基于活塞運動的主動模擬肺的研究與設(shè)計

王 偉，葛 斌

1 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海，201318

2 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海，200093

基于活塞運動的主動模擬肺的研究與設(shè)計

【作 者】王 偉1，2，葛 斌1

1 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海，201318

2 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海，200093

主要介紹基于活塞運動的主動模擬肺的工作原理及整體設(shè)計方案。該模擬肺預(yù)期用于呼吸機自主呼吸監(jiān)測和參數(shù)，觸發(fā)功能的驗證和檢測?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)潮氣量、呼吸頻率、吸氣時間等參數(shù)實現(xiàn)模擬肺主動呼吸。

活塞運動；主動；模擬肺

0 引言

在呼吸機檢測過程中，經(jīng)常要用到模擬肺[1-2]。目前我們常用的模擬肺為被動式模擬肺。隨著檢驗方法的不斷更新，我們越來越需要這樣一種更仿真、更接近于患者的模擬肺，它可以自己呼吸，借助這樣的模擬肺測得的呼吸監(jiān)測參數(shù)更有臨床意義。另一方面，近幾年來，隨著人民生活水平的提高，用于改善睡眠質(zhì)量的睡眠呼吸機在國內(nèi)得到了長足的發(fā)展，也正慢慢開始進入普通家庭。此類呼吸機具有這樣的特點：正常情況下不強制通氣，當設(shè)備“感受”到使用者有吸氣動作時才給予一定的氣量，促進使用者輕松吸氣，而當設(shè)備探測到使用者不再吸氣時，停止送氣或減少送氣量，這是睡眠呼吸機和具有同步觸發(fā)功能的呼吸機的特性[3]。然而，受檢驗條件的限制，呼吸機是否有效觸發(fā)的功能在性能檢驗中往往被忽略。因為要檢驗該功能，必須要作用于呼吸機一個穩(wěn)定可控的呼吸，壓力、流量等必須緩步可調(diào)，以滿足壓力觸發(fā)或流量觸發(fā)的條件，從而才能檢驗呼吸機該項功能的有效性。穩(wěn)定可靠的主動式模擬肺的研制將為全面驗證呼吸機安全有效提供一種可行的手段，彌補被動式模擬肺的不足。

雖然目前國際上已有主動式模擬肺，如美國INGMAR MEDICAL公司生產(chǎn)的ASL5000模擬肺[4]，但該模擬肺價格昂貴，功能復(fù)雜，使用較為不便。基于活塞運動的主動式模擬肺可以模擬患者自由呼吸，頻率、潮氣量等參數(shù)能獨立調(diào)節(jié)[5-6]，且能顯示呼吸參數(shù)。因此，該系統(tǒng)也可滿足測試需要，且使用簡便，容易普及。

1 原理及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

選取一個合適的氣缸來模擬人的肺，用一電機帶動活塞運動使氣缸內(nèi)氣體流動，從而模擬人呼氣和吸氣。

主動模擬肺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram

該系統(tǒng)主要涉及四個部分：控制單元、監(jiān)測單元、控制顯示單元和氣路。

控制單元主要由電機和驅(qū)動電機的電路組成。監(jiān)測單元包括各種傳感器和信號采集處理電路。

控制顯示單元是基于電腦的控制顯示界面，該界面最終實現(xiàn)控制單元的控制和對來自于監(jiān)測單元的實時數(shù)據(jù)的顯示。

氣路部分包括氣缸和呼吸回路。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要分兩部分，一部分用于控制氣缸運動，實現(xiàn)模擬肺的主動呼吸；另一部分則設(shè)計用于對呼吸參數(shù)進行實時監(jiān)測。

2.1 控制單元

控制單元主要由直線電機和控制電機運動的驅(qū)動器組成。

2.1.1 直線電機

直線電機用于推拉氣缸活塞使肺呼吸，由一輸出電壓為直流48 V的開關(guān)電源供電。選用的直線電機持續(xù)推力為120 N，最大推力可達到300 N，保證在大潮氣量情況下平穩(wěn)輸氣。其定位精度可達到15 μm。該直線電機有以下優(yōu)點：① 進給速度范圍寬；② 速度特性好，重復(fù)精度高；③ 加速度大；④ 定位精度高；⑤ 結(jié)構(gòu)簡單，運行平穩(wěn)，摩擦磨損小，使用壽命長。

2.1.2 驅(qū)動器

驅(qū)動器用于驅(qū)動直線電機運動，從而帶動“肺”呼吸。驅(qū)動器由一輸出電壓為直流24 V的開關(guān)電源供電。

2.2 監(jiān)測單元

監(jiān)測單元主要由各類傳感器和信號采集處理電路組成，傳感器包括流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。

2.2.1 流量傳感器

在吸氣和呼氣支路各裝有一個流量傳感器，分別用于監(jiān)測吸氣流量和呼氣流量。選用的氣流質(zhì)量傳感器具有測量范圍廣(最大可測量200 l/min的氣流)、阻抗低(在最大流量200 l/min情況下阻抗為271.62 Pa，在典型的60 l/min情況下更是只有42.16 Pa)和響應(yīng)快(響應(yīng)時間為5 ms)的特點。同時，利用流量傳感器的單向特性，可測定呼吸頻率、吸氣時間等參數(shù)。在吸氣時，可利用流量的突變來驗證觸發(fā)功能。

2.2.2 壓力傳感器

為了監(jiān)測氣道內(nèi)的氣壓，在吸氣和呼氣支路分別有一個壓力取樣口，通過一選擇器后與壓力傳感器相連。通過選擇器可選擇監(jiān)測呼氣壓力或吸氣壓力。壓力傳感器具有溫度補償功能，補償范圍為-18oC～+63oC，并具有零點及量程校整功能。

2.2.3 溫度傳感器

氣體體積與溫度密切相關(guān)，因此，在設(shè)計時考慮在氣缸口安裝一溫度傳感器，用于實時監(jiān)測氣道內(nèi)溫度。

2.2.4 信號采集處理電路

信號采集處理電路是實現(xiàn)呼吸參數(shù)監(jiān)測的重要組成部分，其核心部件是中央微處理器。本系統(tǒng)選用的ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz,從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

信號采集處理電路每5 ms對流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器取樣一次，CPU對采集的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，通過計算得出當前系統(tǒng)測量的流量、壓力和溫度，并將數(shù)據(jù)通過串行接口(RS232)傳輸?shù)诫娔X。通過計算在電腦屏幕上實時顯示流量、壓力、溫度、潮氣量及頻率等參數(shù)。

潮氣量測量基于對一次呼吸時流量波形的積分，也就是波形曲線與時間軸圍成的面積。每5 ms對流量信號進行采樣，通過A/D轉(zhuǎn)換計算出當前流量數(shù)值。將此流量數(shù)值乘以時間(5 ms)就得到這5 ms的氣體容量值。將一次呼吸的氣體容量值相加就得到這次呼吸的潮氣量數(shù)值。

3 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計是為了實現(xiàn)對“肺”的控制，使其按需求進行呼吸，同時，也為了能在呼吸時實時監(jiān)測呼吸參數(shù)。本系統(tǒng)采用Visual Basic語言設(shè)計控制顯示界面（見圖2）。該界面可基于電腦平臺運行，主要分三個區(qū)域：設(shè)置參數(shù)區(qū)域、監(jiān)測參數(shù)區(qū)域和實時數(shù)據(jù)區(qū)域。

圖2 控制顯示界面Fig.2 Control and display interface

3.1 設(shè)置參數(shù)區(qū)域

在設(shè)置參數(shù)區(qū)域可以對潮氣量、吸氣時間、屏氣時間和頻率進行設(shè)置，同時也可以選擇不同的氣缸和工作模式。根據(jù)選擇的氣缸不同，潮氣量設(shè)置范圍也有所不同?？紤]到不同的測試需求，工作模式共有兩種可供選擇，分別為方波和正弦波。當選擇方波時，直線電機勻速運動，流量恒定；當選擇正弦波時，直線電機變速運動，可用于測定麻醉呼吸回路阻抗等參數(shù)。

3.2 監(jiān)測參數(shù)區(qū)域

在監(jiān)測參數(shù)區(qū)域，則顯示當前的潮氣量、呼吸頻率、氣道內(nèi)溫度和上次清零后的最大壓力、最小壓力、最大流量和最小流量，同時設(shè)有壓力清零和流量清零按鈕，可隨時對最大壓力和最小壓力、最大流量和最小流量進行清零。

3.3 實時數(shù)據(jù)區(qū)域

在實時數(shù)據(jù)區(qū)域，可選擇顯示吸氣流量、壓力或呼氣流量、壓力。根據(jù)選擇可實時顯示流量曲線和壓力曲線、流量和壓力數(shù)值。流量曲線和壓力曲線具有自適應(yīng)功能，確保波形幅值在合適的位置，方便讀取波形。

4 氣路設(shè)計

氣路部分包括氣缸和呼吸回路。

4.1 氣缸

氣缸用于模擬人的“肺”。為了兼顧潮氣量設(shè)定范圍和精度，確保在較大的潮氣量和較小的潮氣量情況下輸出均能達到設(shè)計精度要求，主動模擬肺的氣缸設(shè)計為可更換。大氣缸最大可輸出2000 ml的潮氣量,小氣缸最大可輸出800 ml潮氣量。

4.2 呼吸回路

為了滿足不同的設(shè)計需求，主動模擬肺設(shè)有吸氣支路和呼氣支路。當驗證呼吸機顯示的呼出潮氣量等自主呼吸參數(shù)準確性或范圍時，可將被測呼吸機患者連接口接到主動模擬肺的呼氣口處；當驗證呼吸機觸發(fā)功能的靈敏度或準確性時，可將被測呼吸機患者連接口接到主動模擬肺的吸氣口處。在吸氣支路和呼氣支路中各裝有一個單向閥，可確保氣體單向流動。

5 系統(tǒng)驗證及結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計完成后的試運行表明，該系統(tǒng)可以滿足測試需求。潮氣量、頻率等設(shè)置參數(shù)符合設(shè)計預(yù)期（潮氣量精確度：±3%；頻率精確度：±1 bpm）。

驗證結(jié)果分別見表1和表2。

表1 輸出潮氣量精確度驗證Tab.1 Accuracy validation of expired tidal volume

表2 呼吸頻率精確度驗證Tab.2 Accuracy validation of frequency

由于氣缸可選擇，在更換氣缸時確保氣缸的活塞推桿和直線電機成一直線至關(guān)重要。在試運行初期，由于固定氣缸的底板為木板，固定氣缸的螺孔定位不夠精確，在連續(xù)大潮氣量情況下運行一段時間后氣缸略有移位，導(dǎo)致出現(xiàn)活塞卡阻、氣缸抖動的現(xiàn)象，在將底板更換成金屬板后已解決氣缸抖動缺陷。

基于活塞運行的主動模擬肺的研制成功，對于全面驗證呼吸機性能具有積極意義，在驗證呼吸機中自主呼吸監(jiān)測參數(shù)和觸發(fā)功能方面更是具有現(xiàn)實意義，它將直接改變該領(lǐng)域試驗儀器匱乏的局面。

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Research and Design of an Initiative Lung Simulator Based on Plunger

【W(wǎng)riters】Wang Wei1，2, Ge Bin1

1 School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai For Science and Technology, Shanghai, 200093
2 Shanghai Testing & Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

This article introduces the working principle and the structural design of an initiative lung simulator based on plunger. The lung simulator is intended to test the monitor parameter and trigger function of the ventilator. Lung simulator can ventilate initiatively by adjusting the parameters such as tidal volume(VT)、frequency and inspiration time.

plunger, initiative, lung simulator

R318.18

B

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.03.012

1671-7104(2012)03-0199-03

2012-03-12

王偉，E-mail: wwslh@yahoo.com.cn