應(yīng)急自動復(fù)蘇呼吸機(jī)裝置設(shè)計

任寶凱 程進(jìn) 鄒小平 劉寶宇 李光東 王駿琦 周子肖 余興 王一飛 李曉彤 王曉嵐

北京信息科技大學(xué)北京市傳感器重點(diǎn)實驗室，北京 100101

0 引言

呼吸循環(huán)衰竭是臨床急診科中的多發(fā)性危急重癥。近年來的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該癥發(fā)病率呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，多發(fā)于中老年群體，同時，隨著溺水、中毒以及創(chuàng)傷等事件頻頻發(fā)生，呼吸循環(huán)衰竭病例也明顯增加。該病在病情上具有危急、變化快的特點(diǎn)，對搶救時間、效率均有著較高的要求。一般情況下，在患者發(fā)病初期（約4 min內(nèi)），需立即對其進(jìn)行心肺復(fù)蘇治療，并在復(fù)蘇后及時給予呼吸和循環(huán)支持，才能有效地提高搶救成功率[1]。針對這一情況，我們研制的應(yīng)急自動復(fù)蘇呼吸機(jī)系統(tǒng)可自動對被施救人員進(jìn)行機(jī)械式輔助呼吸，從而維持呼吸循環(huán)衰竭[2]人員的血氧含量，為其爭取寶貴的搶救時間。該裝置成本低、體積小巧、便攜，可靈活應(yīng)對突發(fā)事件。主要的應(yīng)用場所為家中、公共場所、游泳館、救護(hù)車、醫(yī)院等有事故隱患的地點(diǎn)。當(dāng)遇到突發(fā)事件，有人需要緊急搶救時，可在附近找到該設(shè)備并對其進(jìn)行自動、持續(xù)供氣，既避免了人工呼吸造成的衛(wèi)生問題，又避免了使用手動復(fù)蘇面罩造成的人手疲勞、供氣不均問題。配合心臟復(fù)蘇機(jī)[3]一起使用，可節(jié)省大部分的搶救空間和時間，進(jìn)而大大提高搶救效率和生還率。

此外，由于新型冠狀病毒[4-7]引起的肺炎肆虐全球，導(dǎo)致各國醫(yī)療物資嚴(yán)重匱乏，尤其是對呼吸機(jī)的需求很難得到滿足，導(dǎo)致很多肺炎患者不能得到及時輔助治療，而使疫情難以得到控制。由于目前醫(yī)用呼吸機(jī)的制造成本與技術(shù)等原因，這個缺口是很難補(bǔ)足的，所以設(shè)計一個簡易的醫(yī)用呼吸機(jī)[8]替代品是非常必要的。本文研制的應(yīng)急自動復(fù)蘇呼吸機(jī)技術(shù)、結(jié)構(gòu)簡單，可大批量生產(chǎn)，配合專業(yè)醫(yī)務(wù)人員的操作和使用，可在一定程度上滿足疫情導(dǎo)致的呼吸機(jī)需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體框架

本系統(tǒng)分為6個模塊：電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、動力模塊、運(yùn)動模塊、輸氣模塊。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，其中控制模塊采用STM32單片機(jī)；驅(qū)動模塊采用擋位切換式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器；動力模塊采用步進(jìn)電機(jī)；運(yùn)動模塊采用滾珠絲杠滑動平臺機(jī)構(gòu)；輸氣模塊由手動復(fù)蘇面罩輸氣系統(tǒng)改進(jìn)而來，面罩與氣囊間增加輸氣管以增加其工作半徑。

本呼吸機(jī)將擠壓和釋放氣囊的施力源改為電機(jī)驅(qū)動，滾珠絲杠滑動平臺為雙導(dǎo)柱—單滾珠傳動絲杠實現(xiàn)滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動，懸伸臂與滑塊相連接，通過滑塊帶動懸伸臂實現(xiàn)對氣囊的壓縮和釋放效果。此外，動力源為57步進(jìn)電機(jī)[9]，配合TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可調(diào)節(jié)懸伸臂壓縮和釋放氣囊的速度，從而控制輸氣模塊的出氣量?？刂颇K采用STM32F103系列單片機(jī)[10]，該系列單片機(jī)性能穩(wěn)定、功耗低，可實現(xiàn)對整個機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。根據(jù)各模塊的連接關(guān)系，繪制裝置三維建模圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

1.2.1 控制模塊、驅(qū)動模塊和電源模塊

控制模塊、驅(qū)動模塊和電源模塊硬件連接如圖3 所示。

單片機(jī)采用STM32F103RCT6型號，TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的使能負(fù)（EN-）、轉(zhuǎn)向負(fù)（DIR-）、脈沖端負(fù)（PUL-）共地，3個引腳接在單片機(jī)的GND。單片機(jī)的PC0引腳接驅(qū)動使能正端（EN+）、PC1引腳接驅(qū)動方向控制口正端（DIR+）、PB0引腳接驅(qū)動脈沖接收口正端（PUL+），同時，TB6600采用220～12 V直流電源供電。除此之外，A、B兩相的正負(fù)極分別對應(yīng)接57步進(jìn)電機(jī)的A、B相的正負(fù)極，單片機(jī)的PA0、PA1分別連接啟動和停止按鈕，方便操控。

TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動采用共陰極接法，控制57步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速方法如表1所示。

1.2.2 運(yùn)動模塊

步進(jìn)電機(jī)通過8～8 mm聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連接。電機(jī)帶動滾珠絲杠從而帶動滑塊進(jìn)行橫向滑動，同時雙導(dǎo)柱對滑塊起導(dǎo)向作用，從而使其平穩(wěn)滑動。用于壓縮氣囊的懸伸臂與滑塊采用螺釘連接，通過滑塊的帶動懸伸臂壓縮和釋放彈性氣囊。滾珠絲杠平動滑臺的二維圖如圖4所示，系統(tǒng)二維裝配圖如圖5所示。

1.2.3 輸氣系統(tǒng)

輸氣系統(tǒng)由手動復(fù)蘇面罩改進(jìn)而來，彈性氣囊頂部出氣口接入1 m長的PVC輸氣管，從而增加裝置的工作半徑。彈性氣囊底部與頂部都安裝有單向閥，通過滑塊帶動懸伸臂壓縮和釋放彈性氣囊，可實現(xiàn)氣體的單向傳輸。彈性氣囊底部設(shè)有輸氧口，可插入輸氧管，針對不同的情況進(jìn)行選用。

表1 TB6600電機(jī)驅(qū)動控制57步進(jìn)電機(jī)方法表

1.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。工作時，當(dāng)使用者按下啟動按鈕，懸伸臂裝置在步進(jìn)電機(jī)的帶動下從初始位置向前行進(jìn)壓縮氣囊。程序進(jìn)入延時，經(jīng)過延時4 s后驅(qū)動方向引腳置零，電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而懸伸臂裝置在步進(jìn)電機(jī)的帶動下從初始位置后退進(jìn)行氣囊的釋放，再次進(jìn)入循環(huán)程序，延時4 s后程序重新進(jìn)行上述循環(huán)。當(dāng)使用者按下停止按鈕，系統(tǒng)監(jiān)測到低電平，便使裝置復(fù)位并停止工作。

1.3.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與驗證

首先要保證各引腳的連接是否牢固，開機(jī)觀察電源指示燈是否亮起，按動啟動開關(guān)，系統(tǒng)開始工作，伴隨著滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，帶動滑塊壓縮和釋放氣囊，同時檢查運(yùn)動速度和出氣量，調(diào)節(jié)TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的擋位，可調(diào)節(jié)步距角和工作電流，以輸出合適的功率。

確保輸氣系統(tǒng)暢通，氣閥的安裝方式無誤，測試氣壓是否符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)呼吸機(jī)氣壓標(biāo)準(zhǔn)值在10～30 cmH2O，經(jīng)測試該裝置滿足要求。

連續(xù)工作測試：該裝置采用12 V/5 Ah鋰電池供電，要求系統(tǒng)可連續(xù)工作40～60 min左右才能保證被救人員被轉(zhuǎn)移至專業(yè)救助地點(diǎn)。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作時的最大電流為0.75 A，采用的鋰電池能夠可靠地保證1 h以上的連續(xù)工作時間。裝置工作情況如圖7所示，實物圖如圖8所示。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）本系統(tǒng)改變傳統(tǒng)復(fù)蘇面罩的動力源為電機(jī)驅(qū)動，節(jié)省人力，提高搶救效率；

（2）本系統(tǒng)操控簡單，性能穩(wěn)定，體積小巧、便攜，適用性強(qiáng)。

4 結(jié)束語

該應(yīng)急自動復(fù)蘇呼吸機(jī)可節(jié)省大部分的搶救空間和時間，從而在很大程度上提高搶救效率。目前的趨勢就是要利用機(jī)電系統(tǒng)代替人力，同時也會提高工作效率。在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)C(jī)電系統(tǒng)與醫(yī)療器械合理地結(jié)合，從而達(dá)到高效穩(wěn)定的目的。研發(fā)該系統(tǒng)可更靈活地應(yīng)對突發(fā)事件，減輕救援人員的負(fù)擔(dān)，保障人們的人身安全，進(jìn)而減少人員傷亡。本系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)與醫(yī)療器械進(jìn)行結(jié)合，節(jié)省了人力物力、提高了安全性，可以設(shè)置在任何存在隱患的場所，成本低，實用性強(qiáng)且需求量大。

本系統(tǒng)仍然存在一些不足之處：所用的材料為金屬材料，重量較大。可采用PVC材料代替，以增加裝置移動靈活性。除此之外，此裝置可與傳感器相結(jié)合，用傳感器采集氣壓、出氣量、被救者的生命體征指標(biāo)等。