治療呼吸機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

閆國平

摘 要

本文闡述了一種ICU使用的治療呼吸機(jī)控制系統(tǒng)的電路。該電路由信號采集、信號處理及驅(qū)動控制幾部分組成。該電路通過信號采集電路將流量傳感器、壓力傳感器及氧濃度傳感器的小信號放大，經(jīng)過信號處理電路，設(shè)計(jì)合理的截止頻率，獲得有用信號，然后通過CPU（LPC2138）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出呼吸機(jī)需要的流速、壓力、氧濃度以及其它相關(guān)呼吸參數(shù)，與通過設(shè)置呼吸模式來決定的呼吸機(jī)系統(tǒng)的控制目標(biāo)進(jìn)行比較，利用呼吸動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用PID控制算法進(jìn)行閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。該電路已成功應(yīng)運(yùn)于某國產(chǎn)高端治療呼吸機(jī)上，大大提高了國產(chǎn)呼吸機(jī)的技術(shù)性能。

【關(guān)鍵詞】呼吸動力學(xué) 呼吸機(jī) PID算法

1 工作原理

呼吸機(jī)的控制系統(tǒng)主要由流量傳感器、壓力傳感器、氧濃度傳感器、差分放大電路、有源濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，V/I變換電路及電流驅(qū)動電路等組成。當(dāng)呼吸機(jī)工作時(shí)，氣流流過壓差裝置，在該裝置兩側(cè)形成一定得壓差，這個(gè)壓差通過氣體管路傳遞到壓差傳感器，最終用于計(jì)算呼吸氣道內(nèi)的流量。壓力傳感器內(nèi)部為惠斯頓電橋設(shè)計(jì)，一端同呼吸機(jī)氣道連接，另一端同大氣相通，當(dāng)氣道壓力發(fā)生變化時(shí)，壓力傳感器電橋發(fā)生不平衡，輸出相應(yīng)信號。氧濃度傳感器是利用化學(xué)原理來測量氣體所含氧分壓，該信號輸出與氧分壓成線性關(guān)系。各傳感器的信號經(jīng)過差分放大電路進(jìn)行放大，通過有源濾波電路來濾波處理，最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算處理，最終單片機(jī)系統(tǒng)依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用呼吸動力學(xué)方程，選擇最優(yōu)的控制策略，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、V/I變換電路及電流驅(qū)動電路發(fā)出控制指令來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動控制。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)LPC2138

LPC2138 是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16 位ARM7TDMI的微控制器，并帶有512 kB 的嵌入的高速Flash 存儲器。該芯片集成了多個(gè)32 位定時(shí)器、1路10 位DAC、6個(gè)PWM 通道和47 個(gè)GPIO 以及多達(dá)9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，16 個(gè)模擬輸入10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us。同時(shí)，32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM以及通過片內(nèi)PLL 可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，使LPC2138可以輕松運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證呼吸機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2.2 差分放大電路

壓差式流量傳感器及壓力傳感器工作原理相似，輸出電阻的典型值為2k左右，差模輸出信號范圍均為毫伏級，然而，它們的輸出信號對地的共模電壓能達(dá)到6V，因此為了克服一定得共模干擾，儀表放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高，易于與各種信號源相匹配。它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，而且時(shí)間漂移小，因而穩(wěn)定性高。他的共模抑制比高，適于在大的共模電壓背景下對微小信號進(jìn)行放大。由于傳感器輸出的共模電壓可以高達(dá)6V，因此需要選用較高電壓給儀表放大器供電，以確保信號的有效性，本電路采用正負(fù)12V進(jìn)行供電。電路的增益 A0=（49.4KΩ/R1）+1，LPC2138自帶的10位ADC的電壓輸入范圍為0～3V，設(shè)計(jì)參考基準(zhǔn)為2.5V，因此輸入信號的電壓U = D*2.5V/1024 ，其中D為ADC采集的數(shù)字量，LPC2138根據(jù)各傳感器的特性將電信號轉(zhuǎn)化成實(shí)際物理量。

2.3 有源濾波電路

壓差式流量傳感器測量壓差產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的壓力差，當(dāng)氣流流過差壓產(chǎn)生裝置時(shí)，由于氣體分子的運(yùn)動雜亂無章，在壓差產(chǎn)生裝置之間疊加了許多雜散信號，為了保證流量測量的精度與流速時(shí)間波形的顯示效果，必須對傳感器放大后的信號進(jìn)行低通濾波處理。有源濾波電路與傳統(tǒng)的無源濾波電路相比，具有體積小，效率高，頻率特性好等優(yōu)點(diǎn)，而且在帶通范圍內(nèi)可以獲得較高增益，減少損失。我們希望濾波電路的幅頻特性在通帶內(nèi)有最大平坦度，因此設(shè)計(jì)選取巴特沃茲型低通濾波，即Q= 0.707。另外，該濾波器的截止頻率f0為30Hz，f>>f0處的衰減速率不低于60dB/10倍頻，設(shè)計(jì)為3階。

2.4 V/I變換及驅(qū)動電路

呼吸機(jī)采用的比例流量閥是一種電流型閥，由于比例閥的工作原理是通過控制閥芯的電磁力進(jìn)行閥門開度的控制，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，因此閥的線圈具備一定得感性，會造成一定得磁滯現(xiàn)象，導(dǎo)致控制流量閥時(shí)增減電流的不同方向上相同的電流激勵(lì)輸出地氣體流量不同。為了更精確的控制比例閥，需要分別記錄電流上行和下行時(shí)輸出的不同氣體流量。

流過比例閥的電流I = UI/Rs，通過設(shè)置合理的阻值可以限定V/I變換電路的最大電流，以保證流量閥不會因?yàn)橐馔舛粺龤?。電阻R1與電容C1組成了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，可以避免V/I變換電路輸出電流比較大時(shí)，運(yùn)算放大器的同向端與反向端產(chǎn)生失衡，破壞了V/I變換電路的線性度。電流采樣電阻Rs的選取需要注意考慮散熱功率，以免由于溫升引起電阻的變化，導(dǎo)致閥的輸出發(fā)生變化。

3 測試結(jié)果

通過對比控制系統(tǒng)采集計(jì)算出的流量、壓力及氧濃度等參數(shù)與VT-PLUS（呼吸機(jī)檢測儀）的相應(yīng)讀數(shù)來驗(yàn)證各個(gè)參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。在電路設(shè)計(jì)上，通過增益的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)相互的一致性。根據(jù)對比試驗(yàn)結(jié)果，流量測量的相對誤差為±4.5%以內(nèi)，壓力測量的相對誤差為±1.4%以內(nèi)，氧濃度測量的絕對誤差為±2%以內(nèi)，均可滿足規(guī)定的測量精度要求。以壓力為控制目標(biāo)的PCV呼吸模式下，氣道壓力的控制效果良好，不僅上升時(shí)間較短，而且超調(diào)很小。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電路已經(jīng)應(yīng)用于我們研制的高檔治療呼吸機(jī)上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和長期臨床驗(yàn)證，能很好的支持呼吸機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行壓力、流量及氧濃度等呼吸生理參數(shù)的測量與通氣的控制，大大的提升了呼吸機(jī)的技術(shù)性能。與國內(nèi)外同類產(chǎn)品對比，結(jié)果表明了該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的有效性，同時(shí)也顯示了我們的呼吸機(jī)產(chǎn)品在參數(shù)監(jiān)測及通氣實(shí)現(xiàn)上具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王保國，周建新.實(shí)用呼吸機(jī)治療學(xué)（第二版）[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1994（03）.

[2]俞森洋.現(xiàn)代機(jī)械通氣的監(jiān)護(hù)和臨床應(yīng)用[M].北京：中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社，2003：159-183.

作者單位

北京思瑞德醫(yī)療器械有限公司 北京市 101111endprint