基于物聯(lián)網(wǎng)下新型呼吸機的設(shè)計研究

陳金虎　白浩笛　竹永寬　梁一星　童慧聰

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；呼吸機；遠程醫(yī)療

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0089-03

1 前言

當下，呼吸機作為臨床醫(yī)療中新一代重要醫(yī)療儀器，在預防和治療急慢性呼吸衰竭、減少呼吸類疾病帶來的各種并發(fā)癥，以及挽救患者和延長重癥患者生命過程中有著較為重要的意義。在現(xiàn)代康復醫(yī)療領(lǐng)域中，呼吸機也占據(jù)著十分重要的市場地位。由于呼吸機能夠直接替代人體的自主控制通氣功能，因此已被廣泛地應(yīng)用于治療各種原因?qū)е氯毖醯募甭院粑鞴偎ソ?、大手術(shù)搶救、麻醉性通氣呼吸復蘇管理和各種緊急呼叫復蘇治療中[1]。

2 研究目的和意義

2.1 研究背景

呼吸是人類生存不可或缺的一種新陳代謝方式，正常情況下，健康的人類可以通過呼吸攝入的氧氣滿足人體各器官氧化代謝的需要，但是如果呼吸系統(tǒng)的生理功能出現(xiàn)問題時，就需要像呼吸機一樣人工輸送氧氣的急救設(shè)備為醫(yī)生治療提供輔助且有效的幫助[2]。

近幾年，隨著全球環(huán)境污染的加劇，全球感染肺部疾病的人數(shù)已達6億之多，這使得呼吸機設(shè)備變得供不應(yīng)求。然而，任何技術(shù)的發(fā)展的同時也伴隨著問題的產(chǎn)生，呼吸機技術(shù)也同樣不可避免。因此，智能化呼吸機的出現(xiàn)迫在眉睫[3]。

2.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，醫(yī)院對呼吸機的使用存在一系列的問題，集中表現(xiàn)為：呼吸機參數(shù)的偏差、氣源不足、自檢失效、設(shè)備的管理和維護不到位。呼吸機參數(shù)出現(xiàn)偏差時，會嚴重影響到所得數(shù)據(jù)的精確性，甚至也會使得測量人員無法得出準確的判斷；氣源不足也會影響到呼吸機的使用，機器的零件損耗問題要及時處理，避免影響到設(shè)備的工作性能；自檢失效意味著呼吸機無法正常檢索自身的問題，可能導致問題無法及時解決；設(shè)備也需要定期保養(yǎng)，否則會出現(xiàn)短路、斷路、接觸不良等問題[4]。

現(xiàn)在市面上呼吸機的工作原理是根據(jù)人的常規(guī)呼吸在于內(nèi)外氣體的壓力差原理設(shè)計的，其主要的操作方式是人為控制氣體流速，但是不能根據(jù)患者實際需要隨時改變氣流速度，使患者呼吸系統(tǒng)長時間處于強氣流或弱氣流中，會對患者的呼吸系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害[5]。

2.3 研究現(xiàn)狀

本項目研究的新型智能呼吸機，是基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)實現(xiàn)對呼吸機使用情況的智能調(diào)控。呼吸機是一種能夠代替、控制或改變?nèi)说恼Ｉ砗粑黾臃瓮饬?，改善呼吸功能，減輕呼吸功能消耗， 節(jié)約心臟儲備能力的裝置。傳感技術(shù)是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，賦予了萬物“感官”功能。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器的感知層檢測并獲取物品信息完成初步的數(shù)據(jù)整合處理，依托傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)的相互協(xié)調(diào)感應(yīng)機制，并融合嵌入式計算、微電子、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過各類高度集成化的微型傳感器，實現(xiàn)實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息。而本項目研究的新型智能呼吸機是二者結(jié)合的產(chǎn)物，其發(fā)展前景與市場優(yōu)勢具有很大的潛力[6]。

2.4 研究意義

呼吸機的主要特點：1）重要性：其作用是搶救、通氣，它可以直接影響患者的搶救成功率；2）普及性：目前醫(yī)院、急診、ICU病房中均需使用呼吸機；3）價值性：機械呼吸技術(shù)和電子技術(shù)不斷發(fā)展，呼吸機作用日益增強，從而導致費用極高；4）復雜性：呼吸機內(nèi)部構(gòu)造復雜；5）危險性：呼吸機是一種與患者生命息息相關(guān)的急救儀器，構(gòu)造復雜且容易發(fā)生故障，有一定危險性。因而呼吸機的后期保障工作必須要做到位，以延長它的使用時間。呼吸機在使用后必須進行徹底的消毒和維護，以節(jié)省時間和提高搶救成功率。本項目研究的智能呼吸機便針對其特點和需求進行設(shè)計與改善，具體表現(xiàn)如下。

首先，本項目研究的智能呼吸機改變了現(xiàn)在市面上呼吸機人為控制氣體流速且長時間無法調(diào)控氣流強弱的弊端，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)實時監(jiān)測患者的呼吸情況，做出相應(yīng)氣流的改變，使其減少對患者呼吸系統(tǒng)的傷害；其次，通過傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)機制，判斷出患者的呼吸強弱情況，并實時調(diào)整為最適合患者現(xiàn)實情況的氣體流速，以達到對患者的有效治療，同時又使患者使用舒適；最后，在呼吸機的功能設(shè)計方面，為其氣管內(nèi)側(cè)添加了水分供給裝置，供需要長時間使用呼吸機的患者提供合適的水分補充，以保證患者鼻黏膜濕潤，達到幫助患者稀釋和排除痰液的作用，如圖1所示。

3 新型呼吸機的功能

3.1 遠程醫(yī)療監(jiān)護

新型呼吸機可以實時監(jiān)測患者的健康狀況，并且能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)傳到使用者的電子病例或醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)中，供醫(yī)務(wù)工作者隨時查看。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，可及時進行診斷和治療，提高診斷和治療水平。醫(yī)院和健康中心需將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更快、更好地應(yīng)用于遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，實現(xiàn)普遍的實時健康監(jiān)測和護理[7]。

3.2 智能調(diào)控

新型呼吸機可以隨時根據(jù)使用者的數(shù)據(jù)進行呼吸機數(shù)據(jù)參數(shù)的修改，以保證使用者能夠在自己需要的氣體環(huán)境下正常呼吸，而不是在醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置的參數(shù)，長時間呼吸同一強度下，特別是昏迷的使用者，醫(yī)生不能得到使用者的具體情況，這樣不僅會使使用者不適，還有可能損壞使用者的呼吸系統(tǒng)。新型呼吸機還可以在使用者各項數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)時，控制氣流強度，來引導使用者自己呼吸，從而增強呼吸系統(tǒng)的呼吸能力。

4 新型呼吸機的工作原理

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐漸興起，并且朝著未來智能化、自動化的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)是一種通過傳感網(wǎng)絡(luò)采集識別物品信息，并將其傳送至互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，通過后臺服務(wù)器上的信息分析處理過程，來實現(xiàn)對于物品的管理與控制。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠程醫(yī)療、遠程監(jiān)護等領(lǐng)域的應(yīng)用，呼吸機也在向著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，本文研究的呼吸機通過可選的Wi-Fi或藍牙方式與移動客戶端建立通信連接，可以進行實時參數(shù)、呼吸報告、遠程治療方案的傳遞，通過與遠程醫(yī)療服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療監(jiān)控和診斷等功能，如圖2所示。

4.1 信息的采集

為了保障儀器的靈敏度和數(shù)據(jù)的精確性，選擇用壓電傳感器作為呼吸測量的“感覺器官”，將其置入或連通氣道，調(diào)整好參數(shù)，它就可以用于檢測并獲取使用者信息并完成初步的數(shù)據(jù)整合處理。在醫(yī)療監(jiān)護應(yīng)用中，信息的采集通過傳感器節(jié)點來對監(jiān)護對象的生理信號或所在環(huán)境信息進行檢測。在呼吸機系統(tǒng)中，通過設(shè)置在氣道中的壓力傳感器或流量傳感器，新型呼吸機設(shè)備在為使用者提供氣體時，也在實時采集用戶的氣道壓力及流量信息，根據(jù)相關(guān)呼吸信號處理算法，獲取用戶在呼吸治療過程中的潮氣量、呼吸頻率等參數(shù)，并對各種呼吸異常情況進行檢測與處理，如圖3所示。

4.2 信息的傳送

傳送功能負責實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信功能，傳輸方式可以選擇Wi-Fi、藍牙等短距離傳輸方式，也可以通過GSM、GPRS等遠程數(shù)據(jù)通信方式。呼吸機系統(tǒng)提供了可選的Wi-Fi與藍牙兩種數(shù)據(jù)通信方式來完成用戶治療數(shù)據(jù)的傳輸。通過Wi-Fi或藍牙方式，呼吸機控制系統(tǒng)可以將檢測到的氣道壓力、呼吸流量、潮氣量等治療參數(shù)實時傳遞至移動客戶端，還可以在一次完整的呼吸治療過程結(jié)束后根據(jù)用戶的治療數(shù)據(jù)生成呼吸報告?zhèn)魉椭烈苿涌蛻舳?，并由移動客戶端將用戶治療?shù)據(jù)上傳至遠程醫(yī)療服務(wù)器，實現(xiàn)遠程醫(yī)療監(jiān)控功能。

4.3 信息的反饋

新型呼吸機通過獲得的數(shù)據(jù)與世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)進行比較，如果所得數(shù)據(jù)與衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)相差較大，將會啟動預警信號發(fā)給使用者的主治醫(yī)生，讓醫(yī)生可以更快地了解到使用者的相關(guān)信息。同時新型呼吸機也將啟動自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變相應(yīng)的呼吸機參數(shù)，使使用者達到最適的氣體環(huán)境下，為醫(yī)生的準備提供充足的時間。在平時的醫(yī)療監(jiān)護應(yīng)用中，呼吸機服務(wù)器對使用對象的生理參數(shù)或醫(yī)療數(shù)據(jù)進行存儲，可以提供給醫(yī)療專家進行病情監(jiān)控，通過對相關(guān)治療數(shù)據(jù)的分析，醫(yī)療專家可以進行遠程診斷，并將診療方案傳遞給使用對象，從而降低疾病治療的難度。

5 結(jié)束語

隨著中國科學技術(shù)和醫(yī)療水平的不斷提高，我們不僅要更好更快地治療患者，更要讓患者在接受治療時減輕痛苦。未來物聯(lián)網(wǎng)在臨床數(shù)據(jù)中的應(yīng)用，將有助于提高相應(yīng)儀器的性能，識別數(shù)據(jù)資源的整合，減輕醫(yī)療專業(yè)人員的工作量，有助于深化數(shù)據(jù)管理，減少差錯和事故，提高運行效率，提高現(xiàn)代醫(yī)院管理水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，醫(yī)院將會轉(zhuǎn)變?yōu)槿诵曰?、主動、精準、?chuàng)新的服務(wù)模式，實現(xiàn)智能管理、臨時醫(yī)療流程、智能供應(yīng)鏈管理等，滿足人們對高質(zhì)量醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的需求。