呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

孫 煥 許新建 湯棟生

呼吸機(jī)做為常見(jiàn)的急救醫(yī)療設(shè)備，在改善和替代患者外呼吸、降低呼吸做功上具有重要作用，被廣泛用于患者呼吸功能不全、呼吸衰竭、呼吸肌肉和神經(jīng)等不可逆損壞的替代治療過(guò)程中[1]。呼吸機(jī)采用的氧源通常為制氧機(jī)或者是液氧，患者在治療過(guò)程中，根據(jù)其實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的氧濃度，而呼吸機(jī)的氧濃度設(shè)置一般取決于患者的動(dòng)脈氧分壓的目標(biāo)水平和血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，患者在吸入氧濃度的選擇上，不但須考慮高濃度的肺損傷作用，還應(yīng)考慮氣道和肺泡壓力過(guò)高對(duì)肺的損傷作用[2]。因此，呼吸機(jī)的氧濃度不準(zhǔn)確存在著嚴(yán)重的安全隱患。目前，呼吸機(jī)對(duì)于氧濃度的監(jiān)測(cè)多采用氧傳感器(氧電池)進(jìn)行各自監(jiān)測(cè)，當(dāng)病房有數(shù)十臺(tái)呼吸機(jī)同時(shí)使用時(shí)，由于呼吸機(jī)距護(hù)士站較遠(yuǎn)，不能時(shí)刻關(guān)注到每一臺(tái)呼吸機(jī)的氧濃度情況，當(dāng)呼吸機(jī)發(fā)生氧濃度異常時(shí)，有時(shí)不能及時(shí)調(diào)整參數(shù)或者治療方案，使患者治療存在安全隱患[3]。基于此，本研究設(shè)計(jì)一種呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各臨床科室不同品牌、不同型號(hào)的所有呼吸機(jī)，只需在每臺(tái)呼吸機(jī)上安裝氧濃度采集模塊和無(wú)線發(fā)射模塊，在護(hù)士站的中央監(jiān)測(cè)軟件上，即可實(shí)現(xiàn)所有呼吸機(jī)的氧濃度監(jiān)測(cè)，并可記錄每位患者在治療中設(shè)定的所有階段氧濃度參數(shù)，便于醫(yī)務(wù)人員關(guān)注患者病情，為其他治療方案提供參考依據(jù)[4]。本系統(tǒng)已獲兩項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利。

1 呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括氧濃度監(jiān)測(cè)模塊、無(wú)線發(fā)射模塊、無(wú)線接收模塊以及采集模塊等；軟件系統(tǒng)包括氧濃度采集子程序、無(wú)線傳輸子程序、顯示子程序以及報(bào)警子程序等。每臺(tái)呼吸機(jī)可以鑲嵌一個(gè)氧濃度監(jiān)測(cè)模塊，再將所有氧濃度監(jiān)測(cè)模塊采集的氧濃度集中顯示在中央監(jiān)測(cè)軟件上，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 氧濃度采集模塊

氧濃度采集模塊采用AT89C51主控制芯片，是一款低電壓、高性能CMOS的8位微處理器，4 k字節(jié) Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器(random access memory，RAM)，32個(gè)I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通訊口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，AT89C51芯片可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式[6]。空閑方式停止中央處理器(central processing unit，CPU)的工作，但允許RAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的內(nèi)容等，其電路部分包括電源模塊、晶振電路模塊、復(fù)位電路模塊、氧濃度采集模塊、液晶顯示(liquid crystal display，LCD)顯示模塊、無(wú)線傳輸模塊(如圖2所示)。

(1)主控制電路。本系統(tǒng)采用的主芯片為AT89C51，其供電電壓為3.3 V，其XTAL1腳和XTAL2腳連接電容C1、電容C2，并在電容C1、電容C2并聯(lián)Y1晶振，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的晶振電路[7](如圖3所示)。

圖3 主控制電路圖

(2)氧濃度采集電路。系統(tǒng)氧濃度監(jiān)測(cè)采用KE-25傳感器，其不受外界CO2、CO、H2S、NOX等氣體影響，而且信號(hào)輸出穩(wěn)定，無(wú)需外部電源，不需要加熱等優(yōu)點(diǎn)。氧濃度監(jiān)測(cè)傳感器的檢測(cè)范圍為0～100%，精度為±1%，工作溫度為5 ℃～40 ℃，響應(yīng)時(shí)間為(14±2)s，壽命可達(dá)5年[8](如圖4所示)。

圖4 氧濃度采集模塊電路圖

圖1 中央氧濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制電路系統(tǒng)框圖

圖4顯示，氧氣傳感器將呼吸機(jī)內(nèi)的氧濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)，通過(guò)運(yùn)放放大芯片SGM8551將采集的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，再到主控制芯片AT89S51的P1.7腳，最后把采集的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換成氧濃度顯示在LCD顯示模塊上。運(yùn)放放大芯片SGM8551的+INA腳和-VS腳連接氧氣傳感器，其通過(guò)匹配電阻R1、R2后，通過(guò)輸出端OUTA腳輸出放大電壓信號(hào)[9]。

1.1.2 無(wú)線傳輸電路

系統(tǒng)采用的無(wú)線傳輸模塊為NRF24L01，該無(wú)線模塊支持2.4 GHz的ISM頻段，最高傳輸速率2 Mbps；功耗低，等待模式時(shí)電流消耗僅22 μA；傳輸距離可達(dá)25 m，可以滿足呼吸機(jī)氧濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。在傳輸采集氧濃度數(shù)據(jù)時(shí)，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由串行外圍設(shè)備接口(serial peripheral interface，SPI)寫(xiě)入NRF24L01緩沖區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10 μs，延時(shí)130 μs后發(fā)射數(shù)據(jù)，若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么中央顯示系統(tǒng)的NRF24L01立即進(jìn)入接收模式，接收答應(yīng)信號(hào)，則通訊成功[10](如圖5所示)。

圖5 無(wú)線傳輸電路圖

圖5顯示，該無(wú)線傳輸模塊采用+5 V供電，其工作模式選擇CE腳連接主芯片的P1.0腳、芯片的片選信號(hào)CSN腳連接P1.1腳、SCK腳連接P1.2腳、MOSI連接P1.3腳、MISO連接P1.4腳、IRQ連接P3.2腳。

1.1.3 顯示電路

系統(tǒng)的氧濃度采集模塊將采集到的氧濃度不僅可以直接顯示在LCD上，還可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測(cè)系統(tǒng)上。系統(tǒng)采用的液晶顯示為T(mén)H839S，工作電壓為3 V，其液晶模塊的接口跟AT89C51的P0.0～P0.7、P2.0～P2.5腳進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。整個(gè)顯示模塊可以時(shí)時(shí)顯示采集到的氧濃度值，當(dāng)采集到的氧濃度值大于報(bào)警值時(shí)，氧濃度值會(huì)出現(xiàn)閃爍狀態(tài)，提示醫(yī)務(wù)人員氧濃度異常。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，顯示模塊也會(huì)顯示錯(cuò)誤代碼等信息[11](如圖6所示)。

圖6 液晶顯示模塊電路圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

氧濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)會(huì)首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，LCD全亮2 s，并讀取存儲(chǔ)在EEPROM中的氧濃度校正參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。進(jìn)入系統(tǒng)后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行按鍵掃描，接著可以設(shè)置氧濃度報(bào)警限值，當(dāng)檢測(cè)到的氧濃度異常時(shí)，會(huì)進(jìn)入報(bào)警程序，提示醫(yī)務(wù)人員呼吸機(jī)氧濃度異常[12]。本系統(tǒng)具有無(wú)線傳輸功能，可以根據(jù)醫(yī)務(wù)人員的需求開(kāi)啟無(wú)線傳輸功能。當(dāng)病房多臺(tái)呼吸機(jī)都安裝氧濃度監(jiān)測(cè)模塊時(shí)，可以同時(shí)開(kāi)啟無(wú)線傳輸功能，將每臺(tái)呼吸機(jī)監(jiān)測(cè)的氧濃度都傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，便于醫(yī)務(wù)人員集中觀察多位患者的氧濃度情況(如圖7所示)。

圖7 氧濃度監(jiān)測(cè)模塊主程序流程圖

2 呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臨床應(yīng)用

2.1 氧濃度監(jiān)測(cè)模塊與測(cè)試

圖8 氧濃度監(jiān)測(cè)模塊連接圖

表1 氧濃度監(jiān)測(cè)模塊氧濃度與呼吸機(jī)監(jiān)測(cè)對(duì)比

(1)氧濃度監(jiān)測(cè)模塊的連接。系統(tǒng)可以根據(jù)醫(yī)務(wù)人員的要求，同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)呼吸機(jī)的氧濃度，醫(yī)務(wù)人員在值班過(guò)程中，只需觀看安裝在護(hù)士站的中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就可以查看所有呼吸機(jī)的氧濃度一段時(shí)間內(nèi)氧濃度波動(dòng)曲線，更加確切的了解患者在治療過(guò)程中的吸氧情況。系統(tǒng)的氧濃度監(jiān)測(cè)模塊只需將氧氣傳感器連接在呼吸機(jī)集水杯放入氧濃度傳感器接口上，再把整個(gè)模塊放置呼吸機(jī)側(cè)邊，即完成氧濃度監(jiān)測(cè)模塊的安裝(如圖8所示)。

(2)氧濃度監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)指示。監(jiān)測(cè)界面不僅可以顯示當(dāng)前的氧濃度，還可以顯示最近一日最大的氧濃度示值和最小的氧濃度示值，并且可以顯示當(dāng)前的電量(如圖9所示)。

圖9 氧濃度監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)指示界面圖

2.2 氧濃度監(jiān)測(cè)模塊與呼吸機(jī)監(jiān)測(cè)對(duì)比

安裝好氧濃度監(jiān)測(cè)模塊后，打開(kāi)監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行氧濃度監(jiān)測(cè)，通過(guò)呼吸機(jī)設(shè)定氧濃度分別為21%、40%、60%和80%的4個(gè)氧濃度點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試3個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試30 min，通過(guò)對(duì)呼吸機(jī)自身的氧濃度監(jiān)測(cè)和無(wú)線氧濃度監(jiān)測(cè)模塊的對(duì)比， 呼吸機(jī)氧濃度檢測(cè)值與無(wú)線氧濃度監(jiān)測(cè)模塊在低濃度時(shí)誤差較小，在氧濃度監(jiān)測(cè)模塊較高時(shí)誤差較大，但是其重復(fù)性較好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也比較穩(wěn)定，氧濃度監(jiān)測(cè)模塊值與呼吸機(jī)氧濃度檢測(cè)值相比，最大誤差只為±3%[13](見(jiàn)表1)。

3 結(jié)論

呼吸機(jī)氧濃度監(jiān)測(cè)對(duì)于患者安全用氧具有重大意義[14]。呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)的每臺(tái)呼吸機(jī)只有各自的氧濃度監(jiān)測(cè)情況，設(shè)計(jì)呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將臨床所有呼吸機(jī)的氧濃度監(jiān)測(cè)集中到中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，不僅便于醫(yī)務(wù)人員集中關(guān)注所有呼吸機(jī)的氧濃度情況，還可以記錄每臺(tái)呼吸機(jī)氧濃度監(jiān)測(cè)的波動(dòng)曲線。整個(gè)呼吸機(jī)氧濃度中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高且監(jiān)測(cè)精度準(zhǔn)確，對(duì)于時(shí)時(shí)關(guān)注患者呼吸過(guò)程中氧濃度具有較大的意義[15]。同時(shí)，對(duì)于呼吸機(jī)的其他參數(shù)的中央監(jiān)測(cè)，如潮氣量、吸呼比和呼氣末正壓等參數(shù)，有待于下一步研究和增加監(jiān)測(cè)內(nèi)容。