用于新冠肺炎治療的智能肺泡灌洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究*

周琪，趙忠源，趙展，宋成利△，王偉

(1.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093;2.海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433)

引言

目前盡管新冠肺炎疫情形勢得到初步控制，但通過對新冠肺炎病例相關(guān)文獻(xiàn)查詢、結(jié)合世界范圍內(nèi)疫情動態(tài)情況，并根據(jù)該病毒的病原學(xué)、流行病學(xué)等[1-2]特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，其呈現(xiàn)出大流行病的特征[3]，將會反復(fù)出現(xiàn)，因此，新冠肺炎需要進(jìn)行長期防治工作。

根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)解剖以及病理學(xué)分析顯示，新冠病毒主要攻擊肺部，累積部位為下呼吸道[4]，且新冠肺炎患者肺泡內(nèi)會產(chǎn)生粘稠的膠凍狀粘液，肺泡間質(zhì)的大量細(xì)胞浸潤和間質(zhì)纖維化也使得肺泡壁的正常氣體O2、CO2交換功能受到理性化屏蔽和失能[5-6]，直接導(dǎo)致細(xì)胞組織器官壞死，增加病患死亡概率?，F(xiàn)階段針對新冠肺炎患者的診斷的樣本來源有鼻咽拭子、痰液、血液、糞便以及支氣管肺泡灌洗液等[7-9]，但常因錯(cuò)誤的診斷方式導(dǎo)致診斷結(jié)果為假陰性或假陽性，耽誤最佳的診療時(shí)間[10]。

通過不同類型臨床標(biāo)本中新冠病毒的檢測研究顯示，支氣管肺泡灌洗液在所有臨床標(biāo)本中的陽性檢測率最高，相比于現(xiàn)階段常用的鼻咽拭子具有更準(zhǔn)確的檢測精度[11-12]，對新冠肺炎診斷有更高的準(zhǔn)確性；此外，肺泡灌洗操作還可以清除肺泡內(nèi)物質(zhì)、改善呼吸功能、緩解肺炎癥狀，從而達(dá)到治療肺炎的作用[13-16]。

基于上述原因，纖維支氣管鏡肺泡灌洗在新冠肺炎診治中具有重要意義。但是傳統(tǒng)的纖維支氣管鏡肺泡灌洗不僅操作復(fù)雜，且不能精準(zhǔn)控制操作過程中出現(xiàn)的系列參數(shù)，給醫(yī)護(hù)人員帶來諸多不便，甚至影響治療效果，降低手術(shù)操作成功率。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種結(jié)合纖維支氣管鏡肺泡灌洗的智能化灌洗系統(tǒng)，以降低醫(yī)護(hù)人員因缺乏實(shí)操經(jīng)驗(yàn)造成不良影響的概率，達(dá)到精確控制灌洗操作的目的，為之后的纖維支氣管鏡肺泡灌洗診治新冠肺炎的相關(guān)設(shè)備提供研發(fā)基礎(chǔ)，為新冠肺炎的診治提供更優(yōu)方案。

1 材料與方法

本研究研發(fā)了一種用于新冠肺炎的治療的智能肺泡灌洗系統(tǒng)，旨在開展關(guān)于智能肺泡灌洗系統(tǒng)的前期實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料主要選取與臨床操作一致的室溫生理鹽水，配合支氣管鏡配套設(shè)備使用，設(shè)置固定的灌洗時(shí)間，通過改變?nèi)鋭颖玫霓D(zhuǎn)速來控制灌注生理鹽水的體積流量，監(jiān)測在不同流速下灌注時(shí)的壓力，模擬肺泡灌洗的操作實(shí)驗(yàn)。探究灌洗過程中速度、流量以及不同灌洗速度下壓力的變化情況，驗(yàn)證肺泡灌洗系統(tǒng)的功能。

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺搭建

本研究的肺部模擬灌洗系統(tǒng)包括：肺支氣管模型聯(lián)合纖維支氣管鏡，配合自制的智能控制裝置以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的醫(yī)用臺車和監(jiān)視器等共同組成實(shí)驗(yàn)平臺，模擬完成整個(gè)肺泡灌洗的全部操作過程。肺部模擬灌洗系統(tǒng)示意圖見圖1(a)，支氣管鏡配套設(shè)備以及肺支氣管模型實(shí)物圖見圖1(b)。

圖1 (a).肺部模擬灌洗系統(tǒng)示意圖；(b).支氣管鏡配套設(shè)備及肺支氣管模型實(shí)物圖Fig.1 (a).Schematic diagram of pulmonary simulation lavage system;(b).Bronchoscopy equipment and bronchial model of the physical picture

將肺支氣管模型放置在醫(yī)用臺車上，醫(yī)用臺車連接好電源后方可開啟監(jiān)視器，使用纖維支氣管鏡配套設(shè)備(包括支氣管鏡、光源攝像一體機(jī))，將支氣管鏡插入肺支氣管模型內(nèi)，可在監(jiān)視器上顯示出肺支氣管模型內(nèi)部情況，進(jìn)而進(jìn)行肺泡灌洗操作，對肺支氣管模型內(nèi)部情況進(jìn)行觀察。

另外，其他的具體實(shí)施情況為將蠕動泵的兩端連接橡膠管，其中橡膠管的一端連接儲液瓶，另一端連接三通管，三通管上方連接壓力變送器，壓力變送器通過主控MCU進(jìn)行控制；三通管左右兩端連接橡膠管，其中一端與支氣管鏡的注水口相連，支氣管鏡的出水口連接橡膠管至灌洗液回收瓶，灌洗液回收瓶連接負(fù)壓吸引器來實(shí)現(xiàn)灌洗液的回收。整體的智能灌洗實(shí)驗(yàn)平臺工作示意圖見圖2。

圖2 智能灌洗實(shí)驗(yàn)平臺工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent irrigation experimental platform

結(jié)合現(xiàn)有的臨床資料和理論基礎(chǔ)，根據(jù)中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會在2017年發(fā)表的關(guān)于肺泡灌洗的中國專家共識[15]，按照肺泡灌洗的操作標(biāo)準(zhǔn)和臨床參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，要求肺泡灌洗操作需要經(jīng)纖維支氣管鏡注入孔道快速注入室溫滅菌生理鹽水，每次注入20～50 mL，分3～4次注入，注入總量達(dá)到60～120 mL；且在每次注入生理鹽水后，要立即快速使用負(fù)壓吸引相關(guān)設(shè)備進(jìn)行吸引操作，負(fù)壓的范圍是在80～100 mmHg(6.7～13.3 kPa),最后要求總的灌洗液回收率≥30%即為合格。

根據(jù)上述的一些參數(shù)可知，要求在灌注生理鹽水時(shí)，速度應(yīng)較快，每次注入的時(shí)間約為5～6 s，進(jìn)而可以得出注入的速度應(yīng)達(dá)到180～600 mL/min，因此，本研究將根據(jù)注入速度來確定蠕動泵的選型[17-20]；此外，在進(jìn)行灌洗操作過程中，對灌注時(shí)的壓力同樣也有一定要求。灌注壓力過大將會導(dǎo)致肺組織表面滲出灌洗液，引發(fā)其他病變等[21]，要保證灌注時(shí)其產(chǎn)生的壓力在一定范圍內(nèi)，避免過大的情況，為此，本研究采用精度較高的壓力變送器去采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測壓力值。

1.2 智能控制裝置設(shè)計(jì)

智能控制裝置主要由主控MCU、供電電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、調(diào)速信號放大模塊、電流監(jiān)測模塊以及啟停和方向控制模塊組成。智能控制裝置的電路結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 智能控制裝置電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Circuit structure diagram of intelligent control device

其中，蠕動泵(型號為S300-2B+JZ15A，迪睿電子科技)主要由滾輪、軟管、泵頭和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。泵頭型號為JZ15A,擁有兩滾輪，管路設(shè)計(jì)中采用的軟管內(nèi)徑×外徑為(6.4×9.6) mm，步進(jìn)電機(jī)采用的是2相4線步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)工作帶動滾輪，滾輪擠壓軟管，完成灌注液體動作。電機(jī)的部分參數(shù)見表1。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表Table 1 Parameters of stepper motor

由表1可知，本研究所選的蠕動泵最高轉(zhuǎn)速為300 rpm,調(diào)速輸入電壓為0～10 V，每個(gè)電壓都對應(yīng)著相應(yīng)的蠕動泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)轉(zhuǎn)速需求，設(shè)所需蠕動泵的已知轉(zhuǎn)速為a,該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的未知電壓為U。則轉(zhuǎn)速a與所需電壓U之間的關(guān)系如下：

(1)

主控MCU選擇以STM32F103RCT6為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，對整個(gè)電路進(jìn)行控制；供電電源模塊選擇LM7812L、LM7805T和LM1117-3.3T芯片，對DC24V轉(zhuǎn)12 V再轉(zhuǎn)3.3 V進(jìn)行降壓，從而實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的供電；電機(jī)驅(qū)動模塊采用的是高微步兩相式雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TB5128FTG(東芝公司)，細(xì)分?jǐn)?shù)為128，在降低功耗的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高精度控制；調(diào)速信號放大模塊采用的是LM2904ST芯片(ST公司)，此模塊主要完成對3.3 V輸入電壓放大至0～10 V范圍內(nèi)進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)對蠕動泵轉(zhuǎn)速的控制[22-23]；電流監(jiān)測模塊采用的INA240A1PWR芯片(德州儀器)，可以對壓力變送器輸出的信息進(jìn)行采集，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成壓力值[24]，從而監(jiān)測灌洗過程中的壓力值；啟停和方向控制模塊主要利用MOS管對繼電器的控制，以實(shí)現(xiàn)啟停和轉(zhuǎn)動方向的控制。其中，電流監(jiān)測模塊的作用至關(guān)重要。

1.2.1電流監(jiān)測模塊設(shè)計(jì) 電流監(jiān)測模塊需要配合壓力變送器，對肺泡灌洗模擬實(shí)驗(yàn)操作中壓力值進(jìn)行采集。本研究所用的二線制壓力變送器(型號為WMB2012-HS，燁立工控)。該壓力變送器部分參數(shù)見表2。

表2 壓力變送器參數(shù)表Table 2 Parameters of pressure transmitter

由壓力變送器參數(shù)表可知，該型號的壓力變送器測量出的壓力值是通過對應(yīng)的輸出電流來換算實(shí)現(xiàn)的，那么根據(jù)壓力變送器的量程范圍以及對應(yīng)的輸出電流范圍，設(shè)被求壓力的已知實(shí)際輸出電流值為i,被求電流點(diǎn)對應(yīng)的未知壓力值為P。則壓力P與電流i之間的關(guān)系如下：

P=35×(i-4)/16

(2)

在電路方面，采用INA240A1PWR芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片是一款電壓輸出、電流檢測放大器，其最大的特性是具有增強(qiáng)型 PWM 抑制功能。該功能可精確測量電流，避免輸出電壓產(chǎn)生較大的瞬變及相應(yīng)的恢復(fù)紋波。可用的固定增益為20 V/V，供電電壓為2.7～5.5 V，電路設(shè)計(jì)簡單，且完全可以滿足系統(tǒng)需求。

2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)材料主要選取室溫生理鹽水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。設(shè)定實(shí)驗(yàn)的組數(shù)共5組，每組實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置蠕動泵的速度為40、80、120、160和200 r/min,固定灌注時(shí)間為20 s，準(zhǔn)備兩個(gè)量杯，一個(gè)量杯內(nèi)放入足量生理鹽水，另一個(gè)量杯記錄經(jīng)過灌注后生理鹽水的體積，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，取平均值后作為該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的流量[25]。

通過式(1)對蠕動泵在不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的調(diào)速輸入電壓進(jìn)行換算，并做出如下參數(shù)設(shè)置，得出不同轉(zhuǎn)速下應(yīng)進(jìn)行的電壓值設(shè)置，詳見表3。

表3 調(diào)速輸入電壓參數(shù)表Table 3 Parameters of adjustable speed input voltage

將得到的每組實(shí)驗(yàn)中蠕動泵轉(zhuǎn)速和與之對應(yīng)的流量數(shù)據(jù)記錄下來，利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制出兩者關(guān)系的散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合[22,25]，得出蠕動泵轉(zhuǎn)速和該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的流量關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析見圖4。

圖4 蠕動泵轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系擬合曲線圖Fig.4 Fitting curve of relation between speed and flow of peristaltic pump

由蠕動泵轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系擬合曲線圖可知，轉(zhuǎn)速與流量之間的關(guān)系如下：

y=1.6945x

(3)

式中,y是蠕動泵轉(zhuǎn)速；x為蠕動泵流量；決定系數(shù)R2=0.9897。

同時(shí)，記錄5組實(shí)驗(yàn)在不同轉(zhuǎn)速下灌注液體時(shí)的壓力值，以便對速度與壓力值進(jìn)行分析。首先記錄每組實(shí)驗(yàn)的輸出電流，通過式(2)換算成壓力值，并取平均值作為該轉(zhuǎn)速下的壓力取值。每組實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速與壓力值的關(guān)系見圖5。

圖5 蠕動泵轉(zhuǎn)速與灌注時(shí)壓力值關(guān)系圖Fig.5 Relationship between peristaltic pump speed and pressure value during infusion

由圖5可知，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析得到擬合曲線。y是灌注時(shí)壓力值；x為蠕動泵轉(zhuǎn)速；決定系數(shù)R2=0.9085。轉(zhuǎn)速與灌注時(shí)壓力值的擬合曲線關(guān)系如下：

y=0.0969x+7.852

(4)

表4 智能控制裝置精度表Table 4 Precision table of intelligent control device

(5)

取4組實(shí)驗(yàn)中對應(yīng)的精度的最低值作為智能控制裝置流量精度值。再結(jié)合圖4的擬合關(guān)系，智能控制裝置流量精度為94.40%。

3 討論

本研究利用自制的智能控制裝置加入到肺泡灌洗操作中，以簡化灌洗操作的復(fù)雜性，提高灌洗操作的智能性。根據(jù)蠕動泵轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)可知，智能控制裝置在不同的調(diào)速輸入電壓下進(jìn)行輸入時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，流量也隨之增加，且由線性回歸分析結(jié)果顯示，決定系數(shù)R2為0.9897，充分反映流量和速度是高度線性相關(guān)的。

通過智能控制裝置轉(zhuǎn)速與流量的擬合精度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證灌洗操作時(shí)速度與流量能否滿足需求。結(jié)果顯示，該裝置流量精度為94.40%。根據(jù)蠕動泵轉(zhuǎn)速與灌注液體時(shí)壓力關(guān)系實(shí)驗(yàn)，圖5中的實(shí)驗(yàn)曲線顯示壓力值隨著轉(zhuǎn)速的提高有一定增加。以上實(shí)驗(yàn)表明，智能控制裝置可以實(shí)現(xiàn)較為精確的流量輸出，可以滿足灌洗時(shí)對速度和流量的要求。

4 結(jié)論

本研究研制了一種用于新冠肺炎的智能肺泡灌洗系統(tǒng)。智能肺泡灌洗系統(tǒng)配合支氣管鏡等設(shè)備，主要利用STM32對蠕動泵和壓力變送器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)肺泡灌洗操作中要求達(dá)到的相關(guān)參數(shù)。為了滿足灌洗系統(tǒng)的部分功能性要求，對該系統(tǒng)中的灌洗速度、流量以及壓力監(jiān)測開展了一些前期實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以對壓力進(jìn)行監(jiān)測，并可對速度及流量進(jìn)行較為精準(zhǔn)的控制。因此，智能肺泡灌洗系統(tǒng)可以滿足肺泡灌洗操作的功能性要求，可為后續(xù)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供參考。