自動(dòng)呼吸控制比手動(dòng)方式呼吸更經(jīng)濟(jì)有效
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時(shí)間：2010-02-08
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有很多MCU可以滿(mǎn)足這個(gè)系統(tǒng)的要求。飛思卡爾的 MC9S08QG4 （S08QG）設(shè)備既可以滿(mǎn)足系統(tǒng)所需的特性，同時(shí)在價(jià)格上也有優(yōu)勢(shì)。MC9S08QG4特性見(jiàn)圖2。該處理器將飛思卡爾S08核的優(yōu)勢(shì)延伸到了低引腳數(shù)、小封裝的領(lǐng)域。S08QG設(shè)備是低功耗產(chǎn)品，可以在低至1.8 V 的供電電壓時(shí)對(duì)片上閃存進(jìn)行擦寫(xiě)操作，它具有所有S08 MCU 的標(biāo)準(zhǔn)特性，包括等待模式和多種停止模式，以及模擬外設(shè)能力、串行通訊能力、片上溫度傳感器和較多的內(nèi)存選項(xiàng)。
系統(tǒng)的功能描述
脈搏測(cè)氧法是一種非介入技術(shù)，它使用光波來(lái)測(cè)量病人血液中氧氣的飽和度。這一過(guò)程采用了一種叫做脈搏血氧定量計(jì)的設(shè)備，這是一種可攜帶的、低成本的設(shè)備，它包括一個(gè)Spo2傳感器和可通訊DB-9接頭。在Spo2 Y 型傳感器一端有兩個(gè)發(fā)光二極管（LED），在另一端有一個(gè)光探測(cè)器。這個(gè)傳感器通常被連接在指尖，這樣光就能完全穿過(guò)組織到達(dá)光探測(cè)計(jì)。
從LED發(fā)出的光線(xiàn)有兩種波長(zhǎng)傳播：660nm （紅光）和 915nm（紅外光），它們分別對(duì)應(yīng)氧血紅蛋白和總血紅蛋白。探測(cè)計(jì)捕捉到從LED發(fā)出的光，脈搏血氧定量計(jì)處理紅光和紅外光之間吸收率的差異。測(cè)量?jī)x內(nèi)的MCU能測(cè)出動(dòng)脈脈搏讀數(shù)并計(jì)算出氧氣飽和度。
從脈搏血氧計(jì)讀出的Spo2值能通過(guò)連接到S08QG的串行接口（SCI）被傳遞到自動(dòng)呼吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議，它由一種商業(yè)化血氧計(jì)的規(guī)格所定義。從脈搏血氧計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)SCI接口被連續(xù)傳送到呼吸系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)由S08QG處理，根據(jù)處理的結(jié)果通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制氧氣呼吸設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。
針對(duì)不同種類(lèi)步進(jìn)電機(jī)的控制軟件是基于不同頻率或壓力流來(lái)進(jìn)行控制的：
不同頻率從時(shí)間脈沖中獲得信息來(lái)控制希望的步數(shù)；
壓力流控制意味著電機(jī)能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)步，具有大力矩的運(yùn)轉(zhuǎn)步（雙步），改變方向和不改變位置的運(yùn)轉(zhuǎn)步（抑制步）。
圖3展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)S08QG來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制。
圖3 通過(guò)S08QG實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制
步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特性是最大電流損耗為20mA。電機(jī)提供的力矩并不大，最大靜態(tài)力矩是4mNm，最大動(dòng)態(tài)力矩是1.3 mNm。但是它的力量足夠運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)量器。S08QG MCU的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到25mA， 所以很適合這種應(yīng)用。電機(jī)被直接連接到MCU的端口A 或端口B，基于先前的條件，只需要很小的外接電路（見(jiàn)圖1）。系統(tǒng)需要VCC，GND和電機(jī)控制信號(hào)，不需要附加外部的電子元件。
氧氣呼吸設(shè)備有三個(gè)簡(jiǎn)單的控制手柄，他們控制吸入的氣流和每分鐘的呼吸次數(shù)。一個(gè)手柄根據(jù)病人的身材和體重控制適當(dāng)?shù)暮粑?，第二個(gè)手柄控制每分鐘所需要的呼吸次數(shù)，第三個(gè)手柄控制氧氣流的壓力。在這個(gè)特殊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，第二和第三個(gè)手柄是由步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制的。
軟件程序根據(jù)由脈搏血氧計(jì)通過(guò)SCI接口傳來(lái)的 氧氣飽和度計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。氧氣飽和度數(shù)字為醫(yī)生提供了必要的信息來(lái)進(jìn)行一系列比較，從而得出安全的范圍，如表1所述。頻率規(guī)定了每秒鐘的電機(jī)步數(shù)，這決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)有多快。電機(jī)的物理限制決定了它們的運(yùn)行頻率。一些電機(jī)因?yàn)閼?yīng)用于特殊用途，在10Hz 到 500Hz 之間運(yùn)行，而另外一些能夠在千赫茲的范圍內(nèi)運(yùn)行。對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)而言，最大頻率是 100Hz，但為了在手術(shù)中更容易被醫(yī)生使用，它被設(shè)定為 50Hz。
表1 氧氣飽和度安全范圍
結(jié)論
自動(dòng)化呼吸控制系統(tǒng)是一個(gè)低成本的對(duì)人工呼吸控制的可選方案，它以最小的人為干預(yù)為嬰兒和手術(shù)中的其他病人提供了可靠的呼吸機(jī)制。這個(gè)概念很簡(jiǎn)單：脈搏血氧計(jì)依靠SCI串行接口提供氧氣飽和度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)完成其余的所有工作。它使醫(yī)生能集中精力于病人的護(hù)理上，可被用于通用外科手術(shù)、兒科和新生兒護(hù)理，甚至獸醫(yī)門(mén)診。
評(píng)論