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家用呼吸机改进与测试平台

作者:孙晓伟时间:2017-05-26来源:电子产品世界
编者按:家用呼吸机是针对睡眠呼吸暂停低通气综合症患者家庭治疗的设备,检测患者呼吸管路中通气压力与流量,判断患者低通气状态与打鼾状态,根据上述参数调整风机状态,抑制患者疾病发展,搭建测试平台,建立各种患者呼吸系统数学模型,在原算法基础上进行改进,使患者感受更舒适。

作者/ 孙晓伟  泰锐菲克(天津)医疗科技有限公司(天津 300384)

本文引用地址:/article/201705/359750.htm

孙晓伟(1985-),男,硕士,中级工程师,研究方向:医疗器械研发与设计工作。

摘要:家用呼吸机是针对睡眠呼吸暂停患者家庭治疗的设备,检测患者呼吸管路中通气压力与流量,判断患者低通气状态与打鼾状态,根据上述参数调整风机状态,抑制患者疾病发展,搭建,建立各种患者呼吸系统数学模型,在原算法基础上进行改进,使患者感受更舒适。

序言

  家用呼吸机简称持续气道内正压通气,它是治疗睡眠呼吸暂停有效的办法。在睡眠时佩戴一个鼻面罩,鼻面罩与呼吸机连接,通过呼吸机提供一个压力,将上呼吸道冲开,使得上气道通畅,减轻气流阻塞,达到治疗打鼾与呼吸暂停等症状[1]

1 系统组成

  系统组成如图1所示,包括主系统、辅助系统、风机、人机界面、压力传感器、流量传感器等。

  主系统完成传感器采样、风机调速、人机界面交互、数据存储等功能。

  辅助系统完成温湿度调节与加热板控制等功能,辅助主系统工作。

  除上述功能外,还需要将采集的数据存储在SD卡上,便于医师读取采集数据,根据患者状况调整治疗方案。同时,加入血氧模块分析睡眠质量,加入无线WIFI将数据传输到云端等功能。

2 硬件电路

  系统中采用电源适配器将交流电转换为直流24V供电机使用,系统其余部分电压为3.3V,考虑到电压差过大,采用两级电源轨,先将24V转换为5V,采用DC/DC方式,因LDO方式不适宜用于压差较大电路,5V转3.3V电源轨采用LDO方式。这样的电源轨方式可保障系统可靠运行。

  风机采用两极三相无刷无霍尔直流电动机外加双叶轮组成,采用BLDC控制方式。电机驱动芯片采用TI公司的DRV10983,与主控芯片采取I2C通讯方式,输出信号U、V、W接电机三相绕组,电机额定转速15000转/分钟,负载10cmH2O,图2为其原理框图。

  压力传感器采用霍尼韦尔公司的电路板级传感器,压力传感器精度要求为±1.5%,因呼吸机监测需要保证压力偏差≤0.5cmH2O,接口采用I2C模式。

  流量传感器采用Sensirion的板级传感器SDP711,流量传感器精度要求为±5%,流量监测指标要求偏差≤20%,接口同样采用I2C模式。该流量传感器为压差式传感器,需要根据压力差值对应数据表,计算出实际流量值。

  温/湿度传感器采用Sensirion新一代SHT20传感器,它嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚DFN封装,传感器输出经过标定的数字信号,标准I2C格式。SHT20 的分辨率可以通过输入命令进行改变,传感器可以检测到电池低电量状态,并且输出校验和有助于提高通信的可靠性[2]

  LCD采用深圳天马微电子型号为TM176220B5NFWGWC4的显示屏,该型号显示屏为2.4寸TFT液晶显示屏,可以采用并行接口与SPI接口方式完成与主系统的连接,从而完成人机界面功能。

  此外,系统还具有SD卡功能,可以将患者的治疗信息保存在SD卡中,患者可将SD卡取出交给主治医师,主治医师根据上位机软件查看患者低通气、打鼾等信息,根据采集信息调整治疗方案。

3 软件部分

3.1 下位机部分

  下位机指呼吸机本体部分,需要完成如下工作:呼吸过程平缓程度与漏气量计算、压力采集及计算、管路损失和流量采集与计算、临床信息配置、LCD界面配置、BLDC电机控制、呼吸状态判定、睡眠状态判定、数据储存、输入响应、呼吸机算法等11部分组成。系统调度有USCOSⅢ系统,将系统分为5个优先级。根据呼吸平缓程度对呼吸机算法进行改进,引入呼吸平缓程度系数,对呼吸流速限制起到了指导作用。波形越大,流速限制越大。

  具体计算过程如下:(1)当前的呼吸状态与相同持续时间和平均幅度的参考呼吸状态成比例关系,因此,首先完成参数的归一化处理;(2)正常的呼吸状态与参考呼吸状态是否完全无法匹配,若是,则该呼吸状态是错误的;(3)呼吸状态的平均值取超过5次的呼吸状态;(4)计算均方根偏差值;(5)平缓程度=均方根偏差/参考呼吸幅值。

3.2 上位机部分

  上位机主要完成SD卡数据读取,便于医师查看患者疾病状态,调整通气策略。

  通过上述界面右侧的总览按钮可以查看患者SD卡中存储的信息,其中包括:呼吸暂停低通气指数、压力、漏气量、呼吸容量、呼吸频率、分钟通气率等信息。

4

  前面已经完成了家用呼吸机包括硬件、软件的搭建工作,的搭建主要完成呼吸机功能验证及检验工作。通过上述测试平台完成呼吸机的检验工作,首先开通呼吸机,调节主动模拟肺,主要调整气阻与顺应性等参数,不同的参数代表不同的患者情况,根据不同情况测得的数据建立人体呼吸气路的数学模型,根据数学模型通过Matlab拟合数据,使呼吸机设定的压力波形与实际压力波形接近,从而顺应人体气路条件,调整通气策略[3]。

  测试平台除了跟踪压力波形外,还需做如下测试:

  (1)最大压力限制保证呼吸机即使在故障情况下,送气压力小于30cmH2O;

  (2)呼吸气道压力测量(压力显示精度)精度应满足±(2%满刻度+4%实际读数);

  (3)动态误差压力(实测值与设定值)≤±0.5 cmH2O;

  (4)静态压力稳定度在呼吸管路患者连接口处每30min测一次,持续8h。参考仪器设定值计算最大正偏差和最大负偏差,确认测量的平均静态压力值在静态压力准确限值范围内;

  (5)最大流速测试

  1)将长度为1.9m±0.15m的呼吸管路连接到睡眠呼吸暂停设备上;

  2)将一个压力测量装置及流量计接到患者连接口处;

  3)在患者连接口处加入一个调节阀门;

  4)将压力设定到其最小设定值Pmin,打开调节阀,直至实测压力值低于压力设定值1cmH2O±0.1 cmH2O,读出相应的测量压力值及流速值;

  5)重复10次步骤4),记录这10次测量结果的平均值;

  6)依次测量最小压力值、中间压力值和最大压力值三个数据点。测试平台如图3所示。

  图中标号表述如下:1、呼吸机; 2、流量传感器;3、气阻; 4、ASL5000主动模拟肺;5、压力传感器;6、瑞典奥利科PF-300气流分析仪,可以测量流量、压力、频率、呼吸比;7、呼吸通气系统。

5 结论

  睡眠呼吸暂停是与高血压糖尿病等多种疾病有关联,家用呼吸机可以有效地治疗该疾病,通过调整通气策略使患者减轻痛苦,在算法上的改进可以保障人机协调,家用呼吸机已经列入十三五国家全民健康计划,其监测标准也列入指导原则中,本文提到的呼吸机已经通过测试平台的检验符合行业标准,随着人民对健康意识的提高,该产品会有广阔的应用前景。

  参考文献:

  [1]王建峰.呼吸力学监测新技术[J].医疗装备,2004,10.

  [2]李德旺,仇原鹰,叶继伦.呼吸力学参数监测系统的电路设计[J].中国医疗器械杂志,2005,2.

  [3]俞森洋.呼吸机参数的设置和调整[J].中国呼吸与危重监护杂志,2004(3).

  [4]李振华,郑欲如,彭卫平. Bi-Level 技术解析及其临床应用[J].医疗装备,2003,16(4):10-11.

  [5]俞志凌,薛辛东.肺顺应性对于呼吸窘迫综合症早期诊断的临床意义[J].中国优生与遗传杂志,2005,13(1):86-88.

  [6]李缨,罗群,黎毅敏,等.无创正压通气不同压力支持水平对正常人呼吸做功的影响[J].广州医学院学报,2003,31(1):18-23.

  [7]邓乃沙,罗海燕.压力支持通气和同步间歇指令通气用于呼吸机撤离观察[J].现代医药卫生,2004,20(11):1003-1004.

  [8]邱海波,刘晓岩,杜斌,等.测定患者呼吸功对调整压力支持通气水平的意义[J].中国危重病急救医学,1997,9(1):33-35.

  [9]曹玉书,童皖宁,曾葭.慢性呼吸衰竭患者无创比例辅助通气和压力支持通气的比较[J].中国呼吸与危重监护杂志,2006,5(4):275-277.

  [10]易韦韦,张玘,王跃科.基于虚拟仪器技术的呼吸机测试[J].电子测量技术,2008,31(1):186-188.

  [11]黄河,陈荣昌.数学模型在机械通气是持续呼吸力学动态监测中的应用[J].国外医学呼吸系统分册,2003,23(5):237-239.

  本文来源于《电子产品世界》2017年第6期第37页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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