基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統設計

摘 要：呼吸機除了給患者提供持續穩定的氧氣輸入，還需對呼吸狀態進行準確判斷。本文提出一種基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統，系統主要由單片機主控模塊、風機驅動模塊、流量傳感器、壓力傳感器、通氣管道、面罩以及基于MATLAB開發的GUI上位機軟件七部分組成。主控模塊將流量傳感器監測的實時流量數據通過串口傳輸至上位機進行處理，上位機采用流量變化率觸發算法對呼吸狀態進行準確判斷，并發送相關指令到主控模塊，通過PID控制算法改變風機轉速，從而實現氣道壓力的動態調節。測試結果表明，所設計呼吸機系統能快速準確地實現呼吸狀態判斷、呼吸異常情況檢測以及對呼吸波形、呼吸參數的實時顯示，并能通過PID控制實時調整通氣壓力和流量，改善患者呼吸狀況。

關鍵詞：呼吸機系統；雙傳感器；PID控制；風機驅動；呼吸狀態判斷；呼吸異常檢測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-05

0 引 言

呼吸機作為一種可以輔助病人進行正常呼吸的設備[1]，通過用于實現機械通氣以提高患者的呼吸能力，改善患者的呼吸情況，提高人體肺部的通氣率，它涉及風機、控制芯片、高精度傳感器等元器件。

準確識別患者的呼吸狀態是呼吸機的關鍵功能，當前市面上呼吸機大都采用壓力觸發和流量觸發兩種方式進行呼吸狀態檢測[2]。壓力觸發原理是以患者的呼吸動作導致通氣管道內氣壓值產生的變化為依據[3]，患者吸氣時氣壓值會減小，呼氣時氣壓值會增大，當分別達到設定的觸發閾值時則會觸發對應的通氣過程。流量閾值觸發與壓力觸發的原理大同小異，只是將觸發條件變為通氣管道內氣體流量值的變化，相比于壓力觸發，其具有觸發更靈敏、始終保持氣道內有新鮮氣體的優點[4]。但是當患者出現低通氣情況時由于事先設定的觸發閾值過高，使用流量閾值觸發有可能無法實現準確的呼吸狀態判斷，從而導致人機不同步，影響患者的使用[5]。范霖等[6]通過快速響應濕度傳感器進行呼吸狀態的檢測，但是濕度傳感器若放置在距離口腔較近的位置，會降低患者的使用舒適度。

本文提出了一種基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統，通過流量傳感器實時檢測通氣時氣道中的氣體流量數據，計算出流量變化率，從而實現患者呼吸狀態的判斷以及相關呼吸參數的準確計算。結合壓力傳感器，采用PID控制算法[7]使氣道壓力迅速接近預先設定的期望壓力。與傳統采用呼吸流量閾值觸發方式的呼吸機相比較，本系統的優點是：不論是在患者正常呼吸還是在患者出現低通氣情況時呼吸機系統都能實現呼吸狀態的準確判斷。

1 呼吸機系統框架設計

基于PID控制的雙傳感器呼吸狀態檢測系統的框圖如圖1所示，主要包含呼吸管道和醫用面罩、控制模塊、上位機軟件三部分。控制模塊主要負責實現流量傳感器和壓力傳感器的數據采集[8]，并通過串口將數據實時傳輸給上位機，同時實現風機驅動功能。上位機軟件對串口傳輸的流量數據進行準確接收，通過相關算法進行處理，從而實現對患者呼吸狀態的判斷以及呼吸是否存在異常情況的檢測。上位機也可以通過串口發送指令到單片機，單片機根據上位機發送的指令去調節風機轉速，從而實現動態反饋達到調節呼吸管道氣壓值的目的，患者的實時呼吸流量波形、呼吸管道氣壓變化曲線、相關呼吸狀態參數也可以在上位機上查看。

2 呼吸機系統關鍵技術

2.1 PID控制算法

呼吸機系統由單片機主控模塊驅動風機形成氣道壓力，壓力傳感器將檢測到的氣道壓力值返回到主控模塊進行PID運算，進而使輸出盡量靠近目標壓力值，形成了一個閉環壓力控制系統，該系統框圖如圖2所示。

呼吸機系統采用PID控制算法來實現上述壓力控制過程，通過計算出實際測量壓力與目標壓力的差值，借助比例、積分、微分運算得到的控制量進行動態控制。模擬PID控制系統原理如圖3所示。其中：r（t）表示設定的目標壓力值；y（t）表示系統的實際測量值；e（t）表示實際測量值與目標值的誤差量；u（t）表示被控對象輸入值；P（s）表示被控對象傳遞函數，在本系統中代表控制風機轉速的占空比大小。

模擬PID計算公式為：

（1）

式中：Kp代表比例系數；Ti代表積分時間；Td代表微分時間；Kp與Ti的比值為積分系數；Kp與Td的比值為微分系數。但是在實際應用中需要將模擬量轉變為離散數字量進行處理，將式（1）進行離散化處理后得到數字PID計算表達

式為：

（2）

式中：k代表采樣號；T代表采樣周期；ek代表此次采樣值與目標值的差值。經過計算可以得到輸出值uk，進而控制風機轉速，這種控制方式被稱為全量式PID控制器。

2.2 流量變化率觸發算法

呼吸機系統的核心就是能夠高效準確地識別出患者的呼吸狀態，因此需要采用的呼吸狀態檢測算法具有較高的精確度和較快的識別速度。傳統的流量閾值觸發算法在判斷患者呼吸狀態時存在延時大、患者低通氣時無法準確識別的缺點。因此，本系統選用流量變化率閾值觸發的方法對患者的呼吸狀態進行檢測。當患者吸氣時，通氣管道內的氣體流動加快，流量變化曲線由低變高。患者呼氣時，由于呼氣方向與風機輸出方向相反，導致通氣管道內氣體流動降低，流量變化曲線隨之由高到低變化。通過將流量變化率與設定的呼氣、吸氣變化率閾值進行比較，實現對患者呼氣、吸氣狀態的準確判斷。

具體實現方式是將系統接收到的流量值數據保存為一個兩位的數組，并且數組內容會伴隨著串口數據的實時傳輸進行刷新；再調用MATLAB的diff（）函數對數組數據進行求導操作，將得到的導數結果與設定的流量變化率閾值進行比較，即可實現呼吸狀態的判斷，計算方法如下：

（3）

（4）

（5）

式中：Flow[i+1]和Flow[i]分別表示流量傳感器連續采集的兩位流量數據，二者相減得到的即是流量變化值?F；?T表示采集到兩個連續數值時間間隔。

經過人體反復試驗后發現，將呼氣變化率閾值KO和吸氣變化率閾值KI分別設置為-0.8和0.8時，能精確實現對呼吸狀態的判斷。當K小于呼氣變化率閾值KO時，系統將呼吸狀態判定為呼氣；當K大于吸氣變化率閾值KI時，系統將呼吸狀態判定為吸氣。流量變化率閾值觸發算法流程如圖4所示。相關呼吸參數的計算也需要根據呼吸狀態的檢測結果來實現，呼吸頻率指患者1 min內由吸氣動作轉到呼氣動作的總次數，通過計算單位時間內呼氣和吸氣狀態的觸發次數而得到呼吸頻率。異常呼吸檢測指對患者出現低通氣或者呼吸暫停狀況，以及對長時間內通氣流量值偏低或者長時間無法觸發呼吸狀態的檢測。

3 呼吸機系統硬件設計

基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統硬件部分由微控制器模塊、風機驅動模塊以及呼吸管道和呼吸面罩組成。其中微控制器模塊負責對風機的驅動、雙傳感器數據的采集以及LED燈等外設的控制，并實現與上位機之間的串口通信；風機、呼吸管道和呼吸面罩構成了呼吸通道。呼吸機系統硬件連接如圖5所示。

3.1 傳感器模塊硬件設計

傳感器采集電路包括壓力傳感器采集電路和流量傳感器采集電路。本系統中壓力傳感器選用寶勝信息公司的MCP-H10-A10KPP，該傳感器體積小、反應靈敏、測量精度高，測量范圍為0～10 kPa，符合呼吸機應用要求；采用5 V電源供電，因此直接與控制芯片的ADC模擬輸入引腳連接，其采集電路和實物如圖6所示。流量傳感器選用奧松電子的 AFM3000流量傳感器，專為呼吸機應用而設計，以超高的精確度測量氣體流量，其電路連接方式也是直接與控制芯片的對應引腳連接，流量傳感器采集電路及實物圖如圖7所示。

3.2 主控及其外圍電路設計

呼吸機系統選用STM32F407ZGT6作為單片機模塊的主控芯片，該芯片主頻為168 MHz，其SRAM的大小為192 KB、FLASH的大小為512 KB，同時包含了多個I/O接口，能夠實現多個外圍電路的連接，并且擁有三個ADC，能夠滿足多個傳感器的數據采集[9]。為了實現上位機與單片機的數據傳輸，采用CH340G串口芯片來實現串口的通信。外圍電路包括LED指示燈、蜂鳴器、按鍵這三部分，電路分別直接連接到主控芯片上對應輸出引腳，LED的電路是低電平時有效，其作用是對患者的呼吸狀態進行指示并且反映系統是否正常運行；蜂鳴器用于在患者出現異常呼吸狀況時進行報警；按鍵用來實現系統的外設控制功能。

單片機模塊外接12 V電源進行單獨供電，再由12 V電源產生傳感器和其他模塊所需要的電壓，12 V到5 V、3.3 V的電壓轉換均選用高效降壓穩壓芯片TPS562201完成。單片機控制板實物圖如圖8所示。

3.3 風機及驅動模塊

目前市面上多數無創性通氣設備使用的都是BLDC（直流無刷電機）[10]，其具有使用壽命長、運轉速度高、運轉噪音小[11]這幾項優勢。本系統選用 Wonsmart公司生產的高速直流無刷風機，使用電機驅動板進行控制。通過主控芯片STM32F407ZGT6對風機驅動電路和三相全橋電路進行控制，從而驅動風機。在讀取到霍爾傳感器的數據后，根據相應的換相規則對三相全橋電路的6個MOS管進行關斷與導通控制，使任意時刻上橋臂與下橋臂分別只有一個MOS管導通，從而形成回路，使得風機按所需方向進行旋轉，輸出氣流。風機及其驅動模塊如圖9所示。

4 呼吸機系統軟件設計

呼吸機系統軟件設計分為兩部分：一部分是在 Keil上面設計的單片機控制程序；另外一部分是基于MATLAB的GUI上位機程序設計。

4.1 單片機控制程序設計

單片機主程序運行流程如圖10所示。主控模塊上電啟動后系統首先進行初始化，然后通過串口通信向上位機發送傳感器采集到的呼吸流量數據和氣道壓力數據，同時接收上位機軟件發送的控制指令；緊接著根據相關指令去運行PID壓力控制程序，并通過STM32高級定時器的PWM互補輸出通道實現無刷直流電機的輸出換相，改變風機轉速使得氣道壓力向期望值靠近。

4.2 MATLAB上位機程序設計

呼吸機系統上位機軟件基于MATLAB的GUI平臺進行設計開發。上位機根據呼吸機系統需要實現的功能，將界面分為5個部分：串口參數、系統控制、氣道壓力和呼吸流量的波形顯示、通氣模式設置以及呼吸情況判斷。患者可以在串口參數界面中設置好串口通信的相關數據，然后點擊系統控制界面中的啟動程序，系統會進行串口、繪圖程序的初始化。接收到下位機發送的數據后，進入中斷程序。在中斷程序中，軟件會對接收到的實時數據進行處理，更新呼吸情況判斷界面中的呼吸狀態等參數。上位機程序的運行流程如圖11所示。

5 呼吸機系統測試

5.1 系統測試環境

呼吸機系統的測試環境如圖12所示，包括單片機主控模塊、風機以及連接流量傳感器的呼吸管路、呼吸面罩、電腦上位機、外接電源。連接好所有需要的硬件設備后，接通電源，通過USB接口將單片機控制模塊與電腦進行連接，上位機檢測到串口相關參數匹配后代表硬件與上位機連接成功。當患者點擊“啟動程序”后，上位機會進行初始化，呼吸管道內的氣體流量和氣壓值都會在上位機的波形顯示界面中顯示，患者也能在上位機界面中看到相關的呼吸參數，如呼吸狀態、呼吸頻率等。

5.2 呼吸機系統測試

為了驗證所設計呼吸機系統的可行性，對4位患者進行呼吸測試，并對4位患者在1 min內的測試呼吸次數與實際呼吸次數進行了統計，見表1所列。從表中數據可以看到患者呼吸頻率的測試值與實際值相同。

系統的上位機界面如圖13所示。從圖中可以看到，患者此時呼吸正常，其呼氣和吸氣過程都得到了準確的識別，同時患者的呼吸頻率等參數也在上位機進行了顯示。從壓力波形可以看出，患者在呼氣和吸氣時的氣壓值是在設定壓力值上下變化的，證明系統能夠通過PID實現動態控制，在患者呼氣時風機降速使得氣道壓力降低，患者呼氣更加順暢；吸氣時風機轉速增大使得氣道壓力增大，讓患者更快速地吸入氧氣。

圖14是高頻呼吸檢測結果。從圖中可以看到，患者每分鐘的呼吸頻率超過40次，處于呼吸急促狀態，系統仍能準確判斷出患者的呼吸狀態，完成高頻觸發。

如圖15所示，上位機檢測到患者低通氣發生后，發送增壓指令到單片機，從而使得風機轉速增大，使氣道壓力增強，進而改善患者的通氣狀況。從圖中可以看到，氣道壓力在PID控制下于1 s內便上升到了設定的壓力值，使患者恢復到正常呼吸狀態。由此可知，即使是在低通氣情況下，本系統仍能精確地識別出患者的呼吸狀態，有效避免了傳統流量閾值觸發算法導致的低通氣無法進行呼吸狀態檢測的問題。

如圖16所示，上位機檢測到患者發生呼吸暫停后，發送增壓指令到單片機，從而使得風機轉速增大，使氣道壓力增強，幫助患者恢復正常呼吸。從圖中可以看到，氣道壓力在PID控制下于1 s內便上升到了設定的壓力值，使患者恢復到正常呼吸狀態。

6 結 語

本文提出一種基于雙傳感器和PID控制的呼吸機系統。呼吸機系統在將STM32F407ZGT6作為主控芯片的單片機控制板上采用PID控制實現風機轉速控制、串口通信、LED指示燈閃爍、蜂鳴器報警等功能，結合上位機的流量變化率閾值觸發算法，對采集的流量數據進行處理，實現對患者呼吸動作的準確判斷；結合壓力傳感器通過PID控制實現通氣管道內氣壓的動態控制。系統能對低通氣、呼吸暫停等狀況及時做出氣壓調整，幫助患者恢復正常呼吸，在患者處于呼吸急促情況下仍能實現呼吸狀態的高頻觸發。與傳統采用流量閾值觸發算法的呼吸機相比，本系統能夠在患者發生低通氣情況下實現呼吸狀態的準確識別，提高了患者使用呼吸機時的通氣安全性。

參考文獻

[1]朱子孚，馬勝才，牛航舵，等.呼吸機的研制進展[J].中國醫療器械雜志，2021，45（4）：406-408.

[2] GHAFOOR M J，NASEEM M，ILYAS F，et al. Prototyping of a cost effective and portable ventilator [C]// Proceedings of 2017 International Conference on Innovations in Electrical Engineering and Computational Technologies （ICIEECT）. Karachi， Pakistan：IEEE，2017：1-6.

[3]徐誠，成顏琦，唐凌，等.重型/危重型新型冠狀病毒肺炎機械通氣患者的肺康復策略[J].上海中醫藥雜志，2020，54（5）：24-27.

[4]李杰，張慶勇，李毅，等．呼吸機中的流量觸發方式[J].醫療設備信息，2004，19（3）：32-34.

[5] MARINI J J，CROOKE P S，TAWFIK P，et al. Intracycle power and ventilation mode as potential contributors to ventilator-induced lung injury [J]. Intensive care medicine experimental，2021，9：1-14.

[6]范霖，陳向東，李寧.基于快速響應濕度傳感器的無線呼吸檢測系統[J].傳感器與微系統，2015，34（3）：84-86.

[7]張淼.基于分數階PID控制器的家用無創呼吸機的研制[D].濟南：山東大學，2019.

[8]李少鵬.基于濕度觸發方式的無創呼吸機設計與實現[D].成都：西南交通大學，2021.

[9]馬樹.呼吸機數據采集與分析系統的設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2019.

[10]袁先圣，劉星，葉波. STM32的無刷直流電機控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13（10）：17-20.

[11]蘇光義.呼吸機電路氣路設計與風機控制方案研究[D].天津：中國民航大學，2018.

作者簡介：李德鑫（1997—），男，四川宜賓人，碩士研究生，就讀于西南交通大學電子信息專業，研究方向為信息感知、獲取與處理技術。