一、便攜式呼吸機壓力檢測原理

便攜式呼吸機按照不同的通氣模式可以將呼吸機分為CPAP持續(xù)正壓通氣、Auto CPAP 自動正壓呼吸機、BiPAP雙氣道壓力呼吸機三種模式。

CPAP:在這種模式下,呼吸機通過面罩向使用者輸送一個恒定壓力值的氣流,這種模式適用于睡眠呼吸暫?；蛘咚咧写蝼幕颊?。

Auto CPAP:在這種模式下,呼吸機通過傳感器判斷出患者的呼情況,包括呼吸動作、呼吸是否暫停,呼吸氣流是否降低,根據(jù)患者的呼吸情況,自動輸出變化的壓力,以最小的壓力輸出達(dá)到最佳的治療效果。

BiPAP:這是一種功能更加全面的雙氣道壓力呼吸機,能夠輸出較高的吸氣壓力和較低的呼吸壓力在整個呼吸過程中,呼吸機與患者的呼吸接近同步。

圖1：便攜式呼吸機電路結(jié)構(gòu)

二、呼吸機工作模式選擇

根據(jù)項目設(shè)計要求,設(shè)計的睡眠呼吸機主要指標(biāo)就是自動調(diào)壓,即根據(jù)患者的呼吸動作的不同而自動的調(diào)節(jié)呼吸機輸出壓力值,本方案設(shè)計采用雙水平通氣模式,即BiPAP通氣模式,在這種通氣模式下呼吸機,能夠輸出較高的吸氣壓力和較低的呼氣壓力具體表現(xiàn)為,通過傳感器判斷患者的呼吸動作,當(dāng)患者在吸氣時,呼吸機輸出正常的吸氣壓力,幫助患者呼吸,當(dāng)患者在呼氣時,調(diào)整輸出一個較低的呼氣壓力,使患者呼氣受阻減小,也就是在患者的整個呼吸過程中,呼吸機的調(diào)整與患者的呼吸接近同步?；颊咴谠摲N通氣模式下的整個呼吸過程都會比較順暢,舒適度會很高。

三、呼吸機技術(shù)需求參數(shù)

根據(jù)呼吸機技術(shù)指標(biāo)的要求,結(jié)合本論文的要求,設(shè)計本機的技術(shù)參數(shù)如下:

①氣體壓力調(diào)節(jié)范圍:400Pa-2500Pa。

②氣體流量要求:當(dāng)管道壓力為800Pa時,流量應(yīng)大于45L/min。

③風(fēng)機啟動和停止方式:使用者戴上面罩后呼氣,當(dāng)呼氣壓力大于設(shè)定呼氣觸發(fā)壓力閾值時,風(fēng)機啟動。摘下面罩并且滿足管道壓力為設(shè)定值60%以下超過30秒后,風(fēng)機自動停止運轉(zhuǎn)。

④漏氣補償參數(shù):當(dāng)使用者佩戴面罩不當(dāng),或者面罩松動時,導(dǎo)致通氣管道內(nèi)壓力減小,導(dǎo)致實際壓力介于設(shè)定壓力值的65%--95%之間超過30秒時,認(rèn)為出現(xiàn)漏氣情況,調(diào)整風(fēng)機壓力,將設(shè)定壓力值加上50 Pa。

⑤數(shù)據(jù)存儲:數(shù)據(jù)存儲吋間應(yīng)超過30天。

四、呼吸機硬件電路設(shè)計

1、硬件組成

本設(shè)計中,呼吸機的組成部分主要有控制主機,鍵盤,顯示屏,壓力傳感器、面罩導(dǎo)管,報警系統(tǒng),存儲系統(tǒng)。根據(jù)預(yù)設(shè)定壓力值,風(fēng)機持續(xù)輸出一定水平正壓和流量的氣流,通過管路和面罩施加到病人的上呼吸道,通過正壓氣流保持病人的上呼吸道通暢。通過壓力傳感器對管道壓力進(jìn)行實時監(jiān)測,根據(jù)壓力的監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷患者的呼吸情況,以便進(jìn)行對風(fēng)機的觸發(fā)控制,實現(xiàn)自動調(diào)壓和漏氣補償?shù)墓δ?。呼吸機運行過程中,對壓力值進(jìn)行實時采樣并在顯示屏中繪制實時動態(tài)曲線,同時將采樣數(shù)據(jù)存儲到SD卡中,為病人的治療提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

圖2：便攜式呼吸機的工作原理

2、 LDO電路設(shè)計

在呼吸機設(shè)計中,風(fēng)機的驅(qū)動電源為9V,壓力傳感器和蜂鳴器所需電源為5V,MCU控制器以及外圍電路所需電源為3.3V,所以設(shè)計釆用直流5V穩(wěn)壓電源對呼吸機主板進(jìn)行供電,9V穩(wěn)壓電源分別經(jīng)過兩次降壓,產(chǎn)生5V和3.3V電壓。9V轉(zhuǎn)5V電路,采用世強代理的理光公司的LDO穩(wěn)壓芯片R1191x。

圖3：便攜式呼吸機的LDO電路圖

3、 MCU電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的功能要求,主控制器需要有外圍功能,穩(wěn)定性強,非常經(jīng)濟(jì),并且能夠支持操作系統(tǒng)的嵌入。在本方案中，我們選用了世強代理的性價比較高的瑞薩單片機作為MCU，其型號為R5F101AG。主控制器主要完成了與傳感器驅(qū)動與通信、UATA通信、數(shù)據(jù)分析與處理。

圖4：便攜式呼吸機MCU電路圖

4、SM9541壓力傳感器電路設(shè)計

氣道壓力檢測在呼吸機中起了重要的角色呼吸機向使用者通氣的過程中,通過壓力的實時檢測,輸送到控制器中,控制器可以判定使用者的呼吸狀況,進(jìn)而調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速,做出相應(yīng)的動作處理。所以壓力的檢測相當(dāng)于呼吸機控制系統(tǒng)的一只眼睛,十分重要通常情況下壓力傳感器都是非線性器件,具有零點和溫度漂移,會導(dǎo)致信號輸出超出或低于按比例進(jìn)行的計算值。所以線性度好,較少溫度漂移的傳感器是壓力信號檢測的理想選擇。

在本設(shè)計中采用世強代理的SMI公司的傳感器進(jìn)行壓力的實時采集,根據(jù)SM9541的手冊,設(shè)計壓力檢測電路如圖所示:

圖5：便攜式呼吸機壓力傳感器電路設(shè)計

SM9541系列為陶瓷基底貼裝高穩(wěn)定壓阻式壓力傳感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜電阻進(jìn)行零度校正、零點溫度補償和靈敏度溫度補償，采用恒壓源驅(qū)動。

5、風(fēng)機驅(qū)動

呼吸機的工作是就是通過風(fēng)機轉(zhuǎn)動結(jié)合通氣面罩向患者供氣,在使用時不僅需要保證通氣壓力和流量,還要盡量減小運行過程中的噪音,否則會打擾到使用者的休息。因此需要選用具有“緊湊、安靜、高效”等特點的風(fēng)機,同時需要滿足供電要求,能夠達(dá)到4000Pa以上,而且噪音不超過60分貝。

本設(shè)計中需要實現(xiàn)自動調(diào)壓功能,具體表現(xiàn)為當(dāng)使用者吸氣時,風(fēng)機正常運行,輸出需要的壓力和流量,當(dāng)使用者呼氣時,風(fēng)機低速運行,防止使用者呼氣困難。所以風(fēng)機的運行會是一個動態(tài)的運行過程。本機所需風(fēng)機控制功能有正向、運行使能,閉環(huán)速度控制。我們采用世強代理的邁來芯 MLX90283芯片，此芯片采用混合信號CMOS技術(shù)設(shè)計，器件集成了帶動態(tài)偏移取消的霍爾傳感器，控制邏輯和全橋輸出驅(qū)動器。單線圈無刷直流振動電機的單芯片解決方案。

圖6：便攜式呼吸機風(fēng)機驅(qū)動電路

6、運行參數(shù)存儲

由于設(shè)計要求中需要在呼吸機運行時記錄使用者的呼吸壓力參數(shù),查看呼吸機中存儲的數(shù)據(jù),判斷自己的病情,為患者的治療提供數(shù)據(jù)支持。呼吸機的運行數(shù)據(jù)不能太少,數(shù)據(jù)越少越不能表現(xiàn)患者的呼吸狀況,所以本設(shè)計中壓力的存儲時間設(shè)計為6個月以上,所以系統(tǒng)需要很大的存儲空間, R5F101AG內(nèi)部的的flash只能用于存儲控制程序和參數(shù),所以需要外接存儲器。

7、時鐘電路

RTC時鐘電路使用世強代理的Epson RX-8010SJ時鐘芯片進(jìn)行設(shè)計, RX-8010SJ時鐘芯片是一種低功耗、數(shù)字I2C接口、帶有日歷和時鐘數(shù)據(jù)RAM、按BCD碼存取的時鐘/日歷芯片,它能夠提供年、月、日、時、分、秒等時鐘日歷數(shù)據(jù)。EPSON的RX-8010SJ將32.768KHz的晶體和時鐘IC組合在一個封裝中, 并在出廠時進(jìn)行時鐘精度調(diào)整,無需再進(jìn)行電路匹配和時鐘調(diào)整, 同時由于內(nèi)置晶體, 大大減少了PCB電路面積.

根據(jù)RX-8010SJ時鐘芯片資料,設(shè)計RTC時鐘電路如下圖。

圖7：便攜式呼吸機RTC時鐘電路圖

五、呼吸機軟件算法

在本方案中，采用uc/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。任務(wù)調(diào)度如下圖所示。

圖8：便攜式呼吸機任務(wù)調(diào)度圖

1、呼吸機控制流程

根據(jù)呼吸機設(shè)計要求,呼吸機控制的基本流程如下圖所示,主要包含人機交互界面顯示,風(fēng)機控制,呼吸壓力協(xié)調(diào)控制和參數(shù)存儲功能組成。

圖9：便攜式呼吸機控制流程圖

呼吸機上電后,進(jìn)入設(shè)置界面,用戶使用鍵盤配置呼吸機運行參數(shù),如呼吸壓力,是否報警,是否自動控制等,然后存儲配置參數(shù)。呼吸機的啟動通過壓力觸發(fā),呼吸機實時監(jiān)測呼吸通道壓力值,當(dāng)壓力值大于50Pa時,觸發(fā)成功,啟動呼吸機開始運行,具體操作時,只需要用戶戴好呼吸面罩后,正常呼出一口氣即可實現(xiàn)啟動。

呼吸機啟動后,風(fēng)機的運行不是簡單的增大轉(zhuǎn)速到輸出設(shè)定壓力值,而是根據(jù)呼吸機設(shè)計功能要求,分為升壓運行狀態(tài),穩(wěn)定運行狀態(tài),漏氣報警狀態(tài),漏氣補償狀態(tài),低通氣狀態(tài)以及停止運行狀態(tài),另外呼吸機啟動初始時默認(rèn)為空閑狀態(tài),通過用戶的配置,CPU根據(jù)風(fēng)機運行狀態(tài)對應(yīng)的指令和動作進(jìn)行判定,達(dá)到不同功能狀態(tài)的切換。

風(fēng)機運行狀態(tài)確定后,CPU通過實時的檢測壓力值,做出呼吸動作的判斷,假如判斷使用者正在呼氣時,為了避免使用者呼氣時受到風(fēng)機輸出壓力過大的阻礙,造成使用者呼氣不適,降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機輸出壓力值減小為400Pa。當(dāng)判斷使用者正在吸氣時,則調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機輸出壓力值等于設(shè)定壓力值。

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),我們設(shè)計的這款呼吸機能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)患者的呼吸動作不同,而自動調(diào)整輸出壓力,人機同步性較好。壓力調(diào)節(jié)范圍込到0-4000Pa,其中2000Pa以下的運行時噪音小于60分貝,滿足了設(shè)計指標(biāo)中的功能和參數(shù)要求。