氧舱内人工气道气囊压力智能监控装置的研制与应用

丁 静，印中鹏，管亚东

（东部战区总医院高压氧科，南京 210002）

0 引言

高压氧治疗是神经重症患者重要的康复手段，但氧舱内环境压力变化增加了人工气道气囊压力的管理难度。多数神经重症患者病程早期建立有人工气道，由于人工气道损害了正常呼吸道的防御机制，增加了气囊上方含有定植菌群口咽分泌物的滞留，成为医院获得性肺炎/呼吸机相关性肺炎（hospital acquired pneumonia/ventilator associated pneumonia，HAP/VAP）的重要危险因素[1]。气囊压力管理是控制HAP/VAP 发生率的重要手段之一[2]。中华医学会呼吸病学分会呼吸治疗学组编制的《人工气道气囊的管理专家共识（草案）》[3]建议气囊压力保持在25~30 cmH2O（1 cmH2O=98.06 Pa）范围内，气囊充气不足（＜25 cmH2O）易导致滞留物进入下呼吸道引起肺部感染，气囊充气过度（＞30 cmH2O）可造成气管黏膜溃疡、坏死，严重者可导致气管-食管瘘。人工气道气囊压力连续监测管理技术对控制HAP/VAP 发病率有较大价值[4-5]。

高压氧治疗期间的环境压力变化幅度为0~120 kPa，须动态实施气囊测压、充气、放气操作才能维持气囊压力在25~30 cmH2O 范围，实现预防HAP/VAP 及气管黏膜受压损伤的目的[6]。徐鸣鸿等[7]和宋艳媚等[8]报道的高压氧治疗期间气囊管理方法均为升压前气囊内单次预注入3~5 mL 空气或生理盐水，减压结束后抽除相应体积的介质，期间人工气道气囊压力状态不明，增加了发生人工气道并发症的风险。因此，研究适宜氧舱内使用的智能监控装置对改进神经重症高压氧治疗技术具有重要意义。笔者研制一种氧舱内人工气道气囊压力智能监控装置，已成功应用于20 名患者计324 人次。

1 装置研制

本装置主要由硬件和软件2 个部分组成。其中硬件包含单片机、压力传感器、微气泵、微电磁气阀、存储卡、锂电池等元件；软件使用STM32CubeMX 搭建程序框架，嵌入引导程序（BootLoader）和实时操作系统（real-time operating system，RTOS）主程序。在RTOS 统筹下，单片机根据设定的气囊压力管理目标的上限值、下限值，控制微气泵或微电磁气阀通断，执行充气或放气等诸多任务，智能实现气囊压力高于氧舱环境25~30 cmH2O 的管理目标。气囊压力智能监控装置工作原理示意图如图1 所示。同时，本装置还具备数据实时显示、自动存储和查询的功能；在气囊压力超范围或设备故障时，能够智能识别并发出如图2 所示的声光报警提示。

图1 气囊压力智能监控装置工作原理示意图

图2 气囊压力智能监控装置报警提示

1.1 主要硬件

1.1.1 单片机

本装置选用ST 公司的STM32L151 单片机。该单片机利用Cortex-M3 内核和频率介于32 kHz~32 MHz的CPU 时钟，在不降低单片机性能的状态下保持超低功耗；集成的12 位1 MSPS 模数转换器（analog to digtal converter，ADC）进一步提高了压力传感器采样的准确性。单片机依据气囊压力管理值及采集的压力传感器电信号，通过对微气泵、微电磁气阀的控制，维持气囊压力处于管理目标值范围内。气囊压力智能监控装置主板电子元件如图3 所示。

图3 气囊压力智能监控装置主板电子元件实物图

1.1.2 压力传感器

本装置选用芜湖芯硅智电子科技有限公司生产的XGZP6847A040KPG 表压型压力传感器，工作压力为-100 kPa～1.5 MPa，压力量程为0～40 kPa。该压力传感器由应变器和调理器2 个部分组成：应变器为高精度硅压阻式压力应变器（piezoresistive silicon pressure transducer，PSPT）；调理器内置ADC、功率放大器（power amplifier，PA）、数字信号处理器（digital signal processor，DSP）等功能模组。采集的压力信号经模数转换、功率放大、数字信号处理修正后，由Vout 引脚传输至单片机读取和处理，完成气囊压力电信号的采集。

1.1.3 微气泵

本装置选用深圳市时光电子有限公司生产的SC2701XPM 微气泵。压力传感器感应到气囊压力低于下限值时，由单片机通过如图4 所示的金属-氧化物-半导体（metal-oxide-semiconductor，MOS）集成电路控制微气泵通电，实现精准充气。

1.1.4 微电磁气阀

本装置选用深圳市时光电子有限公司生产的SC0415GB 微电磁气阀。压力传感器感应到气囊压力高于上限值的持续时长达到放气时间（常设为5 s）时，由单片机通过如图4 所示的MOS 集成电路控制微电磁气阀通电，实现放气。

图4 MOS 集成电路图

本装置选用的微气泵、微电磁气阀和MOS 集成电路的绝缘等级均为A 级，符合氧舱内电气使用安全规定[9]。

1.1.5 存储卡

本装置采用1 张SD 卡作为数据存储媒介。SD卡接口直连单片机硬件SDIO（secure digital input and output）外设，SDIO 总线频率可达24 MHz。SD 卡中的数据可导入计算机专业软件中进行分析。

1.1.6 锂电池

本装置内置主电源为1 节松下NCR18650B 可充电锂电池，标称电压3.6 V、容量3 000 mAh，锂电池保护板持续工作电流≤3 A，满电续航时间＞8 h；主板设置1 节精工电子有限公司生产的MS621FE 可充电锂电池，标称电压3 V、容量5.0 mAh，为装置时钟记忆提供电源，满电续航时间＞2 a。2 款电池参数均符合GB/T 12130—2020《氧舱》中电气系统相关要求[10]。

1.2 软件

本装置系统软件由引导程序（BootLoader）和RTOS 主程序组成，采用MDK 进行嵌入式开发。

BootLoader 在操作系统内核运行之前运行，可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。其启动逻辑如图5 所示。

图5 BootLoader 启动逻辑

RTOS 主要用于系统软件初始化、自检、读取显示、输入等。系统上电后，顺序开始时钟、功能引脚、串行数据总线、非易失存储器、ADC、实时时钟（realtime clock，RTC）、LCD 显示模组（LCD module，LCM）等功能模组的初始化。初始化完毕后，执行传感器、微气泵、微电磁气阀等主要部件功能的自检，如自检出部件功能异常，LCM 会显示异常代码。自检完毕后，RTOS 统筹传感器数值读取（频率1 次/s）、LCM刷新、按键读取、微气泵驱动、微电磁气阀驱动、电量检测、数据存储等诸多任务项目，保证装置高效、智能、精准完成气囊压力智能监控管理。

2 使用方法

在高压氧治疗准备阶段，按照图6 所示安装方法连接管路，安装时注意旋紧鲁尔接头，确保气密性。

图6 气囊压力智能监控装置安装示意图

操作步骤如下：（1）装置通电启动、自检后进入备用状态，按“Menu”键后屏幕显示主菜单界面。（2）选择并进入档案管理界面，录入患者ID 号。（3）返回主菜单界面后，选择并进入监控参数设定界面：首先，进入压力设置界面，设置气囊压力管理目标的上限值（30 cmH2O）和下限值（25 cmH2O）；其次，进入放气时间设置界面，将放气时间（即气囊压力持续高于上限值的时长）设置为5 s。常规高压氧治疗方案的环境压力变化幅度为100 kPa，将放气时间设置为5 s，有利于减少减压阶段“Hi”报警提示。（4）参数设定完毕后长按“R/P”键，设备正式运行，屏显数据如图7所示。图7（a）显示即时监测数值和逆时60 s 时段数值线图，绿灯闪烁提示气囊压力在25~30 cmH2O 范围内；图7（b）显示即时监测数值、“Hi”提示码，红灯闪烁提示气囊压力＞30 cmH2O 的持续时间＞5 s。装置运行期间监控数据存储于SD 卡中，供使用结束后查询和导入计算机分析。

图7 气囊压力智能监控装置数据显示界面

3 临床应用

2020 年10 月至2022 年2 月，将本装置应用于20 名高压氧治疗患者（计324 人次），治疗方案为：治疗压力100 kPa（表压）；一级吸氧30 min×2 次、间歇呼吸舱内压缩空气5 min；总治疗时间100 min。分析SD 卡存储的100 min 治疗时长监控数据，发现气囊压力处于25~30 cmH2O 范围的累计时长均＞99 min。

以进行高压氧治疗的某患者为例进行本装置应用效果分析，患者一般资料：男性，45 岁，脑出血血肿清除术后15 d，中度昏迷，格拉斯哥昏迷评分（Glasgow coma scale，GCS）为9 分（E3V1M5），气管切开状态，自主呼吸，呼吸频率为12~16 次/min。装置的气囊压力管理目标值设为25~30 cmH2O，治疗结束后查询SD 卡存储的气囊压力监控数据如图8 所示。运用计算机软件进一步分析，100 min 高压氧治疗期间记录气囊压力数值6 000 次（1 次/s），均值为（26.12±1.79）cmH2O，在25~30 cmH2O 范围内时长占比为99.80%。“Hi”“Lo”提示码显示频次与患者咳嗽、屏气、呃逆、吸痰等影响胸腔压力的事件有关，间接体现了患者高压氧治疗期间呼吸运动平稳情况。

图8 高压氧治疗期间气囊压力监控数据

4 结语

本装置以单片机为核心，在软件统筹下实现了氧舱内气囊压力智能监控、实时显示、自动存储、声光报警提示、监控数据回顾查询和分析等功能，避免了现有氧舱升压前单次人工气囊注气、注水操作等气囊管理方法的缺陷。本装置可克服氧舱内环境压力变化的不利影响，实现患者气囊压力25~30 cmH2O范围时长占比＞99%，降低了气囊压力管理不当导致的HAP/VAP 发生率及气道黏膜受压损伤风险，提高了高压氧治疗的安全性和疗效。

本装置为临床提供了一种高压氧治疗期间人工气道气囊压力的持续监测和自动管理方案，拓宽了氧舱智能化的理念[11]，具有较好的推广应用前景。本装置的不足之处在于未实现气囊监控数据舱外显示功能，在后续的研究中，可以利用物联网技术实现氧舱外医护人员通过智能终端设备实时了解患者气囊压力状态的功能。

志谢感谢无锡康莱医疗科技有限公司倪文彬、 侍明春工程师对装置研制给予重要支持