智能輔助呼吸機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

趙希超+楊光

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5052AD單片機(jī)三CPU的具有報(bào)警系統(tǒng)的智能化輔助呼吸機(jī)。將干燥的空氣和氧氣的混合氣體加濕加溫到適宜的濕度和設(shè)定溫度，并以設(shè)定流量提供給患者使用。介紹了該機(jī)器的組成和工作原理并且著重的闡述其報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：輔助呼吸機(jī)；單片機(jī)；溫度傳感器；流量傳感器；報(bào)警系統(tǒng)

1.引言

人們身體健康時(shí)，上呼吸道對(duì)吸入氣體有加溫加濕的功能，可以維持氣道黏膜與纖毛系統(tǒng)正常的生理功能和防御機(jī)能。但是，作為這種工能減弱或者喪失的患者，就需要輔助加溫、加濕和細(xì)菌過(guò)濾的功能，以確保正常的生理需要[1]。為了保證其長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，除了可靠的設(shè)計(jì)和正確的使用，它準(zhǔn)確靈敏穩(wěn)定的報(bào)警系統(tǒng)也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

2.輔助呼吸機(jī)的電路的組成及原理

該輔助呼吸機(jī)的電路組成如圖1，主要有電源電路，濕化罐的加熱電路，信號(hào)的處理和運(yùn)算電路，呼吸管路的加熱及測(cè)量電路，單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路?？刂葡到y(tǒng)以，STC12C5052AD單片機(jī)為核心，單片機(jī)接受傳感器的溫度，含氧量，流量和報(bào)警信號(hào)等信息，并根據(jù)設(shè)定的溫度和流量值按照預(yù)設(shè)的控制算法輸出控制。

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該機(jī)器有消毒和濕化兩種模式，工作在濕化模式時(shí)，插入濕化管路，氧氣和空氣的混合氣體通過(guò)濕化罐加熱和加濕后通過(guò)濕化管路進(jìn)一步加熱和保溫最后送入病人鼻腔。在此模式下可以設(shè)置混合氣體的溫度和流量。工作在消毒模式時(shí)，插入消毒管并且去掉濕化罐，消毒管中的電阻絲將管內(nèi)空氣加熱到90℃并以10L/MIN的速度流動(dòng)，利用加熱的流動(dòng)空氣消毒該機(jī)器。

3.呼吸濕化儀的報(bào)警及原理

1.沒(méi)有插入正確管路或沒(méi)有插入管路的報(bào)警

輔助呼吸機(jī)有濕化和消毒兩種模式，所以配備了濕化管路和消毒管路。管路都是利用電阻絲將管內(nèi)混合氣體加熱，但是濕化和消毒兩種模式要求管內(nèi)氣體溫度不同，所以兩種管路的電阻絲阻值不同，所以當(dāng)不插管路，插入消毒管或是插入濕化管時(shí)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路后得到的AD值的范圍不同，當(dāng)CPU識(shí)別到AD值為最大值時(shí)，發(fā)出“未插管”的報(bào)警信息，當(dāng)系統(tǒng)被設(shè)定為相應(yīng)模式時(shí)，CPU得到的AD值沒(méi)在相應(yīng)的范圍，此時(shí)，發(fā)出“插錯(cuò)管路”的報(bào)警信息。這樣便可以避免在濕化模式下誤插入消毒管路使管內(nèi)空氣溫度驟然增加而燙傷病人呼吸道的傷害。

2.機(jī)器漏氣或是堵塞的報(bào)警

因?yàn)樵摍C(jī)器是輔助病人呼吸用的，若儀器漏氣或是堵塞就會(huì)喪失輔助呼吸的作用，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到病人的生命安全[2]。該機(jī)器氣體的流量是CPU控制風(fēng)機(jī)利用流量傳感器組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)脈寬調(diào)速達(dá)到設(shè)定的流量。[3]如果儀器不漏氣或是不堵塞，那么其內(nèi)部的風(fēng)阻不變，也就是說(shuō)流量和占空比對(duì)應(yīng)成比例，若儀器漏氣時(shí)其風(fēng)阻變小，那么流量瞬間變大，相應(yīng)的占空比也會(huì)也會(huì)變小，所以它們的比值會(huì)比正常時(shí)變大。同理機(jī)器堵塞時(shí)流量與占空比的比值會(huì)比正常時(shí)變小，CPU記錄下流量和風(fēng)機(jī)占空比的比值，若比值在正常范圍內(nèi)CPU不發(fā)報(bào)警信號(hào)，若比值比正常范圍偏小并且持續(xù)時(shí)間大于30秒，CPU將發(fā)出“堵塞”報(bào)警信息，若比值比正常范圍偏大并且持續(xù)時(shí)間大于30秒，則發(fā)“漏氣”報(bào)警信息。

3.溫度傳感器損壞報(bào)警

為了保證儀器的穩(wěn)定和病人的安全，在測(cè)量管內(nèi)混合氣體溫度時(shí)采用熱敏電阻和DS18B20兩種溫度傳感器相互印證的測(cè)量方式。[4]CPU收到熱敏電阻和DS18B20測(cè)量的溫度值時(shí)，比較兩個(gè)值的差，若差值大于5℃時(shí)儀器停止工作，并發(fā)出“溫度傳感器損壞”的報(bào)警信息。

4.濕化罐干燒報(bào)警

因?yàn)樵摍C(jī)器需要在長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，如果濕化罐內(nèi)的水量低于要求的最小值或是干燒，就會(huì)使管內(nèi)的氣體的溫度急劇上升，導(dǎo)致?tīng)C傷病人的呼吸道，因此濕化罐的干燒報(bào)警就顯得尤為重要。在加熱盤(pán)的底部裝有一個(gè)熱敏電阻，當(dāng)濕化罐內(nèi)水被燒干時(shí)，加熱盤(pán)溫度會(huì)迅速增加，熱敏電阻阻值減小引起分壓變化，當(dāng)超過(guò)某一閥值溫度時(shí)，熱敏電阻的分壓值通過(guò)比較器及后續(xù)電路關(guān)斷加熱電源，此時(shí)CPU發(fā)出“濕化罐干燒”的報(bào)警信息。

5.工作環(huán)境溫度不適宜報(bào)警

因?yàn)樵摍C(jī)器需要在一個(gè)穩(wěn)定并且適宜的工作環(huán)境溫度下才能保證其穩(wěn)定的工作性能和正確的輸出參數(shù)，所以該機(jī)器需要檢測(cè)工作環(huán)境溫度，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)該儀器在18至28攝氏度內(nèi)工作最適宜。如果CPU的溫度傳感器檢測(cè)到工作環(huán)境溫度低于18攝氏度時(shí)，CPU發(fā)出“工作環(huán)境溫度過(guò)低”報(bào)警信息。如果溫度傳感器檢測(cè)到工作環(huán)境溫度高于28攝氏度時(shí)，CPU向發(fā)出“工作環(huán)境溫度過(guò)高”報(bào)警信息。

6.長(zhǎng)期達(dá)不到設(shè)定值的報(bào)警

如果該機(jī)器送出的混合氣體的溫度，流量和氧含量在20分鐘后依然達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)值便就會(huì)影響病人的治療效果，此時(shí)機(jī)器就會(huì)報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員作出相應(yīng)的措施。每當(dāng)機(jī)器送出氣體的溫度，流量或含氧量被重新設(shè)定時(shí)，CPU就會(huì)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到20分鐘時(shí)CPU就會(huì)查詢各個(gè)實(shí)時(shí)值與設(shè)定值的差，若哪個(gè)差值過(guò)大CPU就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的“未達(dá)到設(shè)定值”的報(bào)警信息。

4.結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的智能呼吸濕化儀既能改善患者的呼吸情況，又能提供安全穩(wěn)定的報(bào)警機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中大大保證了患者的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)惠蘭，鄧旭萍，陳瀚熙，陳麗芳，張秀濃.機(jī)械通氣呼吸濕化器濕化研究進(jìn)展[J].護(hù)理學(xué)雜志，2013，（13）：94-97.

[2]Renault Anne，Tonnelier Jean-Marie，Goetghebeur David，Oger Emmanuel，Boles Jean-Michel，L'Her Erwan. Influence of the humidification device during acute respiratory distress syndrome.[J].Intensive Care Medicine，2003，29（12）：.

[3]樓理綱，包濤，楊剛. MR850呼吸濕化器的工作原理及常見(jiàn)故障[J].醫(yī)療裝備，2016，（13）：47-48.

[4]鄭鋒，王巧芝，李英建，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開(kāi)發(fā)大全[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013：46-50.

作者簡(jiǎn)介：

【1】趙希超 性別：男 出生年月：19930302 籍貫：河北省唐山市，碩士 院系：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械工程 研究方向：機(jī)電一體化及機(jī)器人

【2】楊光 性別：男 出生年月：197408 籍貫：河北省辛集，博士 院系：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械工程 研究方向：機(jī)電一體化及機(jī)器人，増材制造技術(shù)