多重反饋閉環(huán)控制便攜式呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)

馮小冬，汪家旺，林劉華，楊濤，翁羽潔

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 210029；2.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210000）

多重反饋閉環(huán)控制便攜式呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)

馮小冬1，汪家旺1，林劉華2，楊濤1，翁羽潔1

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 210029；2.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210000）

在便攜式呼吸機(jī)中引入閉環(huán)控制，能夠增強(qiáng)便攜式呼吸機(jī)的性能，使便攜式呼吸機(jī)的使用更為安全、有效。將肺的力學(xué)性質(zhì)、呼氣末期二氧化碳分壓（PetCO2），血氧飽和度（SaO2）作為反饋信號(hào)，控制呼吸機(jī)的工作與調(diào)整，在不影響便攜性能的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)便攜式呼吸機(jī)治療效果。

便攜式呼吸機(jī)；閉環(huán)控制；血氧飽和度

Abstract:Making use of closed-loop control for portable medical ventilator can enhance the performance of portable medical ventilator and make it more safe. Using the respiratory mechanics, end-tidal CO2pressure(PetCO2), arterial oxygen saturation(SaO2) as feedback signal to control the medical ventilator will improve the therapeutic efficacy, but wouldn't affect its applicability.

Key words:portable ventilator;closed-loop control; blood oxygen saturation

便攜式呼吸機(jī)廣泛應(yīng)用于急救、飛機(jī)、艦船、戰(zhàn)場(chǎng)、家庭等特殊場(chǎng)合，是呼吸機(jī)的一個(gè)重要分支。閉環(huán)控制成為如今呼吸機(jī)一個(gè)重要的發(fā)展方向[1-3]，早在50年代初就開(kāi)始了呼吸機(jī)閉環(huán)控制的研究[2]。目前常見(jiàn)的ASV（適應(yīng)性支持通氣）就是一種閉環(huán)控制通氣模式，在不少情況下取得了不錯(cuò)的通氣效果[4]。

由于便攜式呼吸機(jī)對(duì)便攜性和穩(wěn)定性的特殊要求，目前絕大部分便攜式呼吸機(jī)還是開(kāi)環(huán)控制的，即將預(yù)設(shè)的壓力或潮氣量輸送給病人，并不能對(duì)病人肺的力學(xué)參數(shù)、血氧飽和度等生理參數(shù)的變化做出調(diào)節(jié)。隨著高性能的處理芯片和傳感器的出現(xiàn)，使得不少生理參數(shù)的檢測(cè)變得簡(jiǎn)單，這為便攜式呼吸機(jī)的閉環(huán)控制提供了可能。

本文將設(shè)計(jì)一款便攜式呼吸機(jī)，引入肺的力學(xué)性質(zhì)、呼氣末期PetCO2（二氧化碳分壓），SaO2（血氧飽和度）作為反饋信號(hào)，協(xié)助控制通氣，使通氣更加有效。

1 設(shè)計(jì)要求

閉環(huán)控制便攜式呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)要求滿足中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9706.1和GB 9706.28。在充分保證安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，使呼吸機(jī)具有良好的便攜性和強(qiáng)大的功能。本系統(tǒng)的部分功能參數(shù)如下：

通氣模式： CLV（閉環(huán)反饋通氣），PSV（壓力支持通氣），PCV（壓力控制通氣），A/C（輔助/控制通氣）。

IPAP(吸氣壓)： 3～40cmH2O。

EPAP(呼氣壓)： 3～25cmH2O。

潮氣量： 0～1500mL。

呼吸頻率： 10～30次/min。

吸呼比： 吸氣相占整個(gè)呼吸周期的10%～80%。

氧濃度：21%～100%（有外接氧氣時(shí)可調(diào)）。

2 系統(tǒng)組成

呼吸機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為氣路和電路部分。

2.1 氣路部分(圖1)

圖 1 呼吸機(jī)氣路圖

對(duì)于便攜式呼吸機(jī)，氣路的復(fù)雜程度是決定呼吸機(jī)體積的重要因素。為了滿足便攜性，氣路的設(shè)計(jì)需要簡(jiǎn)潔、有效。

本系統(tǒng)采用渦輪增壓來(lái)提供氣源和驅(qū)動(dòng)?？諝饨?jīng)過(guò)濾后，由渦輪機(jī)增壓后供給系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)與渦輪機(jī)并聯(lián)的旁路閥控制送給病人的氣體量，從而控制吸氣相氣道壓力。連接管路中的單向閥可防止氣體反流。安全閥可在氣道壓力過(guò)高是打開(kāi)，防止對(duì)病人造成氣壓傷。呼氣閥用于控制呼氣時(shí)氣道壓力，呼氣時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制呼氣閥的打開(kāi)情況，控制氣道壓力。當(dāng)需要外接氧氣時(shí)，可以通過(guò)氧氣濃度調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)吸氣氧濃度的調(diào)節(jié)。

2.1.1 過(guò)濾器

過(guò)濾器是用來(lái)過(guò)濾進(jìn)入呼吸機(jī)的空氣，可以濾除空氣中的雜質(zhì)粉塵，既可以保護(hù)呼吸機(jī)，又可以簡(jiǎn)單地凈化吸入氣體。

2.1.2 渦輪增壓

渦輪增壓是通過(guò)渦輪產(chǎn)生病人吸氣所需要的氣流，直接送給病人。渦輪輸出的壓力及流量與其轉(zhuǎn)速有關(guān)。

渦輪增壓的成本相對(duì)較低，體積小，比較適合于便攜式和家用呼吸機(jī)，而且其噪音較小，能夠符合便攜式呼吸機(jī)對(duì)于噪音的要求。驅(qū)動(dòng)渦輪的電機(jī)可以由電池供電，使得呼吸機(jī)有良好的便攜特性。渦輪風(fēng)扇直接對(duì)病人供氣，可以提供較大流速的氣流。目前，無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)大多采用渦輪增壓來(lái)供氣。

在渦輪增壓供氣時(shí)，對(duì)于氣道壓力的調(diào)節(jié)主要有兩種形式，一種是通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，一種是固定轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)通過(guò)氣路中的閥控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)于電機(jī)性能要求較高，控制響應(yīng)慢，控制精確度差，但此模式氣路簡(jiǎn)單，控制的實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單。閥控制調(diào)節(jié)時(shí)，渦輪機(jī)僅作為氣源，輸出相對(duì)穩(wěn)定，由閥的開(kāi)啟和關(guān)閉情況來(lái)控制呼吸。

2.1.3 旁路閥

渦輪增壓供氣時(shí)，使用閥來(lái)控制時(shí)有兩種控制方法，一種是控制閥與渦輪機(jī)串聯(lián)，通過(guò)閥的開(kāi)啟情況，控制流入后級(jí)氣路的氣流；一種是控制閥與渦輪并聯(lián)，閥通過(guò)控制返回渦輪的氣體流量而控制流入下級(jí)氣體。本系統(tǒng)氣路使用閥與渦輪機(jī)并聯(lián)的控制方式。

旁路閥是由一個(gè)比例電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)旁路閥完全打開(kāi)時(shí)，渦輪機(jī)產(chǎn)生的氣體全部回流到渦輪機(jī)，不向下一級(jí)輸送氣體；當(dāng)旁路閥完全關(guān)閉時(shí)，渦輪機(jī)產(chǎn)生的氣體無(wú)回流，全部流入下一級(jí)氣路。本系統(tǒng)通過(guò)控制旁路閥的打開(kāi)情況，控制氣道壓力。

2.1.4 氧濃度調(diào)節(jié)

系統(tǒng)設(shè)置了外接氧氣的接口，外接氧氣要求符合醫(yī)用氧氣標(biāo)準(zhǔn)。氧氣接入氣路后需要先經(jīng)過(guò)減壓閥，將壓力穩(wěn)定在適合呼吸機(jī)的低壓。再經(jīng)過(guò)氧濃度調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流入氣路的氧氣的量。氧濃度調(diào)節(jié)閥是一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入氣路的氧氣的量。

2.1.5 安全閥

安全閥是為了防止氣道的壓力過(guò)高而對(duì)病人造成氣壓傷。當(dāng)氣道壓力高于設(shè)定值時(shí)，該閥就打開(kāi)，直到氣道壓力恢復(fù)到設(shè)定值，該閥關(guān)閉。

2.1.6 呼氣閥

呼氣閥控制呼氣時(shí)氣道壓力。本系統(tǒng)采用比例電磁閥作為呼氣閥，通過(guò)控制呼氣閥的開(kāi)啟情況維持呼氣相氣道壓力。2.2 電路部分（圖2）

系統(tǒng)電路是以氣路為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)的各項(xiàng)功能為目而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)電路包括：主控芯片、參數(shù)檢測(cè)、控制、報(bào)警、顯示、設(shè)置等模塊。

圖 2 系統(tǒng)電路框圖

主控芯片是電路部分的核心，電路的其他部分功能的實(shí)現(xiàn)都由主控芯片來(lái)控制。在本系統(tǒng)中，需要檢測(cè)氣道壓力、流量、氧濃度、血氧飽和度（SaO2），呼氣末期二氧化碳分壓（PetCO2）等信號(hào)。檢測(cè)到的信號(hào)將直接或經(jīng)換算后，供控制、報(bào)警、顯示等模塊使用。

2.2.1 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路包括壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)、SaO2檢測(cè)和PetCO2檢測(cè)。為了使呼吸機(jī)按設(shè)定值正常工作，需要即時(shí)的檢測(cè)氣道的壓力和流量信號(hào)。同時(shí)，還需要了解病人目前的生理參數(shù)，即時(shí)檢測(cè)病人的SaO2和PetCO2，以便呼吸機(jī)及時(shí)調(diào)整呼吸參數(shù)，達(dá)到最佳通氣效果。

2.2.2 控制電路

控制電路包括吸氣控制、呼氣控制和氧濃度控制。

吸氣控制主要是通過(guò)旁路閥來(lái)控制，旁路閥可以采用一個(gè)電磁比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。吸氣時(shí)，呼氣閥關(guān)閉，系統(tǒng)通過(guò)控制旁路閥打開(kāi)的情況控制送給患者氣流量，從而控制氣道壓力。呼氣控制是通過(guò)呼氣閥來(lái)控制的，通過(guò)控制呼氣閥的開(kāi)度，控制呼氣相氣道壓力。本系統(tǒng)通過(guò)控制進(jìn)入系統(tǒng)氧氣的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)吸氣氧濃度的控制。

2.2.3 其他電路部分

即時(shí)信息的顯示、完善的報(bào)警系統(tǒng)等，是呼吸機(jī)不可缺少的功能。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了通訊電路和存儲(chǔ)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)呼吸機(jī)與個(gè)人電腦的通訊和病人治療信息的存儲(chǔ)。

3 控制環(huán)路的建立

現(xiàn)有的閉環(huán)控制呼吸機(jī)，其閉環(huán)控制的輸入控制量很有限，主要是針對(duì)肺的力學(xué)性質(zhì)反饋控制，對(duì)于考察通氣效果的動(dòng)脈氧分壓（PaO2）、動(dòng)脈二氧化碳分壓（PaCO2）及其相關(guān)量作為反饋控制量的通氣僅見(jiàn)于部分研究中，實(shí)際應(yīng)用卻不多見(jiàn)[2]。對(duì)于PaO2、PaCO2檢測(cè)需要對(duì)動(dòng)脈血進(jìn)行有創(chuàng)檢測(cè)，檢測(cè)復(fù)雜，且不適宜做實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此本系統(tǒng)采用與其具有相關(guān)性的血氧飽和度（SaO2）、呼氣末期二氧化碳分壓（PetCO2）作為閉環(huán)輸入信號(hào)。閉環(huán)控制框圖3所示：

圖 3 閉環(huán)控制框圖

3.1 肺的力學(xué)性質(zhì)反饋控制

在呼吸機(jī)控制中引入該反饋可以使通氣的壓力和流量適應(yīng)病人肺的力學(xué)性質(zhì)，有望減少呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷的發(fā)生。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的多種通氣模式如：ASV（適應(yīng)性支持通氣）、MMV(分鐘指令通氣)、PRVC(壓力調(diào)節(jié)容量控制通氣)、PAV(比例輔助通氣)等，都是應(yīng)用閉環(huán)控制技術(shù)控制呼吸機(jī)輸出的壓力和(或)容積，而且能做到在一次通氣內(nèi)對(duì)輸出的壓力和(或)容量進(jìn)行雙重控制。

通過(guò)檢測(cè)吸氣相和呼氣相的壓力值和病人潮氣量，可以得到當(dāng)前病人的肺的順應(yīng)性和氣道阻力。依據(jù)病人肺的順應(yīng)性和氣道阻力情況，就能夠以最小的壓力差為病人通過(guò)必要的潮氣量。

呼吸機(jī)在工作時(shí)將根據(jù)醫(yī)生設(shè)定，結(jié)合SaO2和PetCO2的反饋情況確定病人所需的通氣量，實(shí)時(shí)計(jì)算病人肺順應(yīng)性和氣道阻力，計(jì)算出最佳的呼吸頻率、潮氣量、吸氣壓、呼氣末壓力、吸呼比，使得病人以最小的呼吸功獲得足夠的通氣量。使用這種控制方法將可以有效防止過(guò)度通氣、氣壓傷、通氣不足的情況發(fā)生。

3.2 SaO2反饋控制

血氧情況是評(píng)價(jià)呼吸效果的一個(gè)重要指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確地反映通氣效果。常見(jiàn)的PaO2能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)前動(dòng)脈血液的氧合情況，但臨床上常用的血?dú)夥治鰴z測(cè)麻煩，且為有創(chuàng)檢測(cè)，不適合作為實(shí)時(shí)的反饋信號(hào)，控制呼吸機(jī)的工作。無(wú)創(chuàng)的血氧飽和度（SaO2）雖然檢測(cè)精度不高，但幾個(gè)關(guān)鍵的測(cè)量點(diǎn)還是與血?dú)夥治龅臏y(cè)量點(diǎn)是重合的[5]。例如血?dú)夥治鰷y(cè)得PaO2=60mmHg時(shí)與SaO2=90%時(shí)是重合的。SaO2與PaO2的相關(guān)性能夠滿足呼吸機(jī)閉環(huán)控制的需要。無(wú)創(chuàng)的血氧飽和度檢測(cè)能夠比較簡(jiǎn)單地得到實(shí)現(xiàn)，不會(huì)影響設(shè)備的便攜性能。

在呼吸機(jī)的工作過(guò)程中，如果病人在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了SaO2偏低的情況，呼吸機(jī)將改變目標(biāo)通氣量和（或）吸氣氧濃度，并結(jié)合肺的力學(xué)性質(zhì)和PetCO2的值調(diào)整病人呼吸。引入血氧飽和度反饋控制可以有效防止病人通氣不足、低血氧等情況的發(fā)生。同時(shí)還能起到監(jiān)測(cè)血氧和低血氧報(bào)警的作用，在監(jiān)護(hù)條件不佳的特殊場(chǎng)合可以為醫(yī)生提供更多的病人信息。

3.3 PaCO2反饋控制

與PaO2一樣，PaCO2也是評(píng)價(jià)呼吸效果的一個(gè)重要指標(biāo)。PaCO2檢測(cè)同樣存在檢測(cè)復(fù)雜、連續(xù)性差的缺點(diǎn)。PetCO2與PaCO2存在相關(guān)性，已作為PaCO2替代手段之一，廣泛應(yīng)用于術(shù)中麻醉監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域[3]。PetCO2檢測(cè)也較為簡(jiǎn)單，使用二氧化碳分析器件結(jié)合呼吸機(jī)自身對(duì)于呼吸周期的監(jiān)測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)PetCO2檢測(cè)。

PetCO2的反饋控制原理同SaO2。將PetCO2引入反饋控制，不僅可以控制通氣效果，還能有效防止機(jī)械通氣造成的酸堿紊亂。

4 小結(jié)

將閉環(huán)控制引入到便攜式呼吸機(jī)中來(lái)，有助于提高便攜式呼吸機(jī)的性能，使其能夠提供更有效的治療。更多生理參數(shù)的檢測(cè)集成到便攜式呼吸機(jī)中來(lái)，不僅為呼吸機(jī)提供了有效的反饋控制信息，也能夠在特殊場(chǎng)合為醫(yī)生提供更多的病人信息。

在對(duì)呼吸機(jī)實(shí)現(xiàn)多重反饋閉環(huán)控制時(shí)，要正確認(rèn)識(shí)各反饋量的意義，處理好各反饋量在控制中的比重，優(yōu)化算法，為病人提供最有效的治療。

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Design of Multiple Closed-Loop Control Portable Ventilator

FENG Xiao-dong1,WANG Jia-wang1, LIN Liu-hua2,YANG Tao1,WENG Yu-jie1
(1.Biomedical Engineering Department, Nanjing Medical University,Nanjing Jiangsu 210029, China;2.Electronic Science and Engineering Department, Southeast University,Nanjing Jiangsu 210000,China)

TH789

A

1674-1633(2010)01-0023-03

2009-05-18

2009-10-10

本文作者：馮小冬，在讀碩士研究生。

汪家旺，教授，碩士研究生導(dǎo)師。

作者郵箱：fexdc@163.com