一種基于人工呼吸氣囊的電動(dòng)簡(jiǎn)易呼吸機(jī)設(shè)計(jì)研究

摘 要：呼吸機(jī)作為一項(xiàng)能人工替代自主通氣功能的有效手段，已普遍用于各種原因所致的呼吸衰竭、大手術(shù)期間的麻醉呼吸管理、呼吸支持治療和急救復(fù)蘇中。本文在人工呼吸氣囊的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地采用正反牙滾珠絲桿雙螺母擠壓形式，設(shè)計(jì)一種低成本、平民化的便攜式簡(jiǎn)易呼吸機(jī)。該簡(jiǎn)易呼吸機(jī)采取可編程、可拆卸的機(jī)械裝置，按照人的呼吸頻率擠壓呼吸氣囊，幫助呼吸困難的人將空氣吸入肺部，可以成為自我救護(hù)的關(guān)鍵“武器”。

關(guān)鍵詞：人工呼吸氣囊;呼吸機(jī);可編程;可拆卸設(shè)計(jì)

臨床上呼吸抑制、呼吸衰竭甚至呼吸停止等緊急情況時(shí)有發(fā)生。病情危急，來(lái)不及做氣管插管時(shí)，可利用人工氣囊按壓球囊直接給氧，使病人得到充分氧氣供應(yīng)，改善組織缺氧狀態(tài)。恰當(dāng)使用人工呼吸氣囊是院前處理緊急呼吸疾患的有效方法。但人工呼吸氣囊通常由急救醫(yī)務(wù)人員攜帶，使用過(guò)程中存在以下問(wèn)題。首先，手部容易疲勞。在患者急救過(guò)程中，急救人員只能靠手動(dòng)按壓呼吸氣囊維持患者通氣，而呼吸氣囊尺寸較大，遠(yuǎn)大于一般人員的手形，從而造成呼吸氣囊使用費(fèi)力，急救人員極易出現(xiàn)手部疲勞現(xiàn)象;其次，頻率不準(zhǔn)確。人工按壓，難以保持較為準(zhǔn)確的充氣頻率。時(shí)快時(shí)慢，容易損傷肺組織，造成呼吸中樞紊亂，影響呼吸功能恢復(fù);再次，壓力不恒定。手壓力不恒定就會(huì)造成氣囊壓力變化，影響機(jī)械通氣效果或造成呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎等并發(fā)癥;此外，不夠方便，由于急救人員只能手動(dòng)按壓呼吸氣囊，該操作人員無(wú)法進(jìn)行其他急救操作。

因此，研究自動(dòng)化擠壓結(jié)構(gòu)替代醫(yī)護(hù)人員的人工擠壓，解決上述人工呼吸氣囊的不足，同時(shí)解決呼吸機(jī)、醫(yī)務(wù)人員不足時(shí)的應(yīng)急使用問(wèn)題，非常有現(xiàn)實(shí)意義。

1 電動(dòng)簡(jiǎn)易呼吸機(jī)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)簡(jiǎn)易呼吸機(jī)由人工呼吸氣囊、擠壓機(jī)械裝置、單片機(jī)、電機(jī)、電氣驅(qū)動(dòng)裝置和顯示裝置六部分組成。

系統(tǒng)由單片機(jī)編程模擬人體正常呼吸頻率，按照這個(gè)頻率用機(jī)械裝置擠壓氣囊向人體供氣，幫助恢復(fù)心肺功能達(dá)到急救目的。單片機(jī)控制信號(hào)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而控制機(jī)械裝置。根據(jù)急救對(duì)象的不同，系統(tǒng)通過(guò)按鈕控制不同模式已達(dá)到不同人群使用效果。LED顯示屏則用來(lái)實(shí)時(shí)顯示關(guān)鍵參數(shù)，確保正確使用。

本電動(dòng)簡(jiǎn)易呼吸機(jī)根據(jù)急救個(gè)體差異，設(shè)置成人、兒童和嬰兒三個(gè)使用檔位;按鈕設(shè)置有啟動(dòng)、暫停、停止和復(fù)位功能按鈕，同時(shí)配備有可調(diào)面板，以根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)。

2 電動(dòng)簡(jiǎn)易呼吸機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

如圖2所示，機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由托架、兩塊夾板、絲桿電機(jī)、螺母和絲桿五個(gè)部件組成。托架將氣囊固定，夾板裝在兩側(cè)螺母上，絲桿和貫穿式絲桿電機(jī)相連，絲桿電機(jī)置于托架底部。控制信號(hào)控制絲桿電機(jī)工作，當(dāng)接收向中間運(yùn)動(dòng)的信號(hào)后，絲桿電機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)，絲桿上螺母向中間移動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)夾板向中間軸方向平移，則形成收緊擠壓動(dòng)作，反之則形成松開(kāi)動(dòng)作。在機(jī)械裝置替代人工擠壓時(shí)，要考慮盡量保持氣囊軸線不動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生位置上的變化，以利于機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定和對(duì)急救不產(chǎn)生干擾。

2.2 參數(shù)與相關(guān)計(jì)算

2.2.1 氣囊機(jī)構(gòu)

氣囊機(jī)構(gòu)尺寸如圖3所示。

2.2.2 呼吸困難急救相關(guān)參數(shù)

成人：頻率10～15次/分鐘，潮氣量400～600ml;兒童：頻率14～20次/分鐘，潮氣量100ml;嬰兒：頻率20～40次/分鐘，潮氣量350ml。正常情況下，吸氣時(shí)間和呼氣時(shí)間比都是1∶1.5～2;重癥比如慢阻肺、呼吸窘迫綜合征患者吸呼時(shí)間比為1∶2～3。

2.2.3 關(guān)鍵部件選型

（1）絲桿。如圖3所示，根據(jù)氣囊徑向長(zhǎng)度和雙向同步運(yùn)動(dòng)，選用SFU01605-4型正反牙滾珠絲桿，其軸徑為16mm、導(dǎo)程為5mm。它具有同步、高精度、高硬度、高轉(zhuǎn)速、壽命長(zhǎng)、低噪音和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。絲桿總長(zhǎng)度根據(jù)需要選擇300mm，配備的零部件為2個(gè)螺母、2個(gè)螺母座、兩端軸承座和一個(gè)聯(lián)軸器。螺母用與夾板連接，帶動(dòng)夾板運(yùn)動(dòng)。

（2）馬達(dá)。擠壓量最大所需力矩也最大，因此根據(jù)氣囊的最大擠壓量需要的力矩來(lái)確定選用的馬達(dá)最大扭矩。已知成人可承受最大氣壓30cmH2O，最大潮氣量即氣囊擠壓量約600ml。假設(shè)擠壓3.5cm時(shí)，橫截面橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)為R1、短半軸長(zhǎng)為R2，根據(jù)擠壓模擬可以估算擠壓長(zhǎng)度R3為3.5cm，擠壓最大面積（橢圓面積）S=1/2*R1*R2*π=82.4cm2，則：

壓強(qiáng)：P=1g/cm39.830≈300Pa

單邊扭矩：M1=P*S*R3=300*82.46*3.510-6≈0.86Nm

最大扭矩：M=2*M1=1.72Nm

從留有一定余量的角度考慮，選用扭矩為2.3Nm的57步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)具有性能穩(wěn)定、高速精準(zhǔn)、高速響應(yīng)、壽命長(zhǎng)、雙出軸的優(yōu)點(diǎn)，以及強(qiáng)動(dòng)力、低噪音等特點(diǎn)，相數(shù)為2，步距角為1.8°±5%。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Creo6.0軟件設(shè)計(jì)，具備互操作性、開(kāi)放、易用三大特點(diǎn)，還具體裝配管理的特點(diǎn)，界面友好，簡(jiǎn)單易用，尺寸精確。

夾板模擬人手拳頭，采用外凸弧形結(jié)構(gòu)，目的是增加擠壓力?；⌒螆A形高度略高于氣囊徑向圓心高度，目的是夾板在擠壓時(shí)，在向氣囊產(chǎn)生徑向擠壓力同時(shí)產(chǎn)生一點(diǎn)向下的壓力，有利于氣囊和整體機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定;氣囊前后頸固定結(jié)構(gòu)采用卡扣形式，方便操作，具體見(jiàn)圖4和圖5。

3 電動(dòng)簡(jiǎn)易呼吸機(jī)電氣結(jié)構(gòu)部分

3.1 單片機(jī)即工控板PLC FX2N-14MT

工控板是電氣設(shè)備中控制設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作的電路板。通用的工控板，大多數(shù)可以編程，經(jīng)過(guò)用戶二次開(kāi)發(fā)后，完成特定的功能，在輸入輸出口接上用戶自己的器件。工程項(xiàng)目類的用機(jī)大多數(shù)是使用工控主板，具有相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性，事故率也相對(duì)較低，相對(duì)穩(wěn)定性較高，故障報(bào)修率也比較低。

本文設(shè)計(jì)選取三菱工控板，如圖6所示，其主要特點(diǎn)：原裝進(jìn)口ARM高性能芯片;DC24V輸入，10路普通2路高速，可接AB相編碼器;輸出8路繼電器可帶模擬量;RS232通信、485通信;寄存器2500個(gè);支持485ModbusRTU/ASCII主、從通信;掉電保持;支持在線監(jiān)視、運(yùn)行中下載;支持特殊加密方式。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

DH556是新一代基于32位DSP技術(shù)的高性能數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，電壓DC20～50V。采用類伺服控制原理，具有高精確度、平穩(wěn)性佳、振動(dòng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)。主要用于自動(dòng)化設(shè)備，在用戶期望的低噪音、低振動(dòng)、低發(fā)熱、高精度、大力矩輸出的設(shè)備中應(yīng)用效果極佳。驅(qū)動(dòng)器和連接線路圖分別見(jiàn)下圖8和圖9。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，即通過(guò)單片機(jī)編程驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同控制，從而實(shí)現(xiàn)不同功能。常規(guī)功能為啟動(dòng)、暫停、復(fù)位、停止;使用檔位為成人、兒童和嬰兒三檔以及液晶顯示。

4.2 實(shí)現(xiàn)方式

本文設(shè)計(jì)使用的是三菱PLC工控板，配套的是編程軟件是“MELSOFT系列GX Developer”。該軟件適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器;完全支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫(xiě)PLC程序功能，簡(jiǎn)單理解就是在電腦上用過(guò)該軟件編程后，通過(guò)電腦下載線下載到工控板中，讀寫(xiě)成功后就可以運(yùn)行了。編程后的工控機(jī)，可以按照一定的控制規(guī)律實(shí)時(shí)決策，產(chǎn)生控制指令，并通過(guò)板卡輸出，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程直接進(jìn)行控制，具有組成靈活、成本低等特點(diǎn)。

PLC編程：

（1）啟動(dòng)軟件后，在根目錄底下創(chuàng)建一個(gè)工程文件;

（2）選擇PLC所屬系列和型號(hào)，即“FXCPU”和“FX2N（C）”，與所連接的PLC一致，確保程序能正確寫(xiě)入;

（3）設(shè)置程序的類型，即梯形圖;

（4）設(shè)置文件的保存路徑和工程名稱;

（5）在主界面里編輯，按不同檔位編輯順控程序，設(shè)置軟元件注釋、參數(shù)等;

（6）將反復(fù)使用的順控程序的梯形圖塊轉(zhuǎn)化為FB部件;

（7）連接電腦線，在線下載程序、寫(xiě)入;

（8）診斷。

為確保行程準(zhǔn)確復(fù)位，本文設(shè)計(jì)在起始位安裝了傳感器，當(dāng)夾板回退到這個(gè)點(diǎn)位時(shí)，自動(dòng)發(fā)出信號(hào)停止回退。

程序設(shè)計(jì)流程示意圖具體如圖10所示。

各檔位技術(shù)指標(biāo)由程序直接設(shè)定初始化寫(xiě)入。為方便使用，程序設(shè)計(jì)可編輯界面，可由專業(yè)人員對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

5 便攜式外觀設(shè)計(jì)

應(yīng)急狀態(tài)，一般是遠(yuǎn)離電源，同時(shí)要方便攜帶，因此本文設(shè)計(jì)在外觀上進(jìn)行了整合升級(jí)設(shè)計(jì)：

（1）將所有結(jié)構(gòu)件整合在一個(gè)箱體里面，箱體上方在有軟把手，方便攜帶外出;

（2）把擬氣囊的位置上方做了個(gè)翻蓋，以方便更換氣囊;

（3）為方便維修，箱體做成可拆卸形式，需要拆卸時(shí)可旋開(kāi)螺絲即可;

（4）從人體工學(xué)角度，LED屏幕和控制按鈕做到同一側(cè)面，方便使用者直觀和操作;

（5）為確保卡扣的穩(wěn)定性，采用了快擰螺絲結(jié)構(gòu)。

具體如圖11所示。

通過(guò)安裝調(diào)試，本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定安全，檔位符合患者使用習(xí)慣，實(shí)物如圖12所示。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)與醫(yī)用呼吸機(jī)不同的是，本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易呼吸機(jī)是基于人工呼吸氣囊設(shè)計(jì)的，它的本質(zhì)和人工呼吸氣囊一樣在于院前急救用的，也適用了院前急救中可能無(wú)電源的特點(diǎn);而我們常說(shuō)醫(yī)用呼吸機(jī)，主要是用在醫(yī)院或家里，用于維持適當(dāng)通氣量，改善氣體交換功能需要。醫(yī)院用的呼吸機(jī)可用于麻醉呼吸管理，可治療的疾病更廣，而家庭的主要是用于簡(jiǎn)單的慢阻肺呼吸衰竭治療，還有一些鼾癥的治療，這些不僅需要有電源，而且使用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不只是急救性質(zhì)。當(dāng)然，本文設(shè)計(jì)也可以通過(guò)設(shè)定恒定的擠壓量來(lái)確保特定場(chǎng)合的長(zhǎng)時(shí)間使用，但因?yàn)槿斯ず粑鼩饽业木窒扌?，使用性能和專業(yè)呼吸機(jī)有一定差距。

術(shù)業(yè)有專攻。本文設(shè)計(jì)采用了人工呼吸氣囊的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了人工氣囊的不足，最大效率地發(fā)揮了人工呼吸氣囊的急救作用，不失為一個(gè)很好的急救用品和應(yīng)急儲(chǔ)備，具有很高的社會(huì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：鄭潤(rùn)哲（2004— ），男，漢族，福建永春人，福建省廈門第一中學(xué)，研究方向：機(jī)械電子創(chuàng)新。