呼吸機(jī)濕化器可自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊震，楊坤，高磊，詹寧波，管吉，孫重陽，柴雁飛

解放軍第302醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100039

呼吸機(jī)濕化器可自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊震，楊坤，高磊，詹寧波，管吉，孫重陽，柴雁飛

解放軍第302醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100039

目的設(shè)計(jì)一款可實(shí)時(shí)監(jiān)測濕化罐液位并按需自動(dòng)補(bǔ)液的呼吸機(jī)濕化器。方法分別在濕化罐側(cè)面3.2、3.8 cm液位處安裝光學(xué)液位傳感器，用于監(jiān)測濕化罐液位。在濕化器主機(jī)安裝蠕動(dòng)泵，濕化罐液位與光學(xué)液位傳感器的高低狀態(tài)可控制蠕動(dòng)泵規(guī)律擠壓水管注液。結(jié)果當(dāng)濕化罐液位低于3.2 cm時(shí)，蠕動(dòng)泵啟動(dòng)并開始注液，當(dāng)液位上升至3.8 cm時(shí)，蠕動(dòng)泵停止工作，將濕化罐液位控制在3.2～3.8 cm之間。結(jié)論該濕化器將濕化罐液位控制在理想范圍，使患者吸入氣體加溫、加濕效果達(dá)到最佳，可提高人工氣道護(hù)理質(zhì)量。

濕化罐；光學(xué)液位傳感器；液位控制；吸入氣體溫濕效果

引言

隨著通氣模式和患者肺功能參數(shù)監(jiān)測的不斷完善，呼吸機(jī)已成為臨床搶救為重癥患者的重要手段。有創(chuàng)通氣時(shí)，氣體通過人工氣道進(jìn)入下呼吸道，失去了上呼吸道的加溫和濕化作用。如果呼吸機(jī)經(jīng)濕化罐輸出的氣體溫濕度效果不佳，必然造成下呼吸道失水、粘膜干燥、分泌物干結(jié)、纖毛運(yùn)動(dòng)減弱、排痰不暢，容易發(fā)生氣道阻塞、肺不張和繼發(fā)感染等并發(fā)癥。因此，使用呼吸機(jī)時(shí)氣道濕化是人工氣道護(hù)理的主要環(huán)節(jié)，氣道濕滑效果直接影響人工氣道護(hù)理的質(zhì)量[1-4]。

呼吸機(jī)濕化器發(fā)展已較為成熟，以Fisheramp;Paykel公司生產(chǎn)的傳統(tǒng)呼吸機(jī)高端MR850型濕化器為例，它同時(shí)具備氣體加溫、加濕、氣體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測、無創(chuàng)/有創(chuàng)通氣模式選擇及相關(guān)補(bǔ)償功能，但不具備自動(dòng)補(bǔ)液功能，需醫(yī)護(hù)人員反復(fù)定時(shí)（約2 h）給濕化罐加滅菌注射用水，導(dǎo)致增加醫(yī)護(hù)人員的工作量、增加醫(yī)護(hù)人員的工作量和增加患者感染機(jī)率等諸多弊端，因此研發(fā)一款可通過自動(dòng)補(bǔ)液功能來維持最佳液位范圍的呼吸機(jī)濕化器尤為迫切[5-9]。

1 濕化器自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

1.1.1 ELS-950光電液位傳感器

呼吸機(jī)濕化器液位傳感器S1和S2采用ELS-950型光電液位傳感器，其精度誤差為±1 mm，耐溫范圍為-40℃～110℃，且體積較小，適合本設(shè)計(jì)所需求。

ELS-950光電液位傳感器工作電壓為直流5～12 V，紅線和黑線分別連接電源正極和負(fù)極，藍(lán)線和黑線連接光電液位開關(guān)兩端，見圖1。當(dāng)呼吸機(jī)濕化罐液位浸沒ELS-950光電液位傳感器時(shí)，液位開關(guān)閉合；當(dāng)呼吸機(jī)濕化罐液位脫離ELS-950光電液位傳感器時(shí)，液位開關(guān)斷開。另外，ELS-950光電液位傳感器外形尺寸較小，其探頭長19.1 mm，“O型圈”長16.3 mm，電纜線長119.8 mm。光電液位傳感器探頭側(cè)面螺紋和“O型圈”可保證其與濕化罐較好的密封效果，且探頭內(nèi)部電路部分和外部塑料接頭可拆卸，便于清洗、消毒。采用含有效氯500 mg/L的消毒劑溶液浸泡消毒，浸泡時(shí)間大10 min。

圖1 ELS-950光電液位傳感器電路連接和外形尺寸

1.1.2 指狀蠕動(dòng)泵

呼吸機(jī)濕化器水泵采用指狀蠕動(dòng)泵，電源電壓為DC 12 V，其通過指狀齒規(guī)律伸縮擠壓管路將滅菌注射用水通過注射口C注入到濕化罐內(nèi)，將濕化罐液位維持在3.2～3.8 cm，見圖2。

圖2 指狀蠕動(dòng)泵

AC 220 V電源經(jīng)變壓、整流和濾波后分別變?yōu)镈C 12 V和DC 5 V兩路電源，見圖3。其中DC 12 V為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵體指狀齒規(guī)律伸縮，同時(shí)，位置反饋電路可驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)反饋蠕動(dòng)泵體的工作狀態(tài)，DC 5 V為控制系統(tǒng)供電，阻塞檢測電路、開門檢測電路、外部接口和人機(jī)接口可與控制系統(tǒng)相互通訊，實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)泵體的精準(zhǔn)控制[10]。

圖3 指狀蠕動(dòng)泵工作原理圖

1.2 自動(dòng)補(bǔ)液工作原理

已有相關(guān)研究表明呼吸機(jī)濕化器濕化罐內(nèi)滅菌注射用水容量為250 mL時(shí)濕化效果最佳[11]，本設(shè)計(jì)以Fisheramp;Paykel MR850型濕化罐為例，見圖4。在濕化罐側(cè)面高3.2 cm和3.8 cm刻度處各安裝1個(gè)IMS光電液位傳感器，通過光電液位傳感器控制蠕動(dòng)泵工作，蠕動(dòng)泵通過擠壓管路推動(dòng)管內(nèi)滅菌注射用水注入濕化罐。當(dāng)濕化罐內(nèi)液面低于3.2 cm時(shí)低液位報(bào)警，蠕動(dòng)泵啟動(dòng)，開始緩慢注水；當(dāng)濕化罐液面到達(dá)3.8 cm時(shí)高液位報(bào)警，蠕動(dòng)泵停止工作；其將濕化罐內(nèi)滅菌注射用水水量維持在226～274 mL，使?jié)窕鳉怏w溫濕化效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖4 可自動(dòng)補(bǔ)液呼吸機(jī)濕化器

1.3 電路圖設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)濕化罐自動(dòng)補(bǔ)液電路圖，見圖5。220 V交流電經(jīng)變壓器變壓、整流橋整流和電容C1濾波后變?yōu)橹绷?5 V電壓，然后再經(jīng)穩(wěn)壓模塊7812、7805變壓，C2、C3濾波后可分別提供+12、+5 V電源。K1、K2為12 V 8腳繼電器，其可分為兩組開關(guān)，1、3、5腳為一組，2、4、6腳為一組，7和8引腳為電源輸入端。K3和K4分別為常開和常閉開關(guān)，SW為手動(dòng)開關(guān)。當(dāng)SW閉合時(shí)可直接給蠕動(dòng)泵提供12 V直流電壓，蠕動(dòng)泵開始工作，將滅菌注射用水通過注射口C注入MR850濕化罐。單片機(jī)89C51通過查詢P1.4、P1.5和P1.6端口輸入的電平狀態(tài)來控制P1.0和P1.1端口輸出的電平狀態(tài)。光學(xué)液位傳感器S1和S2用于檢測MR850濕化罐液位高度，當(dāng)液位覆蓋光學(xué)探頭時(shí)其開關(guān)閉合，反之S1和S2開關(guān)處于斷開狀態(tài)。

圖5 呼吸機(jī)濕化罐自動(dòng)補(bǔ)液電路圖

當(dāng)呼吸機(jī)MR850濕化罐液位低于3.2 cm時(shí)，光學(xué)液位傳感器S1和S2開關(guān)斷開，繼電器K1和K2的5、6腳分別與1、2腳接通。此時(shí)，蜂鳴器SPK發(fā)出報(bào)警聲，低液位報(bào)警發(fā)光二極管D3發(fā)光；若89C51的P1.4和P1.5端口輸入高電平，P1.0輸出高電平，P1.1輸出低電平，常開開關(guān)K3閉合，常閉開關(guān)K4閉合，蠕動(dòng)泵開始工作并通過注射口C向濕化罐注射滅菌注射用水。當(dāng)濕化罐液位上升到高液位3.8 cm時(shí)，光電液位傳感器S1和S2開關(guān)閉合，蠕動(dòng)泵停止工作。

當(dāng)呼吸機(jī)MR850濕化罐液位處于3.2 cm和3.8 cm之間時(shí)，光電液位傳感器S1開關(guān)閉合，S2開關(guān)斷開，蠕動(dòng)泵不工作。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 89C51匯編程序流程圖

89C51匯編程序流程圖，見圖6～9。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷服務(wù)流程圖

圖8 DVT0流程圖

圖9 DVT1流程圖

1.4.2 匯編程序編寫

ORG 8000H

START: AJMP MAIN

ORG 8013H

LJMP PINT1

ORG 8030H

MAIN: MOVE SP, #60H；確立堆棧區(qū)

CLR IT1 ；電平觸發(fā)方式

SETB EX1 ；外中斷1允許

SETB EA ；總中斷允許

MOV A, #00H ；置P1.0～ P1.7口低電平

MOV P1, A

HERE: AJMP HERE ；等待中斷

ORG 8300H

PINT1: PUSH PSW

PUSH ACC ；保護(hù)現(xiàn)場

JB P1.4, DVT0 ；若P1.4為高電平，跳到DVT0

JB P1.5, DVT1 ；若P1.5為高電平，跳到DVT1

PINTR: POP ACC ；現(xiàn)場恢復(fù)干擾信號(hào)引起的中斷請(qǐng)求

POP PSW

RETI ；中斷返回

DVT0: CLR EX1 ；關(guān)外中斷1

SETB P1.0 ；置P1.0為高電平

CLR P1.1 ；置P1.1為低電平

JB P1.5, DVT0 ；若P1.5為高電平，跳到DVT0

CLR P1.0 ；置P1.0為低電平

SETB EX1 ；開外中斷1

AJMP PINTR ；跳到PINTR

DVT1: CLR EX1 ；關(guān)外中斷1

SETB P1.1 ；置P1.1為高電平

JB P1.6, DVT1 ；若P1.6為高電平，跳到DVT1

CLR P1.1 ；置P1.1為低電平

SETB EX1 ；開外中斷1

AJMP PINTR ；跳到PINTR

END ；程序終止

1.4.3 程序淺析

程序的起始地址設(shè)定為8000H，然后無條件跳到地址8030H執(zhí)行主程序。主程序首先依次設(shè)置堆棧區(qū)、外中斷1允許控制字、中斷的觸發(fā)方式和P1端口初始化，然后等待中斷請(qǐng)求。當(dāng)外中斷1響應(yīng)時(shí)，首先將程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容壓入棧以保護(hù)斷點(diǎn)，再將中斷入口地址嵌入PC，使程序執(zhí)行轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷入口地址。一個(gè)中斷區(qū)只有8個(gè)單元，不能寫入一個(gè)完整的中斷服務(wù)程序。因此，在中斷入口地址處放置一個(gè)無條件轉(zhuǎn)移指令，使程序執(zhí)行轉(zhuǎn)向8300H去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。PINT1首先保護(hù)現(xiàn)場，然后依次查詢P1.4、P1.5電平狀態(tài)。若P1.4、P1.5為高電平，則分別跳到其相應(yīng)的DVT0、DVT1中斷服務(wù)子程序。PINTR執(zhí)行恢復(fù)現(xiàn)場指令后返回中斷，可有效防止干擾信號(hào)引起的中斷請(qǐng)求。置EX1為低電平，關(guān)外中斷1，可保證DVT0、DVT1中斷服務(wù)子程序完整運(yùn)行[12-15]。

若P1.4為高電平，濕化罐液面低于低液位3.2 cm，執(zhí)行中斷子程序程序DVT0。DVT0關(guān)外中斷1后置P1.0為高電平、P1.1為低電平，常開開關(guān)K3閉合、常閉開關(guān)K4閉合，蠕動(dòng)泵工作，開始向濕化罐注液，然后查詢P1.5電平狀態(tài)。若P1.5為高電平，則返回至DVT0，繼續(xù)補(bǔ)液；若P1.5非高電平，濕化罐液面上升至高液位3.8 cm，置P1.0為低電平，蠕動(dòng)泵停止工作，停止向濕化罐注液，最后跳到PINTR返回主程序等待中斷請(qǐng)求。

若P1.4為低電平P1.5為高電平，濕化罐液面高度位于低液位3.2 cm和高液位3.8 cm之間，濕化罐內(nèi)滅菌注射用水水量維持在226～274 mL之間，此時(shí)呼吸機(jī)濕化器氣體濕化效果達(dá)到最佳狀態(tài)，執(zhí)行中斷子程序程序DVT1。DVT1關(guān)外中斷1后置P1.1為高電平，常閉開關(guān)K4斷開，蠕動(dòng)泵停止工作，然后查詢P1.6電平狀態(tài)。若P1.6為高電平，則返回至DVT1，蠕動(dòng)泵保持停止工作；若P1.6非高電平，濕化罐液面下降至低液位3.2 cm，置P1.1為低電平，跳到PINTR返回主程序等待中斷請(qǐng)求。

若P1.4、P1.5均為低電平，濕化罐液面高于位于高液位3.8 cm，執(zhí)行PINTR返回主程序等待中斷請(qǐng)求。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度25℃、空氣濕度56%，設(shè)備連接方法，見圖10，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含TSI4080呼吸機(jī)檢測儀1臺(tái)、GE Egstrom呼吸機(jī)1臺(tái)、MR850濕化器1套、ELS-950光電液位傳感器2個(gè)、呼吸機(jī)成人硅膠管路1套、成人夾板模擬肺1個(gè)、500 mL/瓶滅菌注射用水4瓶以及醫(yī)院設(shè)備帶氧氣、空氣氣源等。呼吸機(jī)通氣模式和參數(shù)設(shè)定如下：SIMV通氣模式、潮氣量VT=500 mL、呼吸頻率f=12次/min、吸呼比I:E=1:2、氧濃度FiO2=40；MR850濕化器加熱檔位調(diào)為3檔，濕化罐加注滅菌注射用水至刻度線處，約250 mL水。每組實(shí)驗(yàn)持續(xù)8 h，實(shí)時(shí)記錄呼吸機(jī)檢測儀所測呼吸機(jī)相關(guān)參數(shù)。對(duì)照組采用傳統(tǒng)加水方法，呼吸機(jī)濕化罐加滅菌注射用水至刻度線處，當(dāng)液位較低時(shí)斷開呼吸螺紋管路再次向濕化罐注入適量滅菌注射用水；實(shí)驗(yàn)組采用通過光電液位傳感器控制蠕動(dòng)泵自動(dòng)補(bǔ)液的方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

呼吸機(jī)開機(jī)預(yù)熱15 min，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，每隔10 min記錄1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組都連續(xù)測試8 h；另外，濕化罐加注滅菌注射用水后及時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，與參數(shù)設(shè)定值相比，實(shí)驗(yàn)組所測潮氣量VT、呼吸機(jī)頻率f、吸呼比I:E、氣體氧濃度FiO2以及吸入氣體溫濕度都比較穩(wěn)定，可大大降低氣道阻塞、肺不張和繼發(fā)感染等并發(fā)癥發(fā)生率；對(duì)照組實(shí)測數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，治療效果較差。

圖10 呼吸機(jī)檢測實(shí)驗(yàn)示意圖

2.3 結(jié)果分析

呼吸機(jī)濕化罐標(biāo)識(shí)液位線處為最佳濕化效果液位，實(shí)驗(yàn)組通過光學(xué)液位傳感器自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)來精確控制濕化罐內(nèi)無菌注射用水液位，在無需斷開螺紋呼吸管路的條件下可使液位維持在3.2～3.8 cm，呼吸機(jī)可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此其潮氣量、氣體溫濕度等參數(shù)波動(dòng)幅度較小，呼吸機(jī)治療效果較好；對(duì)照組濕化罐內(nèi)無菌注射用水液位較低時(shí)需人工斷開呼吸螺紋管路再注水，各參數(shù)波動(dòng)幅度較大，管路斷開期間模擬肺得到的VT、f、I:E均降低至0，F(xiàn)iO2降低至21，氣體溫度降低至26.6℃，氣體濕度降低至68%RH。濕化罐人工注水完成后，VT、f、I:E和FiO2恢復(fù)到正常值需約3 min，期間人機(jī)對(duì)抗比較嚴(yán)重氣體溫濕度恢復(fù)到正常值需約10 min，人工注水周期約4 h。

3 結(jié)論

呼吸機(jī)是雙刃劍，隨著呼吸機(jī)性能的不斷改進(jìn)，機(jī)械通氣治療已廣泛應(yīng)用于臨床，給予危重癥患者呼吸通氣支持，可有效提高臨床患者治愈率，但同時(shí)它也是高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，稍有不慎便會(huì)給患者帶來生命危險(xiǎn)。呼吸機(jī)濕化器是通過加熱滅菌注射用水使其產(chǎn)生的水蒸氣與呼吸機(jī)傳送給患者的吸入氣體混合的方法來實(shí)現(xiàn)加溫、加濕。呼吸機(jī)濕化器常規(guī)加水方法需暫停呼吸機(jī)從出氣孔加水，或者分離進(jìn)氣口與呼吸機(jī)的連接，從進(jìn)氣口加水，但二者均可導(dǎo)致患者血氧飽和度下降，也會(huì)造成患者呼吸狀態(tài)改變和呼吸機(jī)管路二次污染[16]。濕化器自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測濕化罐內(nèi)滅菌注射用水的液位，并根據(jù)液位情況自動(dòng)按需注水，使?jié)窕鳒貪裥ЧS持最佳狀態(tài)，值得臨床廣泛推廣。呼吸機(jī)濕化器在臨床中的應(yīng)用都是以保障進(jìn)入患者呼吸道的氣體溫度和濕度適宜為目的，為實(shí)現(xiàn)濕化效果的不斷改進(jìn)，提高患者的舒適度、保證患者的生命安全，還需對(duì)呼吸機(jī)濕化裝置做進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

表1 呼吸機(jī)濕化器自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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Design of Automatic Liquid Injection System of Ventilator Humidifier

YANG Zhen, YANG Kun, GAO Lei, ZHAN Ningbo, GUAN Ji, SUN Chongyang, CHAI Yanfei Department of Medical Engineering, 302 Military Hospital of China, Beijing 100039, China

ObjectiveTo design a ventilator humidifier that can monitor the level of the wetting tank in real time and automatically inject liquid on demand.MethodsFirstly, the optical level sensors were respectively installed at the wetting tank side 3.2 and 3.8 cm level, which was used to monitor the wet tank liquid level. Then, the peristaltic pump was installed in the humidifier main unit, which could inject liquid into the wetting tank by regularly squeezes liquid pipe and control the high and low state of the liquid level at the optical liquid level sensor.ResultsWhen the wetting tank level was less than 3.2 cm, the peristaltic pump started and begined to fill the liquid, when the liquid level rised to 3.8 cm, the peristaltic pump stoped working, which could control the wetting tank liquid level between 3.2 to 3.8 cm.ConclusionThe humidifier controls the wetting tank liquid level in the desired ranges, so as to achieve the best heating and humidification effects for patients inhaling gas and improve the quality of artificial airway care.

wetting tank; optical liquid-level sensor; level control; inhaled gas temperature and humidity effect

R472

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.012

1674-1633(2017)11-0044-04

2017-07-12

2017-08-11

高磊，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制和計(jì)量管理。

通訊作者郵箱：gao_lei_2002@sina.com

本文編輯 袁雋玲