一种新型便携式制氧系统的设计与应用

陈娟娟 蔡雪花* 林海东 纪学鑫

目前,吸氧已成为医疗救治不可或缺的手段,尤其是随着人们生活水平的不断提高和改善,对健康的需求逐渐增强,吸氧将逐步成为家庭和社区康复中一种重要手段[1].在患者治疗过程中,如果长期吸氧量不足,患者体内有氧代谢率降低,无氧酵解加强,机体代谢效率下降;长期重度缺氧可引起肺部血管收缩,造成肺动脉高压,右心室负担增加,长久下去可引起肺心病等.在生活中,有些孕妇或者老人长期缺氧时,会造成呼吸次数增多、呼吸困难、胸闷及气憋等;还会出现夜间睡眠障碍,睡眠质量下降,白天思睡,头晕头痛等症状[2].

现阶段吸氧方式是采用传统的氧气瓶吸氧和制氧机进行吸氧.氧气瓶作为备用气体,是患者在移动治疗和转移治疗时的吸氧方式,需要不定期的充氧才能满足患者长时间吸氧,氧气瓶比较笨重,无法满足患者在运动过程中吸氧,而且无法对吸入气体中的氧浓度进行控制.而采用制氧机进行吸氧,可满足患者的吸氧要求,但因制氧机多数结构比较复杂,整体比较笨重,无法满足患者移动吸氧,且大部分采用市电供电,导致其户外吸氧无法实现.基于此,本研究设计一种新型便携式制氧系统,采用高效锂电池供电,并配备背带式结构,便于患者在移动过程中吸氧.该制氧系统结构新颖,使用简单、携带方便,能在战地、事故现场、野外旅行保健及各种不同层次人群需求[3].

1 新型便携式制氧系统设计

1.1 系统结构设计

系统主要包括单片机主控制模块、电源模块、制氧控制模块、氧浓度监测模块、按键模块、显示模块以及报警模块等,整个系统采用变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)原理进行制氧,人体工学一体化设计,便于患者的携带与使用[4].系统结构见图1.

图1 便携式制氧系统结构框图

1.2 系统硬件设计

1.2.1 系统外观

系统将所有模块一体化设计,并统一封装成长方体形状,主机的上方为液晶显示模块,便于患者时时关注氧浓度;主机右侧的上方为氧气调节按钮,便于患者调节氧浓度;主机右侧的中间封装有空气进风口,内部带有空气过滤器,便于过滤空气中的尘埃;氧气出口接上转接头连接氧气吸入管,便于患者吸氧;主机的前端带有风扇,起到冷却作用[5].制氧系统外观见图2.

图2 便携式制氧系统外观

1.2.2 电源电路

设计的新型便携式制氧系统主要用于患者户外吸氧,并满足患者边吸氧边运动的特殊要求,因此该系统不仅可以采用市电供电,还采用大容量的镍氢电池供电,容量为6000 mAh,额定输出电压为5 V,拆卸与安装都非常方便[6].电源供电电路和电池充电电路见图3.

图3 电源供电和电池充电电路

图3 显示,市电电压经过变压器T1进行变压,再经过D1、D2、D3及D4桥式整流后得到直流电,再经过C1、C2滤波后加到稳压芯片7812的1脚上,其2脚输出12 V,用于压缩机供电和电池充电;输出12 V电压再经过C3、C4滤波后输入稳压芯片7805的1脚上,其2脚输出5 V,用于单片机系统的供电[7].

1.2.3 压缩机控制电路

制氧系统的制氧原理采用变压吸附原理,吸附剂为沸石分子筛,在等温条件下,当吸附压力增加时对氮气的平衡吸附量要比氧气增加很多,当吸附压力减少时,其对氮气的平衡吸附量比氧气减少很多,利用这一特性,可采用加压吸附,减压解吸循环操作的方法制取氧气.整个制氧系统的空气先经过一级过滤器和二级过滤器后进入无油空气压缩机变压,再经过冷却系统进行冷却,一方面经过控制阀进入吸附塔系统进行制氧进而输出氧气,另一方面直接经过调节阀输出空气,空气和氧气进行混合后输出患者所需的氧气.患者可以根据需要通过调节阀调节空气流量的大小,进而控制输出氧气的浓度[8].制氧系统结构见图4.

图4 制氧原理框图

系统采用的中央处理器为AT89S51,其为低功耗、高性能CMOS 8位单片机,具有4 K字节可编程FLASH存储器、三级程序存储器保密锁定、128X8位内部RAM、两个16位定时器/计数器、低功耗的闲置和掉电模式等.当AT89S51的P0.0输出高电平时,开关管Q1导通,压缩机正向工作;当AT89S51的P0.1输出高电平时,开关管Q2导通,压缩机反相工作.稳压管D5、D6起到稳压作用,电容C5、C6起到加压启动的作用[9].压缩机控制电路见图5.

图5 压缩机控制电路

1.2.4 氧浓度监测电路

系统氧浓度监测电路采用氧电池采集氧浓度,并转化为微弱的电压信号,并通过运放放大器放大电压信号给中央处理芯片,在经过转化后在显示屏上显示氧浓度,氧信号采集电路见图6.

图6 氧信号采集电路

氧电池采集的信号输入到运放芯片LM358的IN1+引脚上,再通过OUT2引脚输出到主芯片的P0.3脚上,图6中C7、R1和C8及R5启动稳压滤波作用,R3、R4启动分压作用[10].

1.3 系统软件设计

新型便携式制氧机系统开机后首先进行系统软件的初始化,然后进行按键扫描和液晶显示扫描后进行患者正常使用的参数设置状态.患者在使用过程中,可以设定吸氧时间和需要浓度等参数,然后启动制氧机后即可.患者在吸氧过程中,系统的液晶显示器显示吸氧时间、吸氧浓度等信息.当系统吸氧时间或者系统出现故障时,报警系统启动,提示患者吸氧结束或者设备出现异常,请停止吸氧[11].制氧系统主程序见图7.

图7 便携式制氧系统主程序框图

2 新型便携式制氧系统临床测试

吸氧对于孕妇、老年人以及呼吸困难患者都有着不可替代的作用,对于一些亚健康人群,也可以通过吸氧缓解大脑疲劳,舒缓脑神经压力、改善记忆力等功能[12].本研究设计的新型便携式制氧系统采用高效镍氢电池供电,并配备小型压缩机和吸附塔对空气进行变压吸附,进而输出患者需要的氧气.整个系统一体化封装设计,重量<3 kg,便于患者携带或者边散步边吸氧;系统设有氧浓度调节阀,可根据患者需要调节氧浓度;系统设有吸氧时间、吸氧浓度、电池电量检测、系统故障等参数信息,便于患者使用时关注吸氧状态[13].整个系统与传统的中央制氧系统及氧气瓶具有明显的优势,其与传统制氧设备对比见表1.

表1 新型便携式制氧系统与传统制氧系统及氧气瓶分析对比

在临床测试过程中,采用FLUKE气流检测仪(型号为VT-PLUS标准器)对该系统氧浓度进行监测,其误差<±10%,符合国家计量控制标准.在临床使用过程中,通过对100例孕妇、100例老年患者以及100例呼吸困难者进行吸氧使用测试,其氧浓度最高可达95%,吸氧时间≥3 h,可以满足患者的户外吸氧要求[14].

3 结语

对于急救患者及时并长期吸氧可以缓解支气管痉挛、减轻呼吸困难,改善通气功能障碍,改善患者体质和大脑功能,提高运动耐力和生命质量[15];同时还可以改善慢性阻塞性肺疾病,延长生命,减少住院次数,节约医疗费用,减少手术后的感染等.本研究针对传统制氧系统的不足和缺陷,设计一种新型便携式制氧系统,患者可以根据自身的需要,设置吸氧浓度,自由的选择吸氧环境,最大的满足患者随时随地的吸氧,对于提高患者的生命力,具有较大的临床意义.