多重反馈闭环控制便携式呼吸机的设计

冯小冬，汪家旺，林刘华，杨涛，翁羽洁

（1.南京医科大学 生物医学工程系，江苏南京 210029；2.东南大学 电子科学与工程系，江苏 南京 210000）

多重反馈闭环控制便携式呼吸机的设计

冯小冬1，汪家旺1，林刘华2，杨涛1，翁羽洁1

（1.南京医科大学 生物医学工程系，江苏南京 210029；2.东南大学 电子科学与工程系，江苏 南京 210000）

在便携式呼吸机中引入闭环控制，能够增强便携式呼吸机的性能，使便携式呼吸机的使用更为安全、有效。将肺的力学性质、呼气末期二氧化碳分压（PetCO2），血氧饱和度（SaO2）作为反馈信号，控制呼吸机的工作与调整，在不影响便携性能的基础上，增强便携式呼吸机治疗效果。

便携式呼吸机；闭环控制；血氧饱和度

Abstract:Making use of closed-loop control for portable medical ventilator can enhance the performance of portable medical ventilator and make it more safe. Using the respiratory mechanics, end-tidal CO2pressure(PetCO2), arterial oxygen saturation(SaO2) as feedback signal to control the medical ventilator will improve the therapeutic efficacy, but wouldn't affect its applicability.

Key words:portable ventilator;closed-loop control; blood oxygen saturation

便携式呼吸机广泛应用于急救、飞机、舰船、战场、家庭等特殊场合，是呼吸机的一个重要分支。闭环控制成为如今呼吸机一个重要的发展方向[1-3]，早在50年代初就开始了呼吸机闭环控制的研究[2]。目前常见的ASV（适应性支持通气）就是一种闭环控制通气模式，在不少情况下取得了不错的通气效果[4]。

由于便携式呼吸机对便携性和稳定性的特殊要求，目前绝大部分便携式呼吸机还是开环控制的，即将预设的压力或潮气量输送给病人，并不能对病人肺的力学参数、血氧饱和度等生理参数的变化做出调节。随着高性能的处理芯片和传感器的出现，使得不少生理参数的检测变得简单，这为便携式呼吸机的闭环控制提供了可能。

本文将设计一款便携式呼吸机，引入肺的力学性质、呼气末期PetCO2（二氧化碳分压），SaO2（血氧饱和度）作为反馈信号，协助控制通气，使通气更加有效。

1 设计要求

闭环控制便携式呼吸机的设计要求满足中华人民共和国国家标准GB 9706.1和GB 9706.28。在充分保证安全性和稳定性的基础上，使呼吸机具有良好的便携性和强大的功能。本系统的部分功能参数如下：

通气模式： CLV（闭环反馈通气），PSV（压力支持通气），PCV（压力控制通气），A/C（辅助/控制通气）。

IPAP(吸气压)： 3～40cmH2O。

EPAP(呼气压)： 3～25cmH2O。

潮气量： 0～1500mL。

呼吸频率： 10～30次/min。

吸呼比： 吸气相占整个呼吸周期的10%～80%。

氧浓度：21%～100%（有外接氧气时可调）。

2 系统组成

呼吸机系统的设计分为气路和电路部分。

2.1 气路部分(图1)

图 1 呼吸机气路图

对于便携式呼吸机，气路的复杂程度是决定呼吸机体积的重要因素。为了满足便携性，气路的设计需要简洁、有效。

本系统采用涡轮增压来提供气源和驱动。空气经过滤后，由涡轮机增压后供给系统。系统通过与涡轮机并联的旁路阀控制送给病人的气体量，从而控制吸气相气道压力。连接管路中的单向阀可防止气体反流。安全阀可在气道压力过高是打开，防止对病人造成气压伤。呼气阀用于控制呼气时气道压力，呼气时，系统通过控制呼气阀的打开情况，控制气道压力。当需要外接氧气时，可以通过氧气浓度调节阀实现对吸气氧浓度的调节。

2.1.1 过滤器

过滤器是用来过滤进入呼吸机的空气，可以滤除空气中的杂质粉尘，既可以保护呼吸机，又可以简单地净化吸入气体。

2.1.2 涡轮增压

涡轮增压是通过涡轮产生病人吸气所需要的气流，直接送给病人。涡轮输出的压力及流量与其转速有关。

涡轮增压的成本相对较低，体积小，比较适合于便携式和家用呼吸机，而且其噪音较小，能够符合便携式呼吸机对于噪音的要求。驱动涡轮的电机可以由电池供电，使得呼吸机有良好的便携特性。涡轮风扇直接对病人供气，可以提供较大流速的气流。目前，无创呼吸机大多采用涡轮增压来供气。

在涡轮增压供气时，对于气道压力的调节主要有两种形式，一种是通过转速调节，一种是固定转速，调节通过气路中的阀控制来实现。转速调节对于电机性能要求较高，控制响应慢，控制精确度差，但此模式气路简单，控制的实现也相对简单。阀控制调节时，涡轮机仅作为气源，输出相对稳定，由阀的开启和关闭情况来控制呼吸。

2.1.3 旁路阀

涡轮增压供气时，使用阀来控制时有两种控制方法，一种是控制阀与涡轮机串联，通过阀的开启情况，控制流入后级气路的气流；一种是控制阀与涡轮并联，阀通过控制返回涡轮的气体流量而控制流入下级气体。本系统气路使用阀与涡轮机并联的控制方式。

旁路阀是由一个比例电磁阀来实现的。当旁路阀完全打开时，涡轮机产生的气体全部回流到涡轮机，不向下一级输送气体；当旁路阀完全关闭时，涡轮机产生的气体无回流，全部流入下一级气路。本系统通过控制旁路阀的打开情况，控制气道压力。

2.1.4 氧浓度调节

系统设置了外接氧气的接口，外接氧气要求符合医用氧气标准。氧气接入气路后需要先经过减压阀，将压力稳定在适合呼吸机的低压。再经过氧浓度调节阀调节流入气路的氧气的量。氧浓度调节阀是一个流量调节阀，可以调节进入气路的氧气的量。

2.1.5 安全阀

安全阀是为了防止气道的压力过高而对病人造成气压伤。当气道压力高于设定值时，该阀就打开，直到气道压力恢复到设定值，该阀关闭。

2.1.6 呼气阀

呼气阀控制呼气时气道压力。本系统采用比例电磁阀作为呼气阀，通过控制呼气阀的开启情况维持呼气相气道压力。2.2 电路部分（图2）

系统电路是以气路为基础，以实现呼吸机的各项功能为目而设计的，系统电路包括：主控芯片、参数检测、控制、报警、显示、设置等模块。

图 2 系统电路框图

主控芯片是电路部分的核心，电路的其他部分功能的实现都由主控芯片来控制。在本系统中，需要检测气道压力、流量、氧浓度、血氧饱和度（SaO2），呼气末期二氧化碳分压（PetCO2）等信号。检测到的信号将直接或经换算后，供控制、报警、显示等模块使用。

2.2.1 检测电路

检测电路包括压力检测、流量检测、SaO2检测和PetCO2检测。为了使呼吸机按设定值正常工作，需要即时的检测气道的压力和流量信号。同时，还需要了解病人目前的生理参数，即时检测病人的SaO2和PetCO2，以便呼吸机及时调整呼吸参数，达到最佳通气效果。

2.2.2 控制电路

控制电路包括吸气控制、呼气控制和氧浓度控制。

吸气控制主要是通过旁路阀来控制，旁路阀可以采用一个电磁比例阀来实现。吸气时，呼气阀关闭，系统通过控制旁路阀打开的情况控制送给患者气流量，从而控制气道压力。呼气控制是通过呼气阀来控制的，通过控制呼气阀的开度，控制呼气相气道压力。本系统通过控制进入系统氧气的流量来实现对吸气氧浓度的控制。

2.2.3 其他电路部分

即时信息的显示、完善的报警系统等，是呼吸机不可缺少的功能。本系统还设计了通讯电路和存储电路，能够实现呼吸机与个人电脑的通讯和病人治疗信息的存储。

3 控制环路的建立

现有的闭环控制呼吸机，其闭环控制的输入控制量很有限，主要是针对肺的力学性质反馈控制，对于考察通气效果的动脉氧分压（PaO2）、动脉二氧化碳分压（PaCO2）及其相关量作为反馈控制量的通气仅见于部分研究中，实际应用却不多见[2]。对于PaO2、PaCO2检测需要对动脉血进行有创检测，检测复杂，且不适宜做实时检测。因此本系统采用与其具有相关性的血氧饱和度（SaO2）、呼气末期二氧化碳分压（PetCO2）作为闭环输入信号。闭环控制框图3所示：

图 3 闭环控制框图

3.1 肺的力学性质反馈控制

在呼吸机控制中引入该反馈可以使通气的压力和流量适应病人肺的力学性质，有望减少呼吸机相关性肺损伤的发生。近年来开发的多种通气模式如：ASV（适应性支持通气）、MMV(分钟指令通气)、PRVC(压力调节容量控制通气)、PAV(比例辅助通气)等，都是应用闭环控制技术控制呼吸机输出的压力和(或)容积，而且能做到在一次通气内对输出的压力和(或)容量进行双重控制。

通过检测吸气相和呼气相的压力值和病人潮气量，可以得到当前病人的肺的顺应性和气道阻力。依据病人肺的顺应性和气道阻力情况，就能够以最小的压力差为病人通过必要的潮气量。

呼吸机在工作时将根据医生设定，结合SaO2和PetCO2的反馈情况确定病人所需的通气量，实时计算病人肺顺应性和气道阻力，计算出最佳的呼吸频率、潮气量、吸气压、呼气末压力、吸呼比，使得病人以最小的呼吸功获得足够的通气量。使用这种控制方法将可以有效防止过度通气、气压伤、通气不足的情况发生。

3.2 SaO2反馈控制

血氧情况是评价呼吸效果的一个重要指标，能够准确地反映通气效果。常见的PaO2能够准确地反映当前动脉血液的氧合情况，但临床上常用的血气分析检测麻烦，且为有创检测，不适合作为实时的反馈信号，控制呼吸机的工作。无创的血氧饱和度（SaO2）虽然检测精度不高，但几个关键的测量点还是与血气分析的测量点是重合的[5]。例如血气分析测得PaO2=60mmHg时与SaO2=90%时是重合的。SaO2与PaO2的相关性能够满足呼吸机闭环控制的需要。无创的血氧饱和度检测能够比较简单地得到实现，不会影响设备的便携性能。

在呼吸机的工作过程中，如果病人在一段时间内出现了SaO2偏低的情况，呼吸机将改变目标通气量和（或）吸气氧浓度，并结合肺的力学性质和PetCO2的值调整病人呼吸。引入血氧饱和度反馈控制可以有效防止病人通气不足、低血氧等情况的发生。同时还能起到监测血氧和低血氧报警的作用，在监护条件不佳的特殊场合可以为医生提供更多的病人信息。

3.3 PaCO2反馈控制

与PaO2一样，PaCO2也是评价呼吸效果的一个重要指标。PaCO2检测同样存在检测复杂、连续性差的缺点。PetCO2与PaCO2存在相关性，已作为PaCO2替代手段之一，广泛应用于术中麻醉监护等领域[3]。PetCO2检测也较为简单，使用二氧化碳分析器件结合呼吸机自身对于呼吸周期的监测，即可实现PetCO2检测。

PetCO2的反馈控制原理同SaO2。将PetCO2引入反馈控制，不仅可以控制通气效果，还能有效防止机械通气造成的酸碱紊乱。

4 小结

将闭环控制引入到便携式呼吸机中来，有助于提高便携式呼吸机的性能，使其能够提供更有效的治疗。更多生理参数的检测集成到便携式呼吸机中来，不仅为呼吸机提供了有效的反馈控制信息，也能够在特殊场合为医生提供更多的病人信息。

在对呼吸机实现多重反馈闭环控制时，要正确认识各反馈量的意义，处理好各反馈量在控制中的比重，优化算法，为病人提供最有效的治疗。

[1] F.W.Chapman,J.C.Newell,R.J.Roy.A Feedback Controller for Ventilatory Therapy[J]. Annals of Biomedical Engineering, 1985,13: 359-372.

[2] Fleur Tehrani, Mark Rogers, Takkin Lo, et al. A Dual Closed-Loop Control System for Mechanical Ventilation[J].Journal of Clinical Monitoring and Computing, 2004,18:111-129.

[3] Frederico C. Jandre, Alexandre V. Pino, Ivanir Lacorte, et al. A closed-loop mechanical ventilation controller with explicit objective functions[J].IEEE:Transactions on Biomedical Engineering, 2004,51: 823-831.

[4] Jean Michel Arnal, Marc Wysocki, Cyril Nafati, et al. Automatic selection of breathing pattern using adaptive support ventilation[J]. Intensive Care Med, 2008,34:75-81.

[5] 夏慧琳,高关心,彭树良.闭环控制在呼吸机上的应用[J].中国医疗设备,2008,23(5):56-57.

Design of Multiple Closed-Loop Control Portable Ventilator

FENG Xiao-dong1,WANG Jia-wang1, LIN Liu-hua2,YANG Tao1,WENG Yu-jie1
(1.Biomedical Engineering Department, Nanjing Medical University,Nanjing Jiangsu 210029, China;2.Electronic Science and Engineering Department, Southeast University,Nanjing Jiangsu 210000,China)

TH789

A

1674-1633(2010)01-0023-03

2009-05-18

2009-10-10

本文作者：冯小冬，在读硕士研究生。

汪家旺，教授，硕士研究生导师。

作者邮箱：fexdc@163.com