呼吸機(jī)用比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范昊男，黎明，張續(xù)，卯寧

深圳哈維生物醫(yī)療科技有限公司 研發(fā)部，廣東 深圳 518100

引言

呼吸機(jī)是一種能夠給無(wú)法自主呼吸或者自主呼吸通氣不足的患者提供機(jī)械通氣的裝置，它主要用于重癥監(jiān)護(hù)室麻醉、急救以及居家護(hù)理等領(lǐng)域。隨著呼吸機(jī)臨床需求的不斷增加，技術(shù)也逐漸成熟，目前已發(fā)展為具有流量控制、壓力控制、氣體濃度控制、波形監(jiān)測(cè)、自動(dòng)觸發(fā)、報(bào)警提醒等功能的現(xiàn)代呼吸機(jī)，對(duì)保障人類的呼吸健康具有重要作用[1-3]。

比例閥作為一種開(kāi)度連續(xù)可調(diào)的電控閥門，常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓氣源輸入呼吸機(jī)內(nèi)流量的精密控制，是帶高壓氣源接口呼吸機(jī)的核心關(guān)鍵元器件之一，它的運(yùn)行精確性與可靠性與患者生命安全密切相關(guān)[4-5]。研究表明，比例閥的閥門開(kāi)度與流經(jīng)它的電流呈正相關(guān)，更大的電流對(duì)應(yīng)更大的閥門開(kāi)度，通常比例閥的廠商會(huì)提供一個(gè)針對(duì)特定氣源壓力的通過(guò)比例閥的氣體流量與電流的滯回曲線圖，且滯回曲線越窄，線性度越高，則代表比例閥的性能就越好。在比例閥的實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的高精度控制，會(huì)將它與流量傳感器搭配構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)[6-10]。在比例閥的長(zhǎng)期運(yùn)行中，它的滯回曲線可能會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而可能影響閥門控制系統(tǒng)的性能，因此需要對(duì)閥門控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷[11-14]。現(xiàn)有關(guān)于呼吸機(jī)比例閥控制的研究多集中于比例閥自身的運(yùn)行控制上，如比例閥的模糊控制方法，這些研究并沒(méi)有針對(duì)比例閥長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，不能識(shí)別比例閥的異常狀態(tài)[6-8]。為了實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)中比例閥的長(zhǎng)期精密穩(wěn)定運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一套呼吸機(jī)用比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，旨在通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門輸出流量的精密控制，并對(duì)閥門的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別由于長(zhǎng)期運(yùn)行以及其他原因?qū)е碌拈y門故障，以期提升呼吸機(jī)的可靠性和安全性。

1 比例閥控制的最小系統(tǒng)

呼吸機(jī)比例閥的最小系統(tǒng)如圖1所示，它包含了高壓氣源、將高壓氣體縮減到指定壓力的減壓閥、用于流量控制的比例閥、測(cè)量流經(jīng)比例閥流量的流量傳感器以及根據(jù)流量傳感器采集到的流量對(duì)比例閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整的控制板；同時(shí)圖1中高壓氣源經(jīng)機(jī)械式減壓閥后的壓力為0.4 bar左右。比例閥來(lái)源于ASCO公司（美國(guó)），其最大輸入電壓為12 V，相應(yīng)的最大電流為210 mA，實(shí)際測(cè)試表明，該比例閥的開(kāi)啟電壓為4.5 V左右。在實(shí)際應(yīng)用中，采用幅值為12 V、頻率為15 kHz的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)驅(qū)動(dòng)，利用面積等效原理，通過(guò)控制PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥的等效直流電壓控制[15-16]。

圖1 比例閥最小系統(tǒng)框圖

流量傳感器來(lái)源于SENSIRION（德國(guó)），它的量程為±200 L/min，最短更新時(shí)間為0.5 ms，全量程范圍內(nèi)的精度為±2.5%。在實(shí)際應(yīng)用中，流量傳感器的采樣頻率設(shè)定為1 kHz?？刂瓢寤赟TM32F4系列芯片，根據(jù)來(lái)源于流量傳感器的氣體流量值對(duì)比例閥進(jìn)行閉環(huán)控制。

2 比例閥特性測(cè)試與分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥的精密控制及運(yùn)行狀態(tài)診斷，本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的比例閥進(jìn)行不同溫度下的性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析。

2.1 測(cè)試條件

比例閥的標(biāo)稱工作溫度為0～50℃，比例閥的性能曲線會(huì)受到溫度的影響，因此在0～50℃的區(qū)間內(nèi)，以10℃為步長(zhǎng)，分別對(duì)比例閥的輸入輸出特性進(jìn)行測(cè)試。比例閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是幅值為12 V的PWM電壓信號(hào)，PWM的占空比受主控芯片上的12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital-Analog Converter，DAC）的輸出電壓控制，該DAC的輸入（也稱DA指令）范圍是0～4095。具體內(nèi)容：測(cè)試DA的輸入范圍為150～4095，步長(zhǎng)為50，對(duì)應(yīng)等效直流電壓為3.87～12.00 V，步長(zhǎng)為0.1152 V。通過(guò)電壓逐步遞增的上行測(cè)試，以及反向的逐步遞減的下行測(cè)試來(lái)衡量比例閥在不同溫度下的壓力流量性質(zhì)及其滯回性。

2.2 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 測(cè)試結(jié)果

在高低溫箱中測(cè)試得出的比例閥的電壓與流量關(guān)系曲線如圖2～3所示。圖2與圖3的區(qū)別在于橫坐標(biāo)的單位不同。如圖2所示，在0～40℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，比例閥電壓流量曲線整體逐漸向右偏移，同時(shí)曲線的滯回性逐漸增大，最大流量逐漸降低。高于40℃后，電壓流量曲線變化極小。另外，在各個(gè)溫度下，電壓與流量的關(guān)系曲線均表現(xiàn)出了明顯的分段特性，即以17 L/Min的流量值為分界點(diǎn)，流量高于17 L/min是滿足線性關(guān)系，低于17 L/min是近似滿足冪次關(guān)系。

圖2 比例閥輸入電壓與流量關(guān)系圖

圖3 比例閥控制DA與流量關(guān)系圖

為保證比例閥在不同溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，根據(jù)圖2～3中的實(shí)測(cè)關(guān)系曲線，在比例閥所在的控制系統(tǒng)中將最大輸出流量限定在120 L/min，在此限定條件下，比例閥的電壓流量關(guān)系曲線在各個(gè)溫度下都近似滿足分段線性關(guān)系，且在比例閥未出現(xiàn)老化及損壞等情況下，限定的最大流量120 L/min都是可達(dá)的。

2.2.2 溫度特性分析

針對(duì)流量為0～120 L/min的測(cè)試數(shù)據(jù)，將各溫度下所測(cè)得的滯回曲線取平均值后得到單一曲線，基于該曲線對(duì)比例閥的溫度漂移特性進(jìn)行分析。0～50℃分別對(duì)應(yīng)溫度漂移的上確界與下確界，以二者的平均值曲線為基準(zhǔn)來(lái)評(píng)估各溫度下的曲線偏移程度。

以各溫度下所得曲線橫向平移到基準(zhǔn)曲線所需距離來(lái)定義曲線的溫度偏離程度。以50個(gè)DA為基準(zhǔn)步長(zhǎng)，應(yīng)用最小二乘法[16]使經(jīng)平移后各溫度下曲線與基準(zhǔn)曲線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的均方誤差和最小，經(jīng)計(jì)算可得0～50℃平均曲線相對(duì)于基準(zhǔn)曲線的偏移距離分別為-6、-3、-1、3、6、7個(gè)步長(zhǎng)。由此可得出，在0～40℃的區(qū)間內(nèi)，溫度每升高10℃，平均曲線向右約平移3個(gè)步長(zhǎng)，即150個(gè)DA，在0～50℃的溫度區(qū)間內(nèi)，比例閥特性曲線相對(duì)于基準(zhǔn)曲線的最大偏離程度為±350個(gè)DA。

2.2.3 分段特性分析

以17 L/min為界，將圖3中的滯回曲線取平均值合并為一條曲線后再分割為兩部分，可得到圖4～5。對(duì)圖4中各個(gè)曲線進(jìn)行線性最小二乘擬合[17-18]，擬合后0、10、20、30、40、50℃的直線斜率參數(shù)分別為0.07670、0.07232、0.06977、0.0655、0.06113、0.06146，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.995，滿足線性關(guān)系。以三次冪函數(shù)為模型對(duì)圖5中的曲線進(jìn)行擬合，擬合精度均大于0.995，表明圖5中曲線符合三次冪函數(shù)關(guān)系。

圖4 線性段控制DA流量曲線

圖5 冪次關(guān)系段控制DA流量關(guān)系曲線

在0～50℃區(qū)間內(nèi)，流量高于17 L/min時(shí)，擬合曲線的斜率介于0.06～0.08之間，可利用這一性質(zhì)對(duì)比例閥的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，當(dāng)比例閥的控制DA流量曲線的斜率偏離上述區(qū)間一定程度后，即提示用戶需檢修或者更換比例閥，從而保障設(shè)備使用安全性。

3 比例閥控制及診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 比例閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖2中比例閥在不同溫度下電壓與流量關(guān)系的實(shí)測(cè)曲線可知，比例閥的控制DA指令（u）與氣體流量（Q）的關(guān)系可用公式（1）表達(dá)，式中k，k1，k2，k3，c1，c2為待定常數(shù)，Δ1與Δ2為曲線的線性擬合誤差。由于不同的比例閥具有一定的一致性差異，且比例閥的運(yùn)行特性曲線受溫度、上行、下行等因素的影響較大，因此公式（1）中參數(shù)k1、k2、k3、c1、k、c2的真實(shí)取值難以準(zhǔn)確確定，因此采用圖6中的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于指令流量（Q*）與真實(shí)流量（Q）的誤差（e，e=Q*-Q）的反饋來(lái)對(duì)控制比例閥的指令DA進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)比例閥流量的閉環(huán)控制。當(dāng)流量誤差等于0時(shí)，比例閥需要一定的DA來(lái)維持流量，因此圖6中的控制器采用誤差積分控制器[19-20]，其表達(dá)式如公式（2）所示，式中ki為控制器的積分增益系數(shù)。

圖6 比例閥控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)實(shí)際調(diào)試，積分控制器參數(shù)選取為0.4。針對(duì)50 L/min的階躍流量控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示；針對(duì)基線為50 L/min、振幅為20 L/min、角頻率為5 rad/s的正弦流量指令測(cè)試結(jié)果如圖8所示。圖9為圖7和圖8的局部放大顯示，由圖9可知，針對(duì)階躍流量指令測(cè)試，圖中的流量來(lái)源于流量傳感器的測(cè)量誤差，剔除野值后抖動(dòng)范圍介于48.5～51.5 L之間，相對(duì)于指令流量50 L/min為±3%，對(duì)流量傳感器采集數(shù)據(jù)濾波后流量范圍在49.5～50.5 L/min之間，控制精度優(yōu)于±1%。此外，對(duì)于階躍流量指令，系統(tǒng)的超調(diào)量幾乎為零。針對(duì)正弦指令流量跟蹤控制，最大超調(diào)量小于1.5 L/min，偏差在2.2%以內(nèi)，上述指標(biāo)能夠滿足設(shè)備對(duì)流量控制精度的要求[21]。

圖7 比例閥階躍流量控制曲線

圖8 比例閥正弦流量控制曲線

圖9 比例閥流量控制效果圖

3.2 比例閥運(yùn)行狀態(tài)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

在比例閥的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)其控制DA信號(hào)以及流量信號(hào)進(jìn)行保存、判斷和分析，具體為當(dāng)控制DA為50的整倍數(shù)時(shí)，存儲(chǔ)一次控制DA信號(hào)以及相應(yīng)的流量傳感器采集到的流量。根據(jù)圖3中不同溫度下的控制DA和流量的關(guān)系曲線，以0℃和50℃曲線為基準(zhǔn)，在對(duì)應(yīng)的控制DA下，當(dāng)讀取到的流量超出以0℃和50℃曲線為邊界的內(nèi)部區(qū)域10%時(shí)，向用戶發(fā)送比例閥檢修提示。另外，每10 s對(duì)流量高于17 L/min的存儲(chǔ)信號(hào)進(jìn)行1次分析。流量高于17 L/min時(shí)，比例閥的DA流量曲線呈線性關(guān)系，采用最小二乘的方法對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合曲線的斜率應(yīng)介于0.06～0.08之間，如超出此區(qū)間，向用戶發(fā)送檢修提示。

在室溫下，以基線為50 L/min，振幅為20 L/min，角頻率為5 rad/s的流量指令作為測(cè)試指令，將上述提出的診斷系統(tǒng)采集到的10 s內(nèi)的DA流量信號(hào)繪制成圖10，從圖10中可以看出，10 s內(nèi)的數(shù)據(jù)未超出以0℃和50℃曲線為邊界的內(nèi)部區(qū)域，對(duì)10 s內(nèi)的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后得到擬合曲線的斜率為0.06207，位于0.06～0.08的合理區(qū)間內(nèi)，表明比例閥處于正常工作狀態(tài)。

圖10 比例閥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖

3 討論

呼吸機(jī)使用壽命較長(zhǎng)，醫(yī)用呼吸機(jī)通常為8年，在呼吸機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，呼吸機(jī)的比例閥將會(huì)逐漸出現(xiàn)老化等異常情況，這種異常將會(huì)給患者帶來(lái)不確定的風(fēng)險(xiǎn)。搭載這套比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)的呼吸機(jī)則可以在實(shí)現(xiàn)高精度氣流量控制的同時(shí)，對(duì)比例閥的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，根據(jù)本文提出的方法及診斷指標(biāo)，一旦比例閥工作狀態(tài)被判定為異常，呼吸機(jī)系統(tǒng)就能夠及時(shí)地通過(guò)器件維護(hù)報(bào)警提醒醫(yī)務(wù)人員通知廠家對(duì)機(jī)器進(jìn)行檢修，該系統(tǒng)有效規(guī)避了由比例閥長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行老化帶來(lái)的不確定風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的呼吸機(jī)用比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)在不濾除傳感器噪聲的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)±3%的流量控制精度，濾除傳感器噪聲后控制精度優(yōu)于±1%，且針對(duì)階躍流量指令基本無(wú)超調(diào)量，優(yōu)于陳繼偉等[6]研究中5.56%的超調(diào)量，以及劉景康等[8]研究中±4%的穩(wěn)態(tài)誤差。此外，現(xiàn)有的關(guān)于比例閥的研究多集中于對(duì)比例閥的控制，未見(jiàn)到有涉及比例閥運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的研究，本文創(chuàng)新地將比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷整合為一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)比例閥運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)提取與診斷，當(dāng)比例閥自身出現(xiàn)故障時(shí)，呼吸機(jī)能夠及時(shí)報(bào)警，提高了呼吸機(jī)整體的可靠性，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的呼吸機(jī)用比例閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)比例閥流量的精確控制，以及實(shí)時(shí)地采集比例閥的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)地對(duì)比例閥的運(yùn)行狀態(tài)做出診斷。當(dāng)比例閥運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)提醒醫(yī)務(wù)人員更換備用呼吸機(jī)并通知廠家進(jìn)行設(shè)備檢修，可有效避免由于比例閥故障而對(duì)患者造成的傷害，提升了呼吸設(shè)備的整體安全性，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。