼吸機軟件采用嵌入式操作系統，具有實時性強、結構緊湊、穩定性好等特點，常用的嵌入式操作系統有Linux、WinCE、μc/OS-II等。其中，μc/OS-II作為一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統，支持匯編語言和C語言，允許用戶最多建立60個任務，并根據任務的優先級自動調整任務的執行順序，在航天、醫療等領域的工業控制中有著廣泛應用，本文將μc/OS-II作為呼吸機操作系統，其結構如圖1所示。

μc/OS-II實時操作系統中的CPU采用LPC2387微處理器，可自定義用戶管理、普通中斷、快速中斷等7種工作模式，利用中斷向量實現各種模式的切換。寄存器的作用是在指令執行發生異常時，強制指向某一特定地址，并運行服務程序完成指令，從而提高了呼吸機運行的可靠性。

1.2? 呼吸機控制軟件設計

1.2.1? 呼吸機控制流程

本文設計的自動調壓無創呼吸機控制系統由人機交互界面顯示、風機有限狀態機模型控制、呼吸壓力協調控制等幾部分構成，控制流程如圖2所示。

結合圖2，呼吸機的控制思路為：①呼吸機上電后，用戶在設置界面設定各項參數，如呼吸壓力、控制模式等。傳感器實時采集呼吸通道的壓力值，當實際壓力高于設定值（默認為50 Pa）時，呼吸機啟動運行。②呼吸機的風機有升壓、穩定、漏氣報警等多種運行狀態，CPU根據用戶設定指令控制風機在不同狀態之間切換。③設定好風機狀態后，CPU會根據實際壓力判斷呼吸動作，進而調整風機轉速。例如，CPU判斷用戶正在呼氣，則降低風機轉速，減小用戶呼氣的阻力；反之，CPU判斷用戶正在吸氣，則增加風機轉速，輔助用戶完成吸氣[1]。

1.2.2? 控制任務設計

本文結合自動調壓無創呼吸機的運行特點和功能要求，運用μc/OS-II操作系統設計了4項控制任務，分別如下。

1）TaskWander（空閑任務）。呼吸機軟件系統運行后自動創建空閑任務，之后根據用戶操作需要創建其他3個任務。

2）TaskCtrl（主控制任務）。包括邏輯控制、壓力實時監測、壓力數據存儲。

3）TaskDisp（人機交互任務）。包括按鍵掃描、顯示器驅動、實時壓力曲線。

4）TaskCocm（通信任務）。支持呼吸機與PC之間完成雙向通信。

調用μc/OS-II操作系統自帶的任務創建函數OSTaskCreate（）完成上述控制任務的創建，本系統最多支持創建60個任務，并且對任務進行優先級排序，呼吸機按照優先級從高到低的順序執行任務。

1.3? 控制任務的實現

1.3.1? 風機驅動任務的實現

有限狀態機（FSM）系統存在多種運行狀態，如空閑狀態、升壓運行狀態、漏氣補償狀態。但是在任意時刻只會處于其中的一種狀態，即多個狀態不重疊。在設計呼吸機控制系統時使用FSM模型，保證了控制邏輯清晰[2]。以自動調壓無創呼吸機中的風機為例，創建風機運行狀態FSM模型，如圖3所示。

這里以升壓運行狀態為例，為了實現對風機的控制，創建了全局變量表（stage），傳感器采集風機運行的狀態參數后保存到stage表中。呼吸機上電啟動后，風機完成初始化并進入空閑狀態。此時前端傳感器開始按照特定頻率采集壓力值，并對比實際壓力與設定壓力。當“實際壓力>設定壓力（0.5 mm Hg）”時，判斷為觸發成功。然后系統運行switch程序，把用戶設定的壓力值發送至CPU，CPU生成指令控制執行器（升壓設備）開始升壓，從而實現對風機運行狀態的控制。

1.3.2? 自動調壓的實現

自動調壓無創呼吸機可以在用戶使用設備的過程中，自動判斷用戶的呼吸動作。在此基礎上通過自動調節氣流壓力，達到輔助用戶吸氣、減少呼氣阻力的效果，優化呼吸機的使用體驗。本系統的自動調壓實現方式如下。

在用戶呼氣時，壓力隨之上升，壓力變化率為正（T1）；在用戶吸氣時，壓力隨之下降，壓力變化率為負（T2）。呼吸機啟動后，實時采集壓力值，并計算動態壓力變化率T。如果存在“0T>0”，則判斷為吸氣動作即將結束，此時呼吸機的風機轉速降低，降低風機的輸出壓力。重復上述“檢測—調節—再檢測”流程，即可實現自動調壓。

實時采集和反饋壓力數據，是呼吸機實現自動調壓功能的前提。本文設定的壓力信號采集頻率為10 Hz，2次信號的采集時間間隔為100 ms。提供Press[10]和Time[10] 2個數組，前者用于存儲壓力采集數據，后者用于存儲壓力采集時間[3]。2個數組中的數據一一對應，例如Press[1]壓力數據對應Time[1]采集時間。2個數組均采用“向前覆蓋法”，以壓力采集時間為例，將10個數據放入數組Tmie中，繼續采集第11個數據。此時，將Time[1]數據放入到Time[0]中，將Time[2]數據放入到Time[1]中。以此類推，Time[10]數據放入到Time[9]后，Time[10]空閑，然后將第11個數據放入到Time[10]中。通過這種處理方法，一方面可以保證壓力數據和采集時間能夠實時刷新，另一方面又能顯著提高系統CPU的運算效率，提高壓力調節的靈活性。

1.3.3? 人機交互的實現

呼吸機的人機交互也是通過FSM模型實現，人機交互界面包含3部分，即初始顯示狀態、配置顯示狀態、圖表顯示狀態，用戶可通過鍵盤進行操作。人機交互FSM模型的創建流程如圖4所示。

本文在設計呼吸機的人機交互系統時，分別創建了顯示狀態變量表（page）和按鍵存儲變量表（key）。前者可存儲呼吸機的顯示狀態信息，后者則存儲呼吸機的按鍵操作信息，并通過對變量page和key的賦值完成相關動作。這里以圖表顯示狀態為例，實現方法如下：呼吸機啟動后，完成各項參數的初始化，如變量page初始化、鍵盤操作初始化等，并進入初始顯示狀態。進行變量page賦值，設置為Disp_Chart。在用戶使用呼吸機時，檢測到壓力變化，呼吸機的人機交互界面由初始顯示狀態切換為圖表顯示狀態，以圖表方式展示壓力變化曲線、呼吸機服務時間等參數[4]。

1.3.4? 上位機與呼吸機通信的實現

上位機（PC）與呼吸機之間利用USB數據線實現通信，PC上安裝的軟件可以直接讀寫呼吸機上的SD卡。為了增強雙端通信的實時性，本文使用統一的數據幀格式，呼吸機反饋的所有數據均按照該格式存儲，從而減少了PC軟件處理數據所花費的時間，提高了系統的響應速度。數據幀格式由5部分組成，從頭至尾分別為

Init_Cmd，起始標志，為固定的數值；

Ctrl_Cmd，命令字，對應相應的操作；

Length，數據的字節長度；

Data，通信數據；

CRC，字節的校驗碼。

通信協議是基于命令字實現相應的操作，例如Ctrl_Cmd=0x01，表示通信測試操作；Ctrl_Cmd=0x02，表示SD卡的擦除操作。發送數據為0x12/0x0000，返回命令為0x12/0x0001/ErrCode。該命令中，ErrCode表示錯誤碼，不同錯誤碼及其對應的錯誤類型見表1。

2? 自動調壓無創呼吸機的測試分析

2.1? 運行測試

測試者戴上呼吸機的面罩，連接電源后按下呼吸機的“star/stop”按鍵，呼吸機正常啟動后操作鍵盤進入到配置界面。配置呼吸機的各項參數（包括升壓時間、吸氣壓力值等）后，通過呼氣觸發呼吸機開始工作[5]。本次測試中，設定壓力值為800 Pa，升壓時間為60 s。呼吸機開始運行后，風機轉速開始升高，相應的輸出壓力增加。經過60 s后，輸出壓力達到800 Pa左右。用戶吸氣時，呼吸機輸送800 Pa左右的壓力，輔助吸氣；用戶呼氣時，呼吸機將壓力降低至400 Pa左右，減輕呼氣阻力。用戶正常呼吸，感受呼吸機的壓力變化能否與呼吸動作同步，并觀察顯示器上的實時壓力數據。將壓力數據存儲到SD卡中，并生成壓力歷史數據曲線，如圖5所示。

2.2? 測試結果分析

患者呼氣時，呼出的氣流使管道壓力增加，略高于設定的呼氣壓力值，約為400 Pa；患者吸氣時，患者的吸氣動作也會影響管道中的壓力值，略低于設定的吸氣壓力值，約為800 Pa。當呼吸機檢測到患者的吸氣或呼氣持續時間超過2 s后，自動切換輸出壓力，發揮保護作用。從測試效果來看，本文設計的自動調壓無創呼吸機軟件系統，可以在設備使用期間根據用戶的呼吸動作自動調節輸出壓力，在滿足輔助呼吸功能的前提下，提升了呼吸舒適度，優化了用戶使用體驗，取得了良好應用效果。

3? 結束語

自動調壓無創呼吸機利用安裝在呼吸面罩或管道內的壓力傳感器，實時采集壓力數據，計算出壓力變化率，并根據用戶的呼吸動作調整輸出壓力，從而達到輔助吸氣、減小呼氣阻力的效果。基于μc/OS-II嵌入式操作系統的呼吸機軟件系統，除了開發難度低、可擴展性強等特點外，還具有系統響應速度快、自動調節效果好等優勢。從測試效果來看，本文設計的呼吸機軟件系統可以根據用戶呼吸動作實現自動調壓，并且在患者呼氣、吸氣時間較長時自動切換呼吸動作，發揮了保護功能，有助于自動調壓無創呼吸機的推廣應用。

參考文獻：

[1] 沈玉鵬，房瑋，焦亞平.基于防壓瘡棉罩設計的無創呼吸機自動調壓技術研究[J].自動化與儀器儀表，2021（6）：198-200.

[2] 史偉，曾潔，程軼玲，等.新型無創呼吸機口鼻面罩固定裝置的設計與臨床應用[J].循證護理，2023（8）：1516-1518.

[3] 羅丹.基于防壓瘡面罩設計的無創呼吸機參數自動校準方法研究[J].自動化與儀器儀表，2021（6）：208-209.

[4] 張曉艷，李紅梅.一種可調節防壓迫呼吸機面罩的設計和應用方法[J].醫藥衛生，2023（1）：38-40.

[5] 陳金虎，白浩笛，竹永寬，等.基于物聯網下新型呼吸機的設計研究[J].電腦知識與技術，2023，19（8）：89-91.