家用呼吸機改進與測試平臺

作者/ 孫曉偉  泰銳菲克(天津)醫(yī)療科技有限公司(天津 300384)

孫曉偉(1985-)，男，碩士，中級工程師，研究方向：醫(yī)療器械研發(fā)與設計工作。

摘要：家用呼吸機是針對睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥患者家庭治療的設備，檢測患者呼吸管路中通氣壓力與流量，判斷患者低通氣狀態(tài)與打鼾狀態(tài)，根據上述參數調整風機狀態(tài)，抑制患者疾病發(fā)展，搭建測試平臺，建立各種患者呼吸系統(tǒng)數學模型，在原算法基礎上進行改進，使患者感受更舒適。

序言

　　家用呼吸機簡稱持續(xù)氣道內正壓通氣，它是治療睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥有效的辦法。在睡眠時佩戴一個鼻面罩，鼻面罩與呼吸機連接，通過呼吸機提供一個壓力，將上呼吸道沖開，使得上氣道通暢，減輕氣流阻塞，達到治療打鼾與呼吸暫停等癥狀^[1]。

1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)組成如圖1所示，包括主系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、風機、人機界面、壓力傳感器、流量傳感器等。

　　主系統(tǒng)完成壓力流量傳感器采樣、風機調速、人機界面交互、數據存儲等功能。

　　輔助系統(tǒng)完成溫濕度調節(jié)與加熱板控制等功能，輔助主系統(tǒng)工作。

　　除上述功能外，還需要將采集的數據存儲在SD卡上，便于醫(yī)師讀取采集數據，根據患者狀況調整治療方案。同時，加入血氧模塊分析睡眠質量，加入無線WIFI將數據傳輸到云端等功能。

2 硬件電路

　　系統(tǒng)中采用電源適配器將交流電轉換為直流24V供電機使用，系統(tǒng)其余部分電壓為3.3V，考慮到電壓差過大，采用兩級電源軌，先將24V轉換為5V，采用DC/DC方式，因LDO方式不適宜用于壓差較大電路，5V轉3.3V電源軌采用LDO方式。這樣的電源軌方式可保障系統(tǒng)可靠運行。

　　風機采用兩極三相無刷無霍爾直流電動機外加雙葉輪組成，采用BLDC控制方式。電機驅動芯片采用TI公司的DRV10983，與主控芯片采取I2C通訊方式，輸出信號U、V、W接電機三相繞組，電機額定轉速15000轉/分鐘，負載10cmH2O，圖2為其原理框圖。

　　壓力傳感器采用霍尼韋爾公司的電路板級傳感器，壓力傳感器精度要求為±1.5%，因呼吸機監(jiān)測需要保證壓力偏差≤0.5cmH2O，接口采用I2C模式。

　　流量傳感器采用Sensirion的板級傳感器SDP711，流量傳感器精度要求為±5%，流量監(jiān)測指標要求偏差≤20%，接口同樣采用I2C模式。該流量傳感器為壓差式傳感器，需要根據壓力差值對應數據表，計算出實際流量值。

　　溫/濕度傳感器采用Sensirion新一代SHT20傳感器，它嵌入了適于回流焊的雙列扁平無引腳DFN封裝，傳感器輸出經過標定的數字信號，標準I2C格式。SHT20 的分辨率可以通過輸入命令進行改變，傳感器可以檢測到電池低電量狀態(tài)，并且輸出校驗和有助于提高通信的可靠性^[2]。

　　LCD采用深圳天馬微電子型號為TM176220B5NFWGWC4的顯示屏，該型號顯示屏為2.4寸TFT液晶顯示屏，可以采用并行接口與SPI接口方式完成與主系統(tǒng)的連接，從而完成人機界面功能。

　　此外，系統(tǒng)還具有SD卡功能，可以將患者的治療信息保存在SD卡中，患者可將SD卡取出交給主治醫(yī)師，主治醫(yī)師根據上位機軟件查看患者低通氣、打鼾等信息，根據采集信息調整治療方案。

3 軟件部分

3.1 下位機部分

　　下位機指呼吸機本體部分，需要完成如下工作：呼吸過程平緩程度與漏氣量計算、壓力采集及計算、管路損失和流量采集與計算、臨床信息配置、LCD界面配置、BLDC電機控制、呼吸狀態(tài)判定、睡眠狀態(tài)判定、數據儲存、輸入響應、呼吸機算法等11部分組成。系統(tǒng)調度有USCOSⅢ系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為5個優(yōu)先級。根據呼吸平緩程度對呼吸機算法進行改進，引入呼吸平緩程度系數，對呼吸流速限制起到了指導作用。波形越大，流速限制越大。

　　具體計算過程如下：(1)當前的呼吸狀態(tài)與相同持續(xù)時間和平均幅度的參考呼吸狀態(tài)成比例關系，因此，首先完成參數的歸一化處理;(2)正常的呼吸狀態(tài)與參考呼吸狀態(tài)是否完全無法匹配，若是，則該呼吸狀態(tài)是錯誤的;(3)呼吸狀態(tài)的平均值取超過5次的呼吸狀態(tài);(4)計算均方根偏差值;(5)平緩程度=均方根偏差/參考呼吸幅值。

3.2 上位機部分

　　上位機主要完成SD卡數據讀取，便于醫(yī)師查看患者疾病狀態(tài)，調整通氣策略。

　　通過上述界面右側的總覽按鈕可以查看患者SD卡中存儲的信息，其中包括：呼吸暫停低通氣指數、壓力、漏氣量、呼吸容量、呼吸頻率、分鐘通氣率等信息。

4 測試平臺

　　前面已經完成了家用呼吸機包括硬件、軟件的搭建工作，測試平臺的搭建主要完成呼吸機功能驗證及檢驗工作。通過上述測試平臺完成呼吸機的檢驗工作，首先開通呼吸機，調節(jié)主動模擬肺，主要調整氣阻與順應性等參數，不同的參數代表不同的患者情況，根據不同情況測得的數據建立人體呼吸氣路的數學模型，根據數學模型通過Matlab擬合數據，使呼吸機設定的壓力波形與實際壓力波形接近，從而順應人體氣路條件，調整通氣策略[3]。

　　測試平臺除了跟蹤壓力波形外，還需做如下測試：

　　(1)最大壓力限制保證呼吸機即使在故障情況下，送氣壓力小于30cmH2O;

　　(2)呼吸氣道壓力測量(壓力顯示精度)精度應滿足±(2%滿刻度+4%實際讀數);

　　(3)動態(tài)誤差壓力(實測值與設定值)≤±0.5 cmH2O;

　　(4)靜態(tài)壓力穩(wěn)定度在呼吸管路患者連接口處每30min測一次，持續(xù)8h。參考儀器設定值計算最大正偏差和最大負偏差，確認測量的平均靜態(tài)壓力值在靜態(tài)壓力準確限值范圍內;

　　(5)最大流速測試

　　1)將長度為1.9m±0.15m的呼吸管路連接到睡眠呼吸暫停設備上;

　　2)將一個壓力測量裝置及流量計接到患者連接口處;

　　3)在患者連接口處加入一個調節(jié)閥門;

　　4)將壓力設定到其最小設定值Pmin，打開調節(jié)閥，直至實測壓力值低于壓力設定值1cmH2O±0.1 cmH2O，讀出相應的測量壓力值及流速值;

　　5)重復10次步驟4)，記錄這10次測量結果的平均值;

　　6)依次測量最小壓力值、中間壓力值和最大壓力值三個數據點。測試平臺如圖3所示。

　　圖中標號表述如下：1、呼吸機; 2、流量傳感器;3、氣阻; 4、ASL5000主動模擬肺;5、壓力傳感器;6、瑞典奧利科PF-300氣流分析儀，可以測量流量、壓力、頻率、呼吸比;7、呼吸通氣系統(tǒng)。

5 結論

　　睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥是與高血壓糖尿病等多種疾病有關聯，家用呼吸機可以有效地治療該疾病，通過調整通氣策略使患者減輕痛苦，在算法上的改進可以保障人機協(xié)調，家用呼吸機已經列入十三五國家全民健康計劃，其監(jiān)測標準也列入指導原則中，本文提到的呼吸機已經通過測試平臺的檢驗符合行業(yè)標準，隨著人民對健康意識的提高，該產品會有廣闊的應用前景。

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　　本文來源于《電子產品世界》2017年第6期第37頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。