医用空气压缩机智能化气源切换装置的加装

【作 者】刘波，汪家旺

1 南京医科大学第一附属医院，江苏，南京，210029

2 南京医科大学生物医学工程系，江苏，南京，210029

当前，许多医院都配置了中心供气设施驱动呼吸机和麻醉机等医疗设备[1]。与传统的医用空气压缩机相比较，中心供气具有节省能源、无压缩机噪声和维护保养方便等优点[2]。为适应这一发展趋势， SIEMENS Compact和Mini等先进呼吸机匹配的空气压缩机具备待机模式[3]，采用中心供气，但当中心供气发生故障时，呼吸机可以自动探测到气体压力的异常下降，并且智能切换至空气压缩机供气。国内的空气压缩机通常不具备此种功能，必须由使用人员手动切换气源，往往会造成切换时机的延误，影响治疗效果。

SMART呼吸机是我们研制的一款具有一定智能化程度的微机控制的高档无创呼吸机，而与其配套的国产医用空气压缩机不具备待机模式。针对这一问题对其进行改进，使其不但在中心供气出现故障时可以自动切换至空气压缩机，而且当故障排除后还可以自动切换回中心供气，完全满足了SMART呼吸机的匹配要求。

1 气源智能切换装置

1.1 加装气源切换装置的必要性

中心供气系统需要严格的管理和经常性的维护保养，以确保设备运行的可靠性[4]。呼吸机是对自主呼吸能力丧失或减低的危重病人实施呼吸支持的重要设备[5]，一旦压缩气体的供应出现故障，往往会导致呼吸机工作异常，严重时甚至会危及病人生命。空气压缩机加装气源切换装置后，可在中心供气和空气压缩机供气二者间自主切换，大大降低了因供气发生的呼吸机故障。

1.2 气源切换装置硬件平台搭建

1.2.1 材料

采用二个Honeywell公司的26PCF压力传感器分别用于测量中央供气和空气压缩机供气压力。26PCF压力传感器采用集成电路技术和硅压敏电阻技术[6]，其测量精确性较高，带有温度补偿和校正，测量类型为表压，量程为0-100 psi。采用德国宝德公司电控两位三通阀作为气源切换阀门。

Smart呼吸机采用两个功能较为强大的C8051f020单片机作为控制核心。C8051f020单片机具备片内12位8通道A/D转换器[7]，可以直接通过引脚输入压力传感器的模拟信号。在改装过程中，我们避免使用专门的单片机，而是利用了呼吸机中的C8051f020单片机的富余能实现对气源切换装置进行控制。

1.2.2 硬件安装方法

为了对气源压力进行监测，并达到气源自动切换的目的，需要对空气压缩机进行一定程度的改装。如图1所示，将空气压缩机后盖板拆除后，首先将空气压缩机气体输出单向阀前的管道断开，依次接入一只三通接头和一只两位三通阀门，在三通接头上连接压力传感器1，对空气压缩机的输出压力进行监测；然后在两位三通阀的另一个输入接口上连接一根软管，软管另一头连接医用气体快速接头，软管中段用三通接头接入压力传感器2，对中央供气压力进行监测；在空气压缩机侧面板上开孔，将医用气体快速接头固定其上。为了方便今后的检修，将气体快速接头和两个压力传感器的安装位置做成可以打开的活门结构。将压力传感器1、2的输出信号用导线引出，经运算放大器放大、低通滤波后，分别接入呼吸机控制主板上的单片机的片内AD转换器0的模拟输入引脚18、19。

图1 硬件结构图Fig.1 Image of Hardware Structure

对空气压缩机电源进行改装，加装控制继电器，使呼吸机内的单片机可以控制空气压缩机电源的通断。

1.3 气源切换装置的软件架构

使用c语言编写气源监测、切换程序，在呼吸机的控制菜单中增加气源控制选项菜单。通过呼吸机的液晶屏幕，可选择切换装置的工作方式。

气源切换装置控制菜单的结构如图2所示，设置关闭和开启两个选项。当选择关闭选项时，呼吸机仅对气源的压力进行监测，当气源压力异常时在液晶屏上显示报警信息而不对气源进行切换。如果选择开启选项，则可进一步选择节能或待机两种工作模式。当选择节能模式时，如果中心供气压力正常，单片机控制空气压缩机的电源继电器处于断开位置，空气压缩机不工作，同时两位三通阀门处在接通中心供气的位置。如果中心供气压力出现异常，则单片机发出控制信号使电源继电器闭合，同时使两位三通阀门处在接通空气压缩机的位置，空气压缩机开始工作，建立压力后向呼吸机供气。节能模式的优点是当中心供气压力正常时，空气压缩机的电源是断开的，在节省电能的同时降低了噪声。其缺点是当空气压缩机刚开始工作时，需要一定的时间才能使机内贮气罐中的空气压力由零上升至工作压力，这可能导致在此段时间之内呼吸机工作出现异常。

与节能模式相比较，待机模式的不同点在于不论中心供气压力是否正常，单片机总是控制空气压缩机处于加电状态，使空气压缩机的贮气罐中气体压力时刻处于工作压力。这种情况下，如果中心供气压力出现异常，两位三通阀自动切换至接通空气压缩机位置，呼吸机可以立即得到正常压力的压缩空气供应，几乎不会有任何延迟。其缺点是即使中心供气压力正常，空气压缩机也要一直维持工作压力，导致能耗和噪声较节能模式要大一些。气源切换装置的C语言程序流程图见图3。

图2 切换装置控制菜单结构图Fig.2 Control Menu Structure of Switching Device

图3 切换装置软件程序流程图Fig.3 Flow Chart of Switching Device Software

2 结论

将改装的空气压缩机安装在SMART呼吸机上验证，结果证明智能气源切换装置操作方便，动作灵敏可靠，能在中心供气和空气压缩机供气之间自动进行智能切换，且具备多种工作模式，较好的实现了设计目标。

[1] 杨斌, 张美, 袁钟清. 给予压力监测医用压缩空气供应系统[J]. 医疗卫生装备, 2010, 31(1): 112-113.

[2] 陈渡平, 王征, 钱欢. 呼吸机中心供气与空压机供气自动切换装置[J]. 中国医疗器械杂志, 2007, 31（6）.452.

[3] 林颐胜. 对呼吸机空气压缩机的探讨[J]. 医疗卫生装备, 2005,26(9): 43-45.

[4] 廖火平. 医院供气中心的建设和维护[J]. 中国医疗设备, 2008,23(4): 77-78.

[5] 蔡映云. 机械通气及临床应用[M]. 上海: 上海科学技术出版社,2002

[6] 谭志坚, 杨东, 郑则广. 呼吸机触发技术的现状和新进展[J]. 中国医疗设备, 2009, 23(4): 56-59.

[7] 张培仁, 孙力. 基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].北京: 清华大学出版社, 2007