一种便携式呼气末CO2监测仪的研制

王亚林，张　广，吴太虎

一种便携式呼气末CO2监测仪的研制

王亚林，张广，吴太虎

目的：研制一种便携式呼气末CO2监测仪，用于现场急救及转运过程中患者的生理监测。方法：以单片机作为控制核心，与呼气末CO2检测模块、SD存储模块进行串口通信，同时由供电模块进行电源管理，并设计相应的软件系统。结果：该监测仪性能稳定，软、硬件工作正常，可靠性高，相应的报警和显示正常。结论：该监测仪基本达到了预期的设计指标，可广泛应用于伤员转运及现场急救中对患者的安全监测。

呼气末CO2；监测仪；急救

0　引言

美国麻醉医师协会和英国与爱尔兰麻醉师联合会在2011年修订了规程，要求所有的麻醉过程中都必须监测患者通气状况[1-3]。呼气末CO2监测仪可以无创、持续地监测患者呼吸周期内的CO2压力或体积分数，并可以通过数字和波形显示[4-5]。呼气末CO2值不仅能直观地反映肺的通气效率，还可以为人体的循环功能提供参考，已成为麻醉患者和重症患者非常重要的监测指标之一[6-8]。为普及呼气末CO2监测技术并降低高昂的进口设备的使用成本，造福广大国内患者，我们决定自主研发呼气末CO2监测仪。

本监测仪由微控制器进行数据采集和处理，利用非色散红外（non-dispersive infrared，NDIR）吸收原理实现对患者呼气气路中CO2压力的实时、连续和无创监测。CO2在波长为4.26 μm的红外光处有一个强烈的吸收峰，所以红外光通过监测气室的时候会吸收掉一部分的CO2分子，吸收率与CO2的体积分数成比例，吸收规律符合郎伯-比尔吸收定律[9]，经过计算机处理后可显示呼气末CO2波形和测量值。红外线吸收腔室原理如图1所示。

图1　红外线吸收腔室原理图

1　系统功能逻辑结构

该系统由单片机作为控制核心，与呼气末CO2检测模块、SD存储模块进行串口通信，同时由供电模块进行电源管理，并能进行相应的报警和显示。系统逻辑结构框图如图2所示。

图2　呼气末CO2监测仪系统结构框图

2　系统设计

2.1硬件

2.1.1呼气末CO2采集模块

呼气末CO2采集模块的结构示意图如图3所示，它由气室、红外光源、红外探测器、滤光片、放大及控制电路、负压泵等组成，腔体内有温度传感器LM35，气室外有半导体制冷器件，由稳压光源电路驱动红外光源。在工作状态下，患者呼气回路中的气体在负压泵的作用下被抽进进气口，光源电路驱动红外光源使其发出红外光，经过气室、滤光片被探测器接收。放大电路和控制电路对温度传感器采集的温度信号进行放大、采样、运算处理后控制半导体制冷器件，使气室处于恒温状态，并同时对采集到的CO2信号进行放大处理。对得到的温度值进行软件补偿，运算处理后得到精确的呼气末CO2值。

2.1.2存储模块

存储记录模块要存储大量的呼气末CO2数据。同时，模块还需具有灵活、可拔插的特点，从而方便对数据进行分析。为提高设计效率，选择文件管理控制芯片CH376进行SD卡数据读写操作。SD卡模块硬件原理如图4所示。图中CH376的串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）与微控制器普通I/O引脚模拟SPI连接进行通信。CH376的INT#引脚连接微控制器外部中断引脚获知SD卡中断。

2.1.3电源模块

系统内部需要的3.3、5和12 V直流供电由3个开关电源模块电路LM2596和LM2575构成，其直流输出分别如图5～7所示。

2.2软件设计

主控制单元的软件流程主要可分为系统初始化、数据通信、数据处理、数据存储、人机界面数据交互、报警处理和液晶显示7个部分，其流程如图8所示。

图3　呼气末CO2监测仪采集模块逻辑框图

图4　呼气末CO2监测仪SD卡模块硬件原理图

上位机向下位机发送数据的格式见表1，下位机向上位机发送的数据格式见表2。

测量状态下数据发送格式与内容如下：

SendData[0]=2//数据起始；

SendData[1-2]=//数据长度；

SendData[3-4]=//模块响应1 B 2个ASCII码；

SendData[5-6]=//模块状态1 B 2个ASCII码；

SendData[7-10]=//模块状态消息2 B 4个ASCII码；

图5　呼气末CO2监测仪12 V直流输出图

图6　呼气末CO2监测仪5 V直流输出图

图7　呼气末CO2监测仪3.3 V直流输出图

图8　呼气末CO2监测仪软件流程图

表1　上位机发送数据格式

表2　下位机发送数据格式

SendData[11-14]=//浓度AD量化值；

SendData[15-18]=//CO2曲线浓度；

SendData[19-22]=//呼气末CO2浓度；

SendData[23-26]=//吸气末CO2浓度；

SendData[27-28]=//呼吸率；

SendData[29-30]=//流量；

SendData[31-34]=//数据查询结果；

SendData[35-38]=//校准状态；

SendData[39-40]=//数据校验和；

SendData[41]=3//数据结束；

2.3结构设计

该便携式监测仪结构如图9所示。

图9　呼气末CO2监测仪结构设计图

3　实验与讨论

选择已经应用于临床的且近期做过气体校准的深圳市纽泰克的NT1D掌式生命体征监护仪和本文研制的呼气末CO2监测仪样机，对同一个受试者进行监测，同步记录所监测的呼气末CO2以及呼吸率，每个参数的数据组数为300组，记录其平均值及标准差，评价监测结果的一致性，结果见表3～5。 mmHg次/min

表3　2台设备呼气末CO2含量监测结果比较

表4　2台设备呼吸率监测结果比较

表5　2台设备响应时间监测结果比较

从表3～5可以看出，2台设备对同一患者的呼吸率以及呼气末CO2含量监测结果都不具有显著性差异，说明样机部分满足了使用的要求。而从2台设备的响应时间来看，样机比NT1D的时间要长，说明其离工业生产还有距离，还需要更进一步的改进。

4　应用效果

本便携式呼气末CO2监测仪的研制任务来源于国家科技支撑项目“高级重症监护型救护车”，是针对患者转运及现场救治过程中的实际需求而研发的[10]。在78人次（基本资料见表6）的近300多次验证试验中，其性能稳定，软、硬件工作正常，可靠性高，异常报警监测情况良好。

表6　样本特征（n=78）

5　结论及展望

当前，利用监测患者呼气末CO2来进行医疗辅助诊断和确保医疗安全这项技术的使用受限，临床上国内还没有将该项内容当作常规监测，不像心电、血氧、无创血压等参数那样被广泛应用。为了便于转运和急救中对患者进行持续无创监测，普及和推广呼气末CO2指标的应用，急需研发轻巧便携且质优价廉的呼气末CO2监测仪，为广大国内患者造福。

本文提出了一种技术实用可行且结构合理的便携式呼气末CO2监护仪的总体系统架构，并详细介绍了系统软硬件的实现过程。经多次实验与试用，监测仪基本达到了预期的设计指标，操作方便，功能完备，性能可靠。该便携式监测仪可广泛应用于伤员转运及现场急救中对患者的安全监测，具有很好的使用前景。

[1]Weigner M B，Lee L A.For the anesthesia patient safety foundation: nopatientshallbeharmedbyopioid-inducedrespiratorydepression[J]. APSF Newsletter，2011，26:21-40.

[2]王亚林，张广，吴太虎.呼气末二氧化碳监测技术及设备简介[J].医疗卫生装备，2014，35（3）:117-120.

[3]吴斌，卢中秋，李景荣.呼气末二氧化碳分压监测在急诊危重病监护中的应用[J].中国急救医学，2004，24（2）:152.

[4]吴太虎，张广，王运斗.心肺复苏急救装备与应用[M].北京:军事医学科学出版社，2013.

[5]张亚飞，马希涛，张晓菊，等.呼气末CO2分压监测在COPD患者中的应用价值[J].中国实用医刊，2014（10）:30-32.

[6]吴书铭，蒋红兵，石莉.呼气末二氧化碳分压与动脉二氧化碳分压关系的研究[J].中国医疗设备，2013，28（1）:36-37.

[7]代金贞，李新华，杨辉.Philips监护仪呼气末二氧化碳与动脉血二氧化碳分压差异的临床观察[J].医疗卫生装备，2013，34（1）: 63-64.

[8]龚发贤，吴芳，张永海，等.俯卧位手术时对PaCO2和PETCO2的影响及相关性分析[J].临床麻醉学杂志，2014，30（6）:574-576.

[9]丁守成，李文辉，杨世洲.基于朗伯-比耳定律的烟尘浊度测量系统[J].电气自动化，2009，31（6）:82-84.

[10]喻文，罗红敏.呼气末二氧化碳分压在心室纤颤与窒息性心搏骤停心肺复苏中的变化[J].中华危重病急救医学，2014，26（10）:713.

（收稿：2014-11-12修回：2015-02-12）

Development of portable end-tidal carbon dioxide monitor

WANG Ya-lin1,2,ZHANG Guang1,WU Tai-hu1
(1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.Department of Medical Engineering,Navy General Hospital,Beijing 100048,China)

Objective To develop a portable end-tidal carbon dioxide monitor for the patient's physiological monitoring during the process of the first aid and transport.Methods MCU was used as the core of the control system to communicate with the ETCO2detection module and the SD memory module.The power supply module and software system were realized for the monitor.Results The monitor had high stability,reliability and performances.Conclusion The monitor meets the desired requirements,and can be used for the monitoring of the patients during first aid or transportation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：9-12]

end-tidal carbon dioxide;monitor;first aid

[中国图书资料分类号]R318.6；TH772.2A

1003-8868（2015）05-0009-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.009

国家科技支撑计划（2012BAI20B00）

王亚林（1984—），男，助理工程师，主要从事生物医学工程方面的研究工作，E-mail：276558008@qq.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（王亚林，张广，吴太虎）；100048北京，海军总医院医学工程科（王亚林）

（1）单片机。系统采用dsPIC30F6015作为处理芯片。该芯片的程序地址空间有4 MB的指令字，工作寄存器阵列由16个16 bit寄存器组成，每个工作寄存器都可以充当数据、地址或地址偏移量寄存器。它作为系统的核心控制部分负责对采样数据进行分析和处理，对整个系统进行统一控制管理。

（2）呼气末CO2检测模块。该模块采用具有非分散红外光源的新型红外气体传感器，该传感器通过采用电调制红外光源、高精度干涉滤光片一体化红外传感器以及光强度补偿算法来实现呼气末CO2气体的实时测量。

（3）供电模块。负责对系统进行供电和电源管理，模块为整个系统提供3.3、5及12V的工作电压。

（4）人机交互。人机交互部分由LCD、蜂鸣器构成，负责指导和提示呼气末CO2的监测，并对监测结果进行显示，在必要时产生报警信号。

（5）存储模块。存储记录部分由SD卡及相应外围控制电路组成，负责对呼气末CO2有关数据进行存储记录，便于日后分析。