基于方舱医院大规模应急呼吸监护系统的设计

刘怡昕，安晓峰（通信作者），王宇飞

（吉林工程技术师范学院，吉林长春，130052）

0 引言

目前，人工定时测量、检查记录，并绘制实时呼吸曲线依旧是各大医院监测病人呼吸情况的主要方式。这项工作不仅耗费大量的人力资源，而且无法及时反馈病人的实时情况，很可能会错失治疗最佳时间。为此，在深入了解了现如今国内外部分呼吸监护仪器原理之后，研究了一种以模拟生理压值变化来实现对呼吸实时数据进行实时监控与预测的研究[1]。作为控制系统的单片机，它将在感应到呼吸气流后，完成模拟血氧饱和度值并进行A/D转换，然后由液晶显示器等电子系统进行检测和记录，最终实现对患者的呼吸状态实时监测[2]。该呼吸监护仪可以随时对病人的各项生理参数进行随时监护、预测，从而为医生提供应急处理和治疗方案的依据[2]。

1 系统总体设计

■1.1 压力传感器

此设计中的压力传感器选用了含有单晶硅片半导体材料的压阻式压力传感器。单晶硅片是由集成电路工艺制成的，当表面的扩散电阻受到外力作用时，其阻值与压力会跟随压力的变化而变化。而这种压阻元件就是在半导体材料的基片上选用了这种阻值与外界压力成正比的扩散电阻。研究表明只要一个系统能同时检测到呼吸力学中的最基本的三个量：流量、压力和时间，就能通过这三个基本物理量计算得到十多个呼吸的基本量，如呼吸频率、吸气呼气时间比、峰值流量等。

■1.2 呼吸监测系统的原理

本设计的呼吸监测系统是一种高性能的系统，主要由单片机系统、流量传感器和压力传感器等组成，价格低廉，耗能少，效率高。流量传感器内部有一个微小限流孔，在呼吸气流流过时，会感应到一个压力差，随即将此压力差传递给压力传感器，压力传感器对呼吸道内的气体流量进行测量并计算。所以在使用呼吸监护仪时，首先将流量传感器与病人的呼吸道同呼吸机相连，两路的气流呼吸一路被各项仪器监测，输出压力经过压力传感器测量后发送信号，先后经过放大、滤波处理，被转换成数字化状态信息，再经过相关程序的计算和波形特征识别，形成相应的客观参数和曲线[3]。

呼吸监护主系统内部原理图，如图1所示。

图1 呼吸监护系统原理图

2 模拟电路部分

■2.1 放大电路设计

流量传感器主要负责检测并传递信号，其内部有一个限流装置，它能够及时监测出呼吸道内的微弱气流压差。后续将此信号进行先放大再滤波，以得到低噪声呼吸生理信号。为避免模干扰，进行阻抗匹配，系统采用仪用放大器结构。

2.1.1 仪用放大器的介绍

仪用放大器由两个独立的部分组成，即输入级和输出级，总输出失调电压等于输入失调乘以增益加上输出失调。尽管初始的失调电压可以通过外部来调零，但失调电压漂移则不能通过调整来消除．与一般运放的失调电压一样，仪用放大器的失调电压漂移也由两部分组成，及输入和输出两部分。每一部分均对总增益有影响，但当增益提高时输入部分的失调漂移将成为主要的误差源，而输出部分的影响可以忽略。

2.1.2 仪用放大器的工作原理

仪用放大器是在差动放大器的基础上发展起来的一种比较完善的放大器．作为已成型的仪用放大器，其内部是由三个运放和一些精密电阻构成，低声噪的放大低电平信号对后端数字信号处理和人体呼吸信息识别与计算都有非常重要的意义。并且其对称结构的多种高性能，高功率，对整个系统起着重要作用。例如，它的抗干扰能力和温度稳定性等。

■2.2 滤波电路设计

国际上常见的有源滤波器高价格，低容量。且大容量硅阀技术尚未成熟，所以此设计中滤波电路用无源低通滤波电路。其截止频率为：

可滤除各种高频干扰，其放大倍数A≈1。

无源滤波器的原理:在滤除非线性用户用电设备所产生的高次谐波，改善电流和电压波形，提高电能质量，解决谐波源对电网及用户的污染，确保电网用户的设备安全运行的同时还可补偿用户无功电力，提高功率因数和设备的安全性、稳定性和可靠性。无源滤波器还能减少因谐波电流所造成的有功及无功电能损耗，对节约能源，充分利用设备容量，均有明显的经济效益。

采用无源滤波的优点：无源滤波器现如今被广泛应用于谐波治理。其相对有源滤波器结构简单、滤波范围广、成本低廉、运行可靠性较高。

3 电源电路

压力传感器的输出属于电流驱动型模拟信号。1.5mA的激励电流对应一定的压力满量程输出，近距离输出电压一般为100～150mV。恒流激励可提高测量精度，而适当减小激励电流可以扩大测量范围。本设计中采用直流稳压电源。

直流稳压电源能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。

4 系统检测过程

呼吸系统监测前期为吸气期，气道内气体压力增高，为流量传感器提供第一个信号[4]。气体经各个呼吸道、腔室直接流向肺泡，导致肺泡内气压大于大气压。呼气时呼吸机管道与外界大气相通，开始被动呼气，气体经高压流向低压，直至肺内气压与大气压相等。市场上普遍的钟表式容量计的传感器为简单结构风叶。当呼吸气流推动风叶，使风叶被迫转动，再根据风叶转速计算并显示每次通气量。该系统所运用的电子呼吸容量计的传感器也是风叶，不同的是该仪器通过红外线探测风叶转速，再经一系列电子系统处理后在液晶显示屏上以数字和图形实时显示潮气量和分钟通气量，反馈病人此刻呼吸情况及身体状况。

如图2所示，气体先经流量传感器，将转化成的生理信号传递给压力传感器，单片机系统此时模拟血氧饱和度进行A/D转换。电子呼吸容量计经红外探测，计算出气流流速，压差，潮气量以及分钟通气量。液晶显示屏随即显示实时数据、图形。

图2 呼吸监护系统流程图

呼吸监护系统实测数据图，如图3所示，其中潮气量×呼吸频率=每分通气量。图中右侧，呼吸频率19次/分，PEEP2cmHg，属于人体正常数据。下侧所标潮气量6.8ml/kg，CPAP持续气道内正压通气8cmHg。该设计同现如今平价品牌呼吸机，医院临床呼吸机进行控制变量数据比对。结果表明，并无实质性差异，且该设计产品的数据显示更具体，更形象。

图3 呼吸监护系统实测数据图

5 结束语

由模拟传感器、压力传感器、流量传感器和部分集成电路共同构成了该新型呼吸监护系统的硬件部分。该系统可以通过上述硬件顺利完成对压力信号的放大、滤波，对呼吸频率、峰值压力、潮气量等十多项实时呼吸力学参数的监测，为医疗团队提供有效数据。该系统应用到实际中，可以有效提高对患者呼吸监护的程度，及时掌握患者肺呼吸能力，动脉血气情况，帮助医生诊断病人呼吸功能障碍类型和严重程度，对呼吸治疗及时有效做出合理判断。该系统可以为急诊医疗和临床医疗，提供切合实际的援助，为危重病人提供更高质量的医疗服务，使呼吸监护不再滞后于心血管监护，减少因呼吸因素所致的猝死，心跳骤停。此系统开发难度低，成本低廉，易于大规模生产和使用，并且减少了医院资金投入，病人的医疗费负担。每一位病人都值得最好的医疗条件，监护设备。