主動(dòng)模擬肺平臺(tái)的設(shè)計(jì)和研究

劉曉梅 許琳媛 魏立峰 陳少純

(沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

0 引言

隨著醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的迅速壯大，呼吸機(jī)越來(lái)越普遍地應(yīng)用于臨床搶救、麻醉、呼吸衰竭及手術(shù)后的支持治療中。為了防止呼吸機(jī)失準(zhǔn)、故障等隱患對(duì)患者生命構(gòu)成的威脅［1］，需要使用模擬肺對(duì)呼吸機(jī)進(jìn)行定期檢測(cè)。

目前常用于呼吸機(jī)檢測(cè)的模擬肺大多是被動(dòng)的，無(wú)法模擬患者的自主呼吸。國(guó)外僅有的一款主動(dòng)模擬肺ASL5000通過上位機(jī)軟件控制，存在全英文操作界面使用不便、功能復(fù)雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn);國(guó)內(nèi)有關(guān)模擬肺的研究還停留在初級(jí)階段，多以氣阻和順應(yīng)性作為模擬參數(shù)，算法復(fù)雜。因此，在呼吸機(jī)性能的綜合測(cè)試中急需一種新型的主動(dòng)模擬肺，以彌補(bǔ)上述不足［2］。

本文通過直線電機(jī)搭建主動(dòng)模擬肺平臺(tái)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器，并通過設(shè)置呼吸頻率、潮氣量等參數(shù)，模擬人體呼吸，測(cè)量呼吸流量、壓力等呼吸力學(xué)參數(shù)。該平臺(tái)具有算法簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格相對(duì)低廉、精準(zhǔn)度高、易普及等優(yōu)點(diǎn)，可以為呼吸機(jī)提供較為全面的綜合測(cè)試，并判斷呼吸機(jī)是否失準(zhǔn)、是否能用于病人，提高了設(shè)備使用率［3］;同時(shí)，其也可作為臨床醫(yī)學(xué)研究的模擬設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由機(jī)械運(yùn)動(dòng)和控制采集兩部分組成。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)Fig.1 Design of the overall systematic scheme

機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分由直線電機(jī)、活塞、麻醉機(jī)風(fēng)箱氣囊組成，直線電機(jī)帶動(dòng)麻醉機(jī)風(fēng)箱氣囊、活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬人體肺部的呼吸過程［4］。系統(tǒng)選用 Servo Shaft公司的3210直線電機(jī)。該電機(jī)能將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，消除了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈中間環(huán)節(jié)所帶來(lái)的一系列不良影響。同時(shí)直線電機(jī)還具有磨損小、噪聲低、速度快、精度高等特點(diǎn)，較傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)加滾珠絲桿有更好的性能和可靠性［5］。

控制采集部分由壓力傳感器、流量傳感器、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，主要完成直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制以及壓力、流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和顯示。

2 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器的硬件部分主要包括ARM lm3s1138主機(jī)電路、按鍵、LCD顯示電路、信號(hào)調(diào)理電路及直線電機(jī)控制電路等幾部分。運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of the motion controller

ARM lm3s1138是基于ARM?CortexTM-M3的控制器。ARM?CortexTM-M3是一個(gè)滿足低功耗、高性能、低成本的內(nèi)核，它提供了出色的計(jì)算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力。芯片集成了8通道10位的ADC模擬比較器，滿足信號(hào)采集要求;3個(gè)完全可編程的UART、2個(gè)I2C模塊、4個(gè)定時(shí)器和46個(gè)通用 I/O引腳，滿足本設(shè)計(jì)需求。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

MPXV5004G系列氣體壓力傳感器是FreeScale公司生產(chǎn)的硅壓阻傳感器。該系列傳感器中的差壓型氣體壓力傳感器測(cè)量范圍為0～3.92 kPa，輸出信號(hào)為1～4.9 V直流信號(hào)。

FS1002UN型流量傳感器是矽翔微機(jī)電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的MEMS流量傳感器，量程范圍為0～200 L/min，響應(yīng)時(shí)間為 12 ms，精度為 ±1.5%，輸出信號(hào)為0.5～4.5 V直流信號(hào)。

信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。模擬信號(hào)的采集使用微控制器的A/D變換器。由于壓力、流量傳感器的輸出信號(hào)分別為1～4.9 V和0.5～4.5 V的電壓直流信號(hào)，而微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器最大模擬輸入電壓為3 V，因此需要對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和適當(dāng)?shù)臑V波，以滿足使用要求。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.2 直線電機(jī)控制電路

直線電機(jī)控制電路如圖4所示。直線電機(jī)控制電路采用光電耦合的控制方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是:信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，傳輸效率高。

圖4 直線電機(jī)控制電路Fig.4 Control circuitry of the linear motor

3 運(yùn)動(dòng)控制器算法設(shè)計(jì)

3.1 呼吸參數(shù)設(shè)計(jì)

呼吸頻率(respiratory rate，RR)是指每分鐘呼吸的次數(shù)，設(shè)定范圍為1～40次/min。

吸氣時(shí)間(inspiratory time，TI)是指每分鐘吸氣所占的時(shí)間，設(shè)定范圍為 TI＜60/RR－0.5，s;呼氣時(shí)間(expiratory time，TE)是指每分鐘呼氣所占的時(shí)間，TE=60/RR－TI，s。由此可計(jì)算出吸呼比(I∶E)。

潮氣量(tidal volume，TV)是指人體平靜呼吸時(shí)每次吸入或呼出的氣量，設(shè)定范圍為50～1200 mL。此外，潮氣量=吸氣時(shí)間×供氣流速，即潮氣量與直線電機(jī)位移相對(duì)應(yīng)，直線電機(jī)位移=控制器所發(fā)實(shí)際脈沖數(shù)×0.1 mm。所以首先給直線電機(jī)發(fā)送不同的脈沖數(shù)，通過Certifier FA Plus氣流分析儀記錄對(duì)應(yīng)的潮氣量值;然后在Matlab軟件上利用最小二乘法，可得到潮氣量與實(shí)際脈沖數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此可計(jì)算出實(shí)際脈沖數(shù)。

呼吸次數(shù)(respiratory count，RC)是指觸發(fā)呼吸的總次數(shù)，設(shè)定范圍為1～+∞。呼吸時(shí)間=RC×60/RR。

在運(yùn)動(dòng)控制器上對(duì)以上四個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體各種呼吸情況的模擬。

3.2 呼吸波形設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)通過程序控制脈沖頻率的變化。根據(jù)不同算法，可模擬方波、梯形波、三角波和正弦波等呼吸波形，也可利用程序延時(shí)模擬人體屏氣，從而實(shí)現(xiàn)不同呼吸波形的模擬。

以模擬一個(gè)完整的人體呼吸波形為例，呼吸波形模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 呼吸波形模擬Fig.5 Simulation of the respiratory waveform

圖5(a)中實(shí)線部分為一名身體健康的男性青年的一個(gè)完整的呼吸波形，RR=15 次/min，I∶E=1∶1.5［6］。吸氣過程類似于正弦波，呼氣過程類似于三角波，所以在程序中吸氣過程采用正弦波算法，呼氣過程采用三角波算法，如圖5(a)虛線部分所示。在運(yùn)動(dòng)控制器中設(shè)置如下參數(shù):RR=15 次/min、TI=1.6s、TV=500mL、RC=15 次。由此可計(jì)算出一次完整呼吸的時(shí)間(RT)=60/RR=4 s/次、TE=RT －TI=2.4 s、I∶E=1∶1.5 和實(shí)際脈沖數(shù)。

吸氣過程如圖5(b)所示，ΔT時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)脈沖，直線電機(jī)走一步所圍成的陰影部分面積為1，則TI內(nèi)的總面積=脈沖個(gè)數(shù)N。根據(jù)正弦函數(shù)公式可遞推出每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的頻率值［7］。

呼氣過程如圖5(c)所示，方法與吸氣過程類似，可分為加速和減速兩部分計(jì)算，由直線函數(shù)公式遞推出每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的頻率值［8］。

將按上述算法計(jì)算出的頻率給直線電機(jī)發(fā)脈沖，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸波形的模擬，又滿足運(yùn)動(dòng)控制器的參數(shù)要求。

4 運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)模擬肺平臺(tái)選用mega-fabs公司的D1驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)動(dòng)控制器控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分軟件流程圖如圖6所示。

圖6 直線電機(jī)控制軟件流程圖Fig.6 Flowchart of the control software for linear motor

吸氣時(shí)，電機(jī)設(shè)為正轉(zhuǎn)，初始脈沖數(shù)為1，按所需模擬波形計(jì)算初始脈沖頻率。開中斷，直線電機(jī)每走一步，脈沖頻率按所需模擬波形的算法改變一次，脈沖數(shù)加1。當(dāng)初始脈沖數(shù)等于實(shí)際脈沖數(shù)時(shí)，吸氣模擬結(jié)束。呼氣時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，過程同吸氣。

5 測(cè)試分析

首先通過Certifier FA Plus氣流分析儀對(duì)主動(dòng)模擬肺的模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試。Certifier FA Plus氣流分析儀是美國(guó)TSI公司研制的一種理想的檢測(cè)設(shè)備，通過此設(shè)備可判斷平臺(tái)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。然后，將主動(dòng)模擬肺平臺(tái)應(yīng)用于呼吸機(jī)測(cè)試。

5.1 參數(shù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

測(cè)試時(shí)，將主動(dòng)模擬肺與Certifier FA Plus氣流分析儀相連接。在模擬呼吸過程中，通過Certifier FA Plus氣流分析儀記錄實(shí)際的潮氣量和呼吸頻率，并將模擬肺的設(shè)定值與測(cè)量的實(shí)際值進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。驗(yàn)證結(jié)果如表1、表2所示。

潮氣量驗(yàn)證表如表1所示，驗(yàn)證分為三組。以第一組為例，在運(yùn)動(dòng)控制器上設(shè)置RR=30次/min、TI=1 s、RC=25 次，由此可計(jì)算出 I∶E=1∶1。然后按照表1中TV的設(shè)定值，從50 mL到1000 mL分別對(duì)TV進(jìn)行設(shè)置，在氣流分析儀上觀察對(duì)應(yīng)的實(shí)際TV值，并將結(jié)果記錄于表1中。第二、三組的驗(yàn)證方法同理。由誤差分析結(jié)果可以看出，潮氣量的最大誤差為+4.2%，小于潮氣量參數(shù)的預(yù)期設(shè)計(jì)誤差±5%，表明該平臺(tái)滿足測(cè)試需求。

呼吸頻率驗(yàn)證表如表2所示，驗(yàn)證分為三組。以第一組為例，在運(yùn)動(dòng)控制器上設(shè)置TV=150 mL、RC=25次，并讓 I∶E=1∶1.5;然后按照表 2 中 RR 的設(shè)定值，從40次/min到10次/min分別對(duì)RR進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)RR的設(shè)定值和吸呼比，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的吸氣時(shí)間并在運(yùn)動(dòng)控制器上進(jìn)行設(shè)置，然后在氣流分析儀上觀察對(duì)應(yīng)的實(shí)際RR值，并將結(jié)果記錄于表2中。第二、三組的驗(yàn)證方法同理。

由誤差分析結(jié)果可以看出，呼吸頻率的最大誤差為+1.34%，小于呼吸頻率參數(shù)的預(yù)期設(shè)計(jì)誤差±1.5%，表明該平臺(tái)滿足測(cè)試需求。

表1 潮氣量驗(yàn)證表Tab.1 Verification table of tidal volume

表2 呼吸頻率驗(yàn)證表Tab.2 Verification table of respiratory rate

5.2 呼吸機(jī)測(cè)試

測(cè)試時(shí)，將主動(dòng)模擬肺與呼吸機(jī)相連，設(shè)置呼吸機(jī)工作模式為 S模式，吸氣壓力 =980 Pa、呼氣壓力=392 Pa、上升時(shí)間 =0.3 s，吸氣、呼氣靈敏度都為自動(dòng)，升壓延時(shí)時(shí)間=0 min。在程序中吸氣過程模擬正弦波，呼氣過程模擬三角波，運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)定以下參數(shù):RR=10 次/min、TI=2 s、TV=500 mL、RC=15 次。根據(jù)參數(shù)可計(jì)算出 I∶E=1∶2、每分鐘通氣量(minute ventilation，MV)=5 L/min，其中，MV= 潮氣量(TV)×呼吸頻率(RR)。

呼吸機(jī)開始通氣后，啟動(dòng)主動(dòng)模擬肺。通過觀察發(fā)現(xiàn)呼吸機(jī)主界面參數(shù)和波形都與主動(dòng)模擬肺設(shè)定的參數(shù)相一致，證明呼吸機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確，可以安全使用。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用直線電機(jī)構(gòu)建模擬人體呼吸的主動(dòng)模擬肺平臺(tái)，設(shè)計(jì)以ARM lm3s1138為主控制芯片的運(yùn)動(dòng)控制器，提高了平臺(tái)的運(yùn)行速度和模擬精準(zhǔn)度，并可以通過控制脈沖頻率的變化，模擬各種呼吸波形。

參數(shù)準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果證明，主動(dòng)模擬肺平臺(tái)所設(shè)定的參數(shù)值與實(shí)測(cè)值近似相等，因此可以利用主動(dòng)模擬肺平臺(tái)模擬人體的各種呼吸狀況。

所設(shè)計(jì)的主動(dòng)模擬肺平臺(tái)具有較好的實(shí)用性、可靠性和良好的可擴(kuò)展性。針對(duì)臨床更多呼吸波形和參數(shù)計(jì)算的需要，還可以對(duì)所設(shè)計(jì)的平臺(tái)進(jìn)行更多功能的擴(kuò)展。

在下一步的研究和設(shè)計(jì)中，還需要通過建立不同的呼吸模型做進(jìn)一步驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與提高。

［1］呂鵬，陳雅楠，曹德森.呼吸機(jī)測(cè)試儀的研制［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，25(1):70 －72.

［2］王偉.基于活塞運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)模擬肺的研究與設(shè)計(jì)［D］.上海:上海理工大學(xué)，2012.

［3］易韋韋，張玘，王躍科.主動(dòng)模擬肺ASL5000在呼吸機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2008，23(7):93 －94.

［4］張坤，徐海琴，徐新民，等.基于主動(dòng)模擬肺的呼吸機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32(4):6 －8.

［5］杜志強(qiáng)，黃桂琴，朱德榮，等.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及應(yīng)用［J］.洛陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，19(4):35－38.

［6］李釗，王健琪，荊西京，等.用于生命探測(cè)的人體呼吸運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)研制［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31(3):40 －41.

［7］張艷敏，羅海兵.基于ARM芯片的步進(jìn)電機(jī)加減速控制［J］.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009(2):47－49.

［8］錢國(guó)維，張凌.一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線的在線計(jì)算方法［J］.微電機(jī)，1997，30(2):28 －31.