醫(yī)用空氣壓縮機智能化氣源切換裝置的加裝

【作 者】劉波，汪家旺

1 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，江蘇，南京，210029

2 南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇，南京，210029

當(dāng)前，許多醫(yī)院都配置了中心供氣設(shè)施驅(qū)動呼吸機和麻醉機等醫(yī)療設(shè)備[1]。與傳統(tǒng)的醫(yī)用空氣壓縮機相比較，中心供氣具有節(jié)省能源、無壓縮機噪聲和維護保養(yǎng)方便等優(yōu)點[2]。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢， SIEMENS Compact和Mini等先進(jìn)呼吸機匹配的空氣壓縮機具備待機模式[3]，采用中心供氣，但當(dāng)中心供氣發(fā)生故障時，呼吸機可以自動探測到氣體壓力的異常下降，并且智能切換至空氣壓縮機供氣。國內(nèi)的空氣壓縮機通常不具備此種功能，必須由使用人員手動切換氣源，往往會造成切換時機的延誤，影響治療效果。

SMART呼吸機是我們研制的一款具有一定智能化程度的微機控制的高檔無創(chuàng)呼吸機，而與其配套的國產(chǎn)醫(yī)用空氣壓縮機不具備待機模式。針對這一問題對其進(jìn)行改進(jìn)，使其不但在中心供氣出現(xiàn)故障時可以自動切換至空氣壓縮機，而且當(dāng)故障排除后還可以自動切換回中心供氣，完全滿足了SMART呼吸機的匹配要求。

1 氣源智能切換裝置

1.1 加裝氣源切換裝置的必要性

中心供氣系統(tǒng)需要嚴(yán)格的管理和經(jīng)常性的維護保養(yǎng)，以確保設(shè)備運行的可靠性[4]。呼吸機是對自主呼吸能力喪失或減低的危重病人實施呼吸支持的重要設(shè)備[5]，一旦壓縮氣體的供應(yīng)出現(xiàn)故障，往往會導(dǎo)致呼吸機工作異常，嚴(yán)重時甚至?xí)＜安∪松??？諝鈮嚎s機加裝氣源切換裝置后，可在中心供氣和空氣壓縮機供氣二者間自主切換，大大降低了因供氣發(fā)生的呼吸機故障。

1.2 氣源切換裝置硬件平臺搭建

1.2.1 材料

采用二個Honeywell公司的26PCF壓力傳感器分別用于測量中央供氣和空氣壓縮機供氣壓力。26PCF壓力傳感器采用集成電路技術(shù)和硅壓敏電阻技術(shù)[6]，其測量精確性較高，帶有溫度補償和校正，測量類型為表壓，量程為0-100 psi。采用德國寶德公司電控兩位三通閥作為氣源切換閥門。

Smart呼吸機采用兩個功能較為強大的C8051f020單片機作為控制核心。C8051f020單片機具備片內(nèi)12位8通道A/D轉(zhuǎn)換器[7]，可以直接通過引腳輸入壓力傳感器的模擬信號。在改裝過程中，我們避免使用專門的單片機，而是利用了呼吸機中的C8051f020單片機的富余能實現(xiàn)對氣源切換裝置進(jìn)行控制。

1.2.2 硬件安裝方法

為了對氣源壓力進(jìn)行監(jiān)測，并達(dá)到氣源自動切換的目的，需要對空氣壓縮機進(jìn)行一定程度的改裝。如圖1所示，將空氣壓縮機后蓋板拆除后，首先將空氣壓縮機氣體輸出單向閥前的管道斷開，依次接入一只三通接頭和一只兩位三通閥門，在三通接頭上連接壓力傳感器1，對空氣壓縮機的輸出壓力進(jìn)行監(jiān)測；然后在兩位三通閥的另一個輸入接口上連接一根軟管，軟管另一頭連接醫(yī)用氣體快速接頭，軟管中段用三通接頭接入壓力傳感器2，對中央供氣壓力進(jìn)行監(jiān)測；在空氣壓縮機側(cè)面板上開孔，將醫(yī)用氣體快速接頭固定其上。為了方便今后的檢修，將氣體快速接頭和兩個壓力傳感器的安裝位置做成可以打開的活門結(jié)構(gòu)。將壓力傳感器1、2的輸出信號用導(dǎo)線引出，經(jīng)運算放大器放大、低通濾波后，分別接入呼吸機控制主板上的單片機的片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器0的模擬輸入引腳18、19。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Image of Hardware Structure

對空氣壓縮機電源進(jìn)行改裝，加裝控制繼電器，使呼吸機內(nèi)的單片機可以控制空氣壓縮機電源的通斷。

1.3 氣源切換裝置的軟件架構(gòu)

使用c語言編寫氣源監(jiān)測、切換程序，在呼吸機的控制菜單中增加氣源控制選項菜單。通過呼吸機的液晶屏幕，可選擇切換裝置的工作方式。

氣源切換裝置控制菜單的結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)置關(guān)閉和開啟兩個選項。當(dāng)選擇關(guān)閉選項時，呼吸機僅對氣源的壓力進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)氣源壓力異常時在液晶屏上顯示報警信息而不對氣源進(jìn)行切換。如果選擇開啟選項，則可進(jìn)一步選擇節(jié)能或待機兩種工作模式。當(dāng)選擇節(jié)能模式時，如果中心供氣壓力正常，單片機控制空氣壓縮機的電源繼電器處于斷開位置，空氣壓縮機不工作，同時兩位三通閥門處在接通中心供氣的位置。如果中心供氣壓力出現(xiàn)異常，則單片機發(fā)出控制信號使電源繼電器閉合，同時使兩位三通閥門處在接通空氣壓縮機的位置，空氣壓縮機開始工作，建立壓力后向呼吸機供氣。節(jié)能模式的優(yōu)點是當(dāng)中心供氣壓力正常時，空氣壓縮機的電源是斷開的，在節(jié)省電能的同時降低了噪聲。其缺點是當(dāng)空氣壓縮機剛開始工作時，需要一定的時間才能使機內(nèi)貯氣罐中的空氣壓力由零上升至工作壓力，這可能導(dǎo)致在此段時間之內(nèi)呼吸機工作出現(xiàn)異常。

與節(jié)能模式相比較，待機模式的不同點在于不論中心供氣壓力是否正常，單片機總是控制空氣壓縮機處于加電狀態(tài)，使空氣壓縮機的貯氣罐中氣體壓力時刻處于工作壓力。這種情況下，如果中心供氣壓力出現(xiàn)異常，兩位三通閥自動切換至接通空氣壓縮機位置，呼吸機可以立即得到正常壓力的壓縮空氣供應(yīng)，幾乎不會有任何延遲。其缺點是即使中心供氣壓力正常，空氣壓縮機也要一直維持工作壓力，導(dǎo)致能耗和噪聲較節(jié)能模式要大一些。氣源切換裝置的C語言程序流程圖見圖3。

圖2 切換裝置控制菜單結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control Menu Structure of Switching Device

圖3 切換裝置軟件程序流程圖Fig.3 Flow Chart of Switching Device Software

2 結(jié)論

將改裝的空氣壓縮機安裝在SMART呼吸機上驗證，結(jié)果證明智能氣源切換裝置操作方便，動作靈敏可靠，能在中心供氣和空氣壓縮機供氣之間自動進(jìn)行智能切換，且具備多種工作模式，較好的實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。

[1] 楊斌, 張美, 袁鐘清. 給予壓力監(jiān)測醫(yī)用壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2010, 31(1): 112-113.

[2] 陳渡平, 王征, 錢歡. 呼吸機中心供氣與空壓機供氣自動切換裝置[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2007, 31（6）.452.

[3] 林頤勝. 對呼吸機空氣壓縮機的探討[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2005,26(9): 43-45.

[4] 廖火平. 醫(yī)院供氣中心的建設(shè)和維護[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備, 2008,23(4): 77-78.

[5] 蔡映云. 機械通氣及臨床應(yīng)用[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2002

[6] 譚志堅, 楊東, 鄭則廣. 呼吸機觸發(fā)技術(shù)的現(xiàn)狀和新進(jìn)展[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備, 2009, 23(4): 56-59.

[7] 張培仁, 孫力. 基于C語言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2007