（生物医学工程专业论文）呼吸力学参数监测系统的研究.pdf

型盔兰坐堂垡生统的需要，满足测试精度和规格。最后，本课题还对测量系统临床应用时的风险做了分析，提出了风险分析的控制措施，并在软硬件测试阶段和临床实验中明确了风险分析控制措施验证方案和验证报告，为模块产品化的实施奠定了坚爻的基础。本课题完成的呼吸力学模块产品样机，实现了十八项呼吸生理参数的监测，完成了样机评审所需的开发文档，为模块的产品化奠定了坚实的基础。呼吸力学模块的产品化可以提高监护仪的性能，同时可以作为呼吸机的参数监测部分。这个呼吸力学测量系统的诞生，弥补了国内呼吸力学参数检测技术的不足，缩关键词：呼吸力学参数监护仪呼吸机英文摘要s t u d yo nm e a s u r e m e n ts y s t e mo fr e s p i r a t o r ym e c h a n i c sp a r a m e t e r sb i o m e d i c a le n g i n e e r i n gc a n d i d a t e ：h u a n gz h i w e is u p e r v i s o r ：p r o g u oz u o d ar e s p i r a t o r ym e c h a n i c si sas u b j e c tw h i c hr e s e a r c h st h em e c h a n i c sp r o b l e m so fr e s p i r a t o r ys y s t e mi nr e s p i r a t i o np h y s i o l o g yb ye n g i n e e r i n gv i e w p o i n ta n dm e t h o d t h ea i mo fs t u d y i n gm e c h a n i c sp r o b l e m so fr e s p i r a t o r ys y s t e m ，i st h a ti tc a nh e l pt ou n d e r s t a n dr e s p i r a t o r yp h y s i o l o g ya n dp a t h o l o g i c ，s ot h er e s e a r c hh i g h l i g h ti st h em e a s u r e m e n to fr e s p i r a t o r ym e c h a n i c sp a r a m e t e r s t h em e a s u r i n go fr e s p i r a t o r ym e c h a n i c sp a r a m e t e r si sa ni m p o r t a n tm e t h o do fe v a l u a t i n gl u n g sf u c t i o nd u a r i n gt h ep a t e n t so p e r a t i o n ，a n dam e t h o do fm o n i t o r i n gt h ec u r r e n ts t a t eo fv e n t i l a t o r t h e s ea r ei m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n tp r a c t i c a l l yi nc l i n i c t h et h e s i sw a sb a s e do nt h er e q u i r e m e n tw h i c hw a sm a d eo fr e a l t i m em e a s u r e m e n to ff l o wa n dp r e s s u r ea n dt h e nd e r i v a t e dt h ec o r r e l a c tp a p a m e n t e r s t h et h e s i sd e s i g n e dan e w - s t y l em e a s u r e m e n ts y s t e mo fr e s p i r a t o r ym e c h a n i c s t h et w os i d e so ff l o ws e n s o rr e s p e c t i v e l yc o n n e c t e dt h ep a t e n t sa i r w a ya n dv e n t i l a t o r p h y s i c a l l yt h ef l o ws e n s o rv q a sat h i nm e m b r a n ew i t h i nah o u s i n g t h em e m b r a n ea l l o w e db i d i r e c t i o n a lf l o wt h r o u g hi t sv a r i a b l eo r i f i c e t h eo r i f i c ec h a n g e di t sd i a m e t e rd e p e n d i n go nt h ef o l wr a t ei to p e n e dp r o g r e s s i v e l ya st h ef l o wi n c r e a s e s ，c r e a t i n gap r e s s u r ed r o pa c r o s st h eo r i f i c e t h ep r e s s u r ed i f f e r e n c ew a st h e nm e a s u r e db yah i g h p r e c i s o nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o lt h ep r e s s u r es e n s o r sc o n v e n e dt w op r e s s u r es i g n a l si n t ov o l t a g es i g n a l so fm vd e g r e e t h et w ov o l t a g es i g n a l sw e r ea m p l i f i e db ya p p e a r a n c ea m p l i f i e ra n dt h e nc o n v e n e dt h ed i g i t a ls i g n a l sb ya dc o n v e r t e em c us y s t e mc a l c u l a t e da n dp r o c e s s e dt h ed i g i t a ls i g n a l s ，g o tt h ef o l wa n da i r w a yp r e s s u r e f l o w , a i r w a yp r e s s u r ea n dt i m ew a st h et h r e ef u n d e r m e n t a lp a r a m e t e r sw h i c hc o u l dd e t r u d ec o r r e l a t er e s p i r a t o um e c h a n i c sp a p a m e t e r s ，t i m ew a sd e s i d e db ys a m p l i n gi n t r o d u c e m c us y s t e mt r a n s m i t e df l o w , p r e s s u r ea n d四川大学硕士学位论文v o l u m et or a mt od i s p l a yt h ew a v ea n dl o o p ，a n dt r a n s m i t e dc o r r e l a t ed e t r u d e d e dp a r a m e t e r st od i s p l a yt h ep a r a m e t e rt h et h e s i sc o n f i r m e dt h es y s t e m ss p e c i f i c a t i o na n dd e s i g nd e m a n do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，f i n i s h e dt h eh a r d w a r ed e s i g n ，p a r tl e c t o t y p ea n dm o d u l ed e b u g g i n g ，f i n i s h e dt h es o f td e s i g na n dt e s t i n g ，m a d eac o n t r a s t i v et e s tw i t hv e n t i l a t o rt e s ts e tw h i c hi n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mc o u l dm o n i t o rt h ep a r a m e t e r sa c c u r a c y l ya n dr e l i a b l y a n dt h ef o r m u l ab e t w e e nf l o wa n dp r e s s u r ed i f f e r e n c ew a sd e m a r c a t e di nl a b o r a t o r y , t h ef l o ws e n s o ra n dp r e s s u r es e n s o rw e r ev a l i d a t e dt ob ev a l i da n df e a s i b l e f i n a l l yt h et h e s i sa n a l y s e dt h er i s k si nt h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n ，p u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e sa n dv a l i d a t et h o s ef e a s i b i l i t y , w h i c he s t a b l i s h e daf i r mb a s ef o rm o d u l ep r o d u c i n g t h er e s p i r a t o r ym e c h a n i c sm o d u l er e a l i z e dt h em o n i t o r i n gt h ee i g h t e e nr e s p i r a t o r yp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，f i n i s h e dt h ee x p l o i t a t i o nd o c u m e n tw h i c ht h es e n a t en e e d e d t h ep r o d u c t i o no fr e s p i r a t o r ym e c h a n i c sm o d u l ec o u l di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h em o n i t o r , a n db ea sap a r a m e t e rm o n i t o r i n gp a r to fv e n t i l a t o r t h eb i a h o ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mm a d eu pt h el a c ko fd o m e s t i cm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fr e s p i r a t o r ym e c h a n i c sp a r a m e t e r , a n dr e d u c e dt h et e c h n i c a ld i s t a n c ew i t ht h ep r o c u c t so f m u l t i n a t i o n a lc o m p a n y k e yw o r d s ：r e s p i r a t o r ym e c h a n i c sp a r a m e t e r ；m o n i t o r ；v e n t i l a t o rv1 绪论11 课题研究背景本课题来源于深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，属于公司实习课题。目前国内监护仪呼吸参数监测多采用阻抗法，只能测量呼吸频率，不能反映呼吸通道的流量、压力和病人呼吸的气体容积等生理参数，对于在机械辅助通气过程中可能给病人造成气压伤、容积伤和肺膨胀不全等不良作用的气道状态不能进行有效的实时监测。呼吸力学是以工程学的观点和方法研究呼吸生理学中呼吸系统的力学问题。研究呼吸系统的力学问题，是希望能有助于对呼吸生理和病理的了解，因此研究的重点就在于呼吸力学参数的测量。呼吸力学参数的测量是肺功能评价和手术病人麻醉过程中对n 乎吸功能评价的重要方法，也是对呼吸机当前的状态提供动态监测的方法，这些在l 临床上都具有重要的实际意义“1 。国外采用呼吸力学测量技术的公司主要有d a t e x o h m e d a 、g e 、h a m i l t o n 、p h i l i p s 等，而能以o e m 方式提供呼吸力学模块的生产公司主要有c p t 、n o v a m e t r j x 等。国产监护仪中还没有采用这项技术，如能开发完成呼吸力学模块并应用到监护仪中将可以提升监护仪的性能，实现监护仪的多参数化，就可以弥补国内在这项技术开发方面的不足，缩小与跨国医疗公司监护产品的距离。1 2 课题研究意义随着医疗技术的发展，机械辅助通气成为临床急救和生命维持的关键技术，可靠地监测机械辅助通气系统的工作状态是保证正确使用机械辅助通气设备的前提。利用监护仪实现对上述系统的监测是新型或高级监护仪的扩展功能，研制能应用于监护仪的呼吸力学参数j l 盔测系统已是迫在眉睫。但从我们的调查所知，目前在国内还没有厂家研发呼吸力学模块监护仪，而购买国外带呼吸力学参数监测功能的监护仪则价格昂贵，外购呼吸力学监测模块也存在价格高的问题，如能自主研发这个模块将有利于国内监护仪企业开拓这方面的市场。呼吸力学参数是监护仪和麻醉呼吸机中重要的一个扩展参数，每年市场需求量都很大。如能研发拥有自主知识产权的呼吸力学模块并应用于监护仪，将可以提升监护仪的高级参数水平，也可以为开展麻醉机项目奠定气路工作状态四川大学硕上学位论文监测的基础，更能使国内监护产品在日益激烈的市场上具备更大的竞争力，符合市场和技术的长远发展规划。1 3 课题研究内容本课题的目的主要是借鉴c 0 2 气体模块监测的原理，设计- s t 易于操作、人机界面友好，并能对病人呼吸力学参数进行实时准确可靠监测的模块，以便给医生提供监护及抢救指导，最大可能的挽救病人的生命。呼吸力学测量系统的最终设计要求主要包括：1 1流量、气道压力、潮气量、分钟通气量、呼吸率等一系列呼吸力学参数的监测；2 1流量、气道压力、潮气量等参数的测量范围满足临床需求和制定的规格；3 1上位机上菜单、实时波形、1 8 个呼吸力学参数的显示；4 )f l a s h 在线校准气道压力和流量对应的压差；5 )窒息、流量传感器脱落、电源等一系列报警功能。本课题的研究内容主要从硬件电路和软件波形识别等方面进行设计和改进，通过实验室和临床对比来确认呼吸力学参数监测的准确性和临床应用的有效性。主要的工作体现在：1 ) 硬件电路的设计与优化；2 ) 气道压力的测试与校准；3 1 流量与压差的关系曲线标定及验证：4 ) 模块上电自检程序的编写；5 ) 临床对比和临床应用需求的研究；6 1 呼吸力学模块的产品化。1 4 小结本章主要介绍课题的来源，研究背景、意义和内容。其中在课题背景方面分述了传统测量方法的不足、呼吸力学的定义以及研究的现状。在研究意义方面介绍了研究的可行性、与公司项目开展的相关性。最后说明了课题研究的主要工作和设计要求。2 系统规格需求与设计方案2 系统规格需求与设计方案呼吸力学参数监测系统的设计意义和设计任务已在绪论部分做了介绍。根据系统功能的总体要求，本章主要介绍系统具体的规格需求，并按规格需求设计出硬件与软件的方案。21 系统规格需求2 1 1 系统设计思想i 】乎吸力学模块是基于流量压差传感器和压力监测方法对呼吸通道的相关参数进行实时j 监测，达到实时了解当前呼吸道的状况以及呼吸机的设置，同时还可以了解病人呼吸功能的状态，为评价病人的呼吸状态和正确使用呼吸机提供参考依据“1 。麻醉机：图21 系统设计思想框架本呼吸模块与监护仪通过串口进行通讯，并受到监护仪监控，同时借助于接在病人和麻醉机气道中的流量传感器对病人的呼吸生理参数和麻醉机的工作状态进行监测。用于麻醉手术室、重症监护室和急诊室等科室中对需要使用呼吸机进行辅助呼吸的病人进行呼吸状态监测，同时还能对呼吸机工作状态的进行监测，指导呼吸机状态的设置。2 1 2 模块规格参考源四川大学硕：i ：学位论文表21 呼吸力学模块规格参考源序号公司名称呼吸力学模块的名称1c p tm e t e o r2n o v a m e t r i xf i o t r a k3g es o l o r 8 0 0 0 m4d a t e x o h m e d ac a p n o m a cu l t i m a213 参数规格2 1 3 1 测量的18 个呼吸力学参数名称呼吸率r r ( b p m ) 、吸气与呼气时间比i ：e 、第一秒呼气量f e v l 0 ( ) 、平均气道压力m a p ( c m h 2 0 ) 、吸入潮气量t v i ( m 1 ) 、呼出潮气量t v e ( m 1 ) 、每分吸入换气量m v i ( l ) 、每分呼出换气量m v e ( l ) 、呼气末端正向压力p e e p ( c m h 2 0 ) 、峰值呼气流量p e f ( l m i n ) 、峰值吸气流量p i f ( l m i n ) 、峰值吸入压力p i p ( c m h 2 0 ) 、平台压力p p l a t ( c m h 2 0 ) 、动态顺应性c d y n ( m l c m h 2 0 ) ，气道阻力r a w ( c m h 2 0 ( l s ) ) ，浅呼吸指数( r p m l ) ，负吸入压力( c m h 2 0 ) ，呼吸做功( j l ) 。2 1 3 2 主要监测参数的规格流量：测量范围：成人、小儿：( 2 1 2 0 ) l m i n新生儿：( 0 5 3 0 ) l m i n测量精度：2 5m l s 或者读数的1 1 0 ，取较大值。分辨率：0 1l r a i n气道压力：测量范围：一2 0 0 1 2 0 0c m h 2 0测量精度：读数的士3 分辨率：0 1c m h 2 0每分钟唤气量：测量范围：成人、小儿传感器：2 6 0 l m i n新生儿：0 5 15 l m i n精确度：读数的土5 潮气量测量范围：成人、小儿传感器：1 0 0 1 5 0 0m l42 系统规格需求与发i t 方案新生儿传感器：2 0 5 0 0m l分辨率：成人、小儿：1m l新生儿：1 m l呼吸率：测量范围：成人、4 , jl ：4 9 9b p m新生儿：1 0 9 9b p m精度：士2b p m频率响应：成人、d , j l 新生儿不小于3 0i - i z2 1 3 3 导出参数的规格表22 导出参数规格测量参数测量范围呼气、吸气时间比1 2 0 ：1 1 ：1 2o第一秒呼吸量f e v lo 0 1 0 0平均气道压力( c m h 2 0 )o 1 2 0呼气末端正向压力p e e p ( c m h 2 0 10 1 2 0峰值呼气流量p e f ( l m i n l2 1 2 0峰值吸气流量p l f ( l m i n l2 1 2 0峰值吸入压力p i p ( c m h 2 0 1o 1 2 0平台压力p p l a t ( c m h 2 0 1o 1 2 0顺应 生( m l c m h 2 0 10 2 0 0气道阻力( c m h 2 0 l m )o ，1 0 0浅呼吸指数( r p m l )0 4 0 9 5负吸入压力( c m h 2 0 )o 1 2 0呼吸做功( j l )0 6 4 02 14 模块功能特性波形显示数据气路流量、气路压力、压力一容积、流量一容积。应用模式成人4 , j l ；新生儿。四川大学硕士学位论文自动调零测量过程中定时自动调零。手工调零发指令强制执行调零操作，完成后恢复测量状态。压力和压差自动修正上位机发出修正命令并给出标准压力和压差值，由下位机进行自动修正和储存。报警信息1 呼吸窒息信息报警：所测得的窒息时间超出预定值范围时即触发报警。2 板卡报警信息提示：报警信息；未接流量传感器或无气路流量；出错信息；系统自检出错；通讯出错；电压异常错误；校零或压力传感器或放大电路出错。2 1 5 通讯规格接口：r s 一2 3 2 接口串口通讯设置：表2 3 串口通讯设置数据格式1 位起始位+ 8 位数据位+ 1 位奇校验位+ 1 位停止位校验方式奇校验l波特率19 2 0 0 b p s通讯协议：迈瑞公司呼吸力学模块的通讯协议。2 1 6 机械规格暂定为9 0 m m 8 0 m m 2 8 m m ( - k 宽高) ，将根据实际情况来调整这个模块的p c b 的外形和尺寸( 将不大于上述的尺寸) 。2 17 环境规格2 1 7 1 工作环境条件温度：5 。c 6 0 。c相对湿度：1 5 9 5 无冷凝大气压：5 0 0 - - 8 0 0 m m h g2 系统枷恪需求与设汁方案2 1 7 2 存储环境条件温度：2 0 。c 6 5 。c相对湿度：o 9 5 ，无冷凝大气压：5 0 0 - - 8 0 0 m m h g2 2 系统设计方案乎吸力学参数测量系统由三部分组成：硬件、软件和压差式流量传感器，其中硬件将完成信号放大、转换、软件运行和上位机通讯的平台：软件将完成电路控制、信号处理、相关参数计算等；压差式流量传感器将完成气道信号的感应和传递，最终结合上位机的显示、报警、存储、传输等功能完成呼吸力学模块的测量和应用功能”1 。系统结构框图如图2 2 所示。注：1 ) 虚线标识气路连接，2 ) 箭头标识信号流图22 系统设计方案结构2 21 硬件设计方案呼吸力学模块的硬件系统是系统软件的载体，并借助于系统软件共同实现数据采集和处理、状态监测和1 8 项呼吸参数的计算，并通过串口与上位机通讯。硬件系统原理框图如图2 3 所示。四川大学硕士学位论文图23 硬件系统原理框图2 2 1 1 电源电路输入电压为+ 1 2 v d c _ _ _ 1 0 ，电流1 5 0 m a ，呼吸力学模块既有数字电路又有模拟电路，其中数字电路需要+ 3 3 v 电源，模拟电路需要+ 5 v 电源，+ 5 v 和3 3 v 电源的供电电流都要求不低于2 0 m a ，纹波均小于5 0 m v 。2 2 1 2 微处理器及其内部存储器微处理器采用t i 公司m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，时钟源采用6 1 4 4 m h z 。c p u 内部存储能力如下：r o m ( f l a s h ) ：( 6 0 k + 2 5 6 ) b y t e sr a m ；2 kb y t e s软件程序存储在( 6 0 k + 2 5 6 ) b y t e sf l a s h 存储器中，微处理器的内部r a m容量2 kb y t e s ，考虑到目前下位机软件程序量不大，c p u 自带的存储器容量能够满足需求，故没有采用外部扩展的存储器1 1 8 1 。2 2 1 3 复位、看门狗电路采用具有上电复位、看门狗功能的器件t p s 3 8 2 3 。该芯片具有独立的看门狗定时器，1 6 s 定时输出2 0 0 m s 脉宽的复位脉冲。看门狗电路用于完成系统初始复位控制并监测系统运行状况，软件运行出现异常时，能够输出复位信号，使整个系统重启。2 系统规恪需求与璇计方案2 2 1 4a d 转换电路由于c p um s p 4 3 0 f 1 4 9 自带有8 通道、12 位精度的a d 转换电路，所以本设计中没有采用外部a d 变换器。a d 转换的模拟信号包括：气路压力的模拟信号，采样率：1 0 0 h z流量传感器所感应出的压差信号，采样率：1 0 0 h z1 2 v 、5v 和3 3v 的电压监测，采样率：1 h z2 2 1 5 压力检测电路本模块的压力检测包括两部分：1 气道压力检测电路：用于检测病人呼吸气道中的压力，以便实时了解病人呼吸气道的压力状况和其他呼吸参数的计算。2 流量传感器所感应出的压差的检测电路：用于检测流量传感器两侧的压差，根据流量与压差的标定，由压差来计算呼吸气道中的流量。压力的监测精度将是影响其它参数的关键，而影响压力监测因素主要有三个：压力传感器、压力信号放大电路和模数转换器。2 2 i 6 压力传感器1 压差传感器这个传感器是与压差式流量传感器连接的，是完成这个流量传感器上的压差的监测，这个传感器的范围和精度将影响流量的监测，这里选择了1 0 i n c h h 2 0 ( 2 5 6 c m h 2 0 ) 5 0 m v 的n o v a 的固态压力传感器，确保精度为l c m h 2 0 。2 表压传感器这个传感器是与气路连接的，是完成气路内压力的监测，这个传感器的范围和精度将影响气路压力的监测，这里选择了l p s i ( 7 0 4 c m h 2 0 ) 5 0 m v 的n o v a的固态压力传感器，可以适当调整驱动以达到t 2 0 c m h 2 0 的压力监测范围，精度为士l c m h 2 0 。2 2 1 7 三通阀控制电路三通阀控制电路用于三通阀的切换控制，实现自动校准和手动校准过程中四川大学硕士学位论文气路内的采样气体在呼吸气体与大气之间的切换，三通阀的工作电压为+ 1 2 v d c ，电流为4 0 m a 左右，在切换过程中由于电磁阀是感性元件需要有能量泻放通路，确保开关动作的有效完成。2 2 1 8 流量传感器脱落监测流量传感器监测电路用于监测流量传感器是否脱落或连接不当，以避免错误的测量。流量传感器的正确连接是保证模块正常测量的前提。为了防止连接错误或测量过程中的脱落，设计一个监测报警电路是必须的。流量传感器监测电路的作用等效于一个开关。当流量传感器正常工作时，相当于开关时闭合的，监测点测到的时低电平。如果流量传感器脱落相当于开关打开，监测点测到的是高电平，上位机要报警提示。流量传感器监测电路采用d v c c 作工作电源，取1 0 0 k 和1 k 的分压电阻，另外1 k 的电阻还组成一个r c 滤波，保护c p u 的输入引脚。2 2 2 软件设计方案2 2 2 1 软件总体功能概述在硬件系统基础上，软件主要完成数据采集、处理、呼吸力学参数的计算和串口通讯功能( 接收上位机命令，发送检测结果到上位机) 。此外，为满足系统可靠性及功能安全需求，系统软件需要完成硬件系统上电后的自检和初始化设置，并具有工作状态监测和异常处理功能，对系统软、硬件出现的错误或异常进行及时处理 1 0 l 。2 2 2 2 软件功能模块划分1 安全性和可靠性功能系统自检：c p u ，f l a s h ，r a m ，w a t c h d o g ；初始化：进行系统初始化设置：异常处理：模块的工作状态( 包括工作电压、气路压力状态、两路压力传感器放大电路工作状态等) 超出正常工作范围时，进行相应处理并向上位机发送报警信息。通讯数据和命令的可靠性保证。2 系统规 ! 需求与设计方案2状态j 临测功能电源电压监测：实时监测模块的1 2 v 输入电压、5 v 模拟电源电压和3 3 v数字电源电压。如果某个电压持续超过范围，则认为系统电源工作不正常，向上位机发送该工作电压异常报警信息并使模块软件进入非人工干预状态( 死机状态) 。两路压力传感器放大电路的状态监测：呼吸力学模块在对气道压力和气路流量进行零点校准的期间，首先进行两路压力传感器的放大电路状态检测，如果出现异常，向上位机发送异常报警信息并使模块软件进入非人工干预状态( 死机状态) 。3 状态控制功能三通阀控制：控制三通阀的切换，在测量状态进气口接流量传感器的旁路，进入校零状态时三通阀将进气口切换到大气，校零结束以后三通阀重新将进气口与流量传感器的旁路连接。看门狗复位信号：小于1h z 的方波信号( 器件最大触发时间为1 6 秒) ，控制看门狗复位。4 数据采集和预处理功能数据采集：以1 0 0 h z 的采样率实现对流量压差和气路压力的实时数据采集，l h z 的采样率实现对当前模块状态的相关数据的采集，这个过程将在一个定时中断中实现。滤波处理：由于采集到的各通道的模拟信号都可能含有一定程度的随机噪声，为了消除随机噪声对测量结果的影响，需要根据各模拟信号的频带、采样率和对测量精度的要求进行相应的滤波处理，这个过程也在上述的定时中断中完成。5校零功能零点校准有以下两种方式：定时自动的零点校准开机完成硬件和系统检验后第0 分钟，第1 0 分钟，第3 0 分钟，之后每3 0分钟进行自动零点校准。人工干预的零点校准通过上位机向呼吸力学模块发送零点校准命令，模块接收到命令确认之后进四川大学硕：l 二学位论文入零点校准过程，之后零点校准的处理要求同上述的自动零点校准的处理要求是一样的。6 校准功能上位机发出修正命令并给出标准压力和压差值，由下位机进行自动修正并将修正参数储存入f l a s hr o m 的信息区。7 数据处理功能波形识别和呼吸参数计算：根据获得的流量波形进行特征波形的识别，并进一步根据当前的气道压力和时间进行1 8 项呼吸力学相关生理参数的计算，同时以n ( 3 n 8 可通过软件设置) 个呼吸周期的数据的平均值作为当前的上传显示数据( 首次显示呼吸力学数据至少应有3 个呼吸波) ，这个过程将在呼吸周期末进行。8 通讯功能模块通过串口以中断方式向上位机发送流量、压力和容积的实时数据以及每个呼吸周期计算得到的1 8 个呼吸参数。同时下位机接受上位机指令控制，并把检测结果和模块工作状态等信息发送到上位机。波特率暂定为1 9 2 0 0 b p s ，数据格式为1 位起始位+ 8 位数据位+ 1 位奇校验位+ 1 位停止位t 1 7 1 。9 其它说明特征参数的刷新：一是首次识别呼吸波时将在完成第五个呼吸波时将识别和计算出特征参数发给串口中断的数据缓冲区，用于串口通讯；二是将以每识别一个周期的呼吸波的间隔将当前的计算参数与过去的4 次呼吸特征数据平均后数值送入串口中断的数据缓冲区，用于串口通讯。波形数据的刷新：将以实时的形式( 2 0 m s 的间隔) 不断地发送入串口中断的数据缓冲区，用于串口通讯。呼吸力学环：将每间隔一次呼吸再刷新。状态数据的刷新：上电自检完成后主动将结果数据送入串口中断的数据缓冲区，上位机请求后将结果数据送入串口中断的数据缓冲区，异常发生时将数据结果送入串口中断的数据缓冲区，用于串口通讯。2 系统规格需求与髓汁方案2 3 流量传感器23 1 流量传感器的技术要求流量测量范围：成人、小儿：( 2 1 2 0 ) l m i n新生儿：f o5 4 0 1l m i n测量精度：2 5m i l s 或者读数的土1 0 ，取较大值。分辨率：0 1l r a i n2 3 2h a m l l t o n 传感器h a m i l t o n 公司提供应用于成人d , j l 和新生儿的流量传感器。流量传感器可以为临床医生提供气路开口处的有用数据。精确的容积、流量和压力数据提供了更好的病人病情评估。流量传感器可以在湿气和分泌物的环境下可靠地工作。事实上，流量传感器是一个空腔内的薄膜。这层膜允许双向气流通过它的可变孔。这个孔根据流速改变孔径。随着流速增加孔径变大，在孔两边形成一个压降。压差通过呼吸机内部的高精度微分压力传感器测量。h a m i l t o n 可重复使用的流量传感器提供病人呼吸回路精确的流量、容积和压力测量。可变调节孔在潮湿和分泌物的情况下也可以提供精确的信号。病人范围：婴幼j l n 成人流量：o 1 8 0 l ，m死腔容积：1 1 m l阻抗：小于1 ，6 m b a r 1 s重量( g ) ：1 1w ot u b i n g s ，6 0t o t a l连接器：i s o1 5 m a t e 一1 5 m a l e材料：p m m a 管身，聚酯侧翼，p v c 导管准确性：+ 2 5m l s 或读数的+ 一1 0 ( 取较大值) ，无需校准23 3 选型结果h a m i l t o n 流量传感器符合本设计的技术要求。流量传感器型号及相关资料如下图2 4 所示。佃川i 大学硕l 学( 芷论文丘二。山。寸n i；2 三_少i 。j 卜”1 ：i 0嘎j1i52：jf l o w t i ，5 )p n l 5 5 3 6 2 压差与流量关系曲线j 。：。手一j一畸?0s s 04 s 廿 s - 02 m 1 s a 0 s0 0 i 502 1 0 ：50d 50 蒋f l o w ( 1 f s )p n l 5 5 5 0 0 压差与流量关系曲线囊ji 溪一一攀新生儿型成人小儿型成人，小儿型p n l 5 5 5 0 0p n l 5 5 3 6 2p n 2 7 9 3 3 1图24 流量传感器类型2 4 小结本章主要介绍了呼吸力学参数测量系统的规格需求，并就系统设计的总体框架进行了初步探讨，然后根据系统设计的主要工作设计了硬件和软件的方案。详细的硬件和软件设计将在后续章节加以阐述。3 系统硬件砹汁3 系统硬件设计就整个i 呼吸力学参数监测系统而言，它包括硬件实现和软件设计两大部分。系统的设计要求在第二章已经做了详细的介绍。课题的最终目的是要设计一种易于操作、人机界面友好，并能对病人i 呼吸力学参数进行实时准确可靠监测的模块，以便给医生提供监护及抢救指导，最大可能的挽救病人的生命。本章将根据系统设计要求和整体构思进行系统的硬件设计和测试，硬件部分是整个系统工作的平台。3 1 硬件设计需求硬件设计需求是依据呼吸力学模块系统方案和规格说明二传对呼吸力学模块硬件设计的要求来确定的，用于指导后续的硬件详细没计，同时也对需要软件配合的功能需求提出相应的说明。呼吸力学模块是基于压差式流量传感器和压力监测方法对呼吸通道的相关参数进行实时监测，达到实时了解当前呼吸气道的状况以及呼吸机的设置，同时还可d 2 tj f 病人呼吸功能的状态，为评价病人的呼吸状态和正确使用呼吸机提供参考依据。以下从功能性需求、性能需求、电气特性需求、环境需求、机械需求和安全性需求六个方面来详细说明呼吸力学模块的硬件需求。31 1 功能i 生需求呼吸力学模块硬件的基本功能包括以下几个方面：1 压差式流量传感器实现压力传递；2 压差的测量及其信号的滤波和放大；3 模块电路状态的实时监测；4 流量传感器脱落报警电路；5 零点校准的气路连接和三通阀控制：6 数字信号的处理，包含模数转换、c p u 和其它外围电路部分：7 信号通讯，与外界实现串口通讯：8 系统供电，用于从外界获得供电和进一步向模块提供各种工作电压。四jr i s k 学f i j 士学位论文3 1 1 1 流量传感器的选型1 流量传感器选用h a m i l d o n 公司气流传感器，它分为三个类型：一次性成人小儿型( p n 2 7 9 3 3 1 ) ，一次性新生儿型( p n l 5 5 0 0 0 ) ，可重复使用的成人小儿型( p n l 5 5 3 6 2 ) 。2 呼吸模块气路连接呼吸力学模块上的气路连接如图3 1 所示，是呼吸通道信息与模块之间实现信息传递的关键，主要是通过一个双路气道来与压差传感器的两个压力感应端口连接。其中一路气道通过一个三通管与另一个表压传感器的压力感应端连接。双路气道分别与两个三通电磁阀连接，可以实现与外界的直接连通。图31 呼吸力学模块气路连接图3 1 1 2 压差的测量及其信号的滤波放大处理关于压差的测量分为用于计算流量的压差测量和用于计算气道压力的压差测量。1 用于计算流量的压差测量电路1 ) 压力传感器：选用n o v a 公司压差传感器型号：n p c 1 2 1 0 1 0 w d 3 s量程：1 0 英寸水柱( 2 5 4 c m h 2 0 )满量程输出：5 0 m v3 系统硬件| 殳计i 一罐图32 压力传感器外观及其封装图2 ) 信号放大电路放大电路的增益要求压力信号的放大电路采用两级放大，放大电路总的增益a u = a u l a u 2 =l7 9 7 ，激励电流1 4 5 m a ，5 0 m v 满量程输出放大后的电压为8 9 8 v 。实际应用中，放大后的压力信号变化范围为：o 3 3 v 对应的压力为：o 9 3 c m h 2 0 。根据流量传感器流量与压差的对应关系3 i c m h 2 0 的压力对应1 2 0 l m i n 的流量，故上述压力的测量范围可以满足使用要求。第二级运放参考电压的要求第二级放大电路采用差分运放电路。用软件的方法实现负压测量，将第二级放大电路的参考电压抬高到当压力为零时放大电路输出电压为v a d j 2 = 1 6 5 v ，对应的a d 为2 0 4 8 。下位机计算时将测量过程中的压力减去零点初值2 0 4 8 ，相应地获得正负压力和流量测量。根据流量传感器压力与流量的对应关系，要测量一1 2 0 + 1 2 0 l m i n 的流量，只需测得一3 1 + 3 1 c m h 2 0的压力。当压力传感器监测到3 1c m h 2 0 的压力时，放大电路输出的电压为1 1 + 1 6 5 = 2 7 5 v 。当放大电路输出的电压为2 8 9 v 时，对应的压力值为3 5 c m h 2 0 ，对应1 5 0 l m 的流量。故用软件实现的上述方法可以满足实际测量正负流量的需求。通频带的要求采用无源滤波器，截止频率不小于3 0 h z 。2 用于计算气道压力的压差测量电路1 1 压力传感器：选用n o v a 公司压差传感器四川大学硕上学位论文型号：n p c 1 2 l o 一0 0 1 d 3 s量程：l p s i ( 7 0 3 c m h 2 0 )满量程输出：7 5 m v2 ) 信号放大电路放大电路的增益要求压力传感器在激励电流1 5 m a 时，量程为7 0 3 l c m h 2 0 。适当减小压力传感器的激励电流可以扩大测量范围，将激励电流减小为o 7 3 m a 时，则量程可扩大到1 4 4 1 4 c m h 2 0 。因为a d 变换的参考电压为3 3 v ，压力传感器的额定满量程输出电压为7 5 m v ，为了得到较为平滑的压力波形，放大电路的整体放大倍数在3 6 5 。这样当压力传感器满量程输出时，气道压力的模拟信号电压是2 7 3 8 v 。所以0 2 7 3 8 v 的电压变化对应0 - - 1 4 4 1 4 c m h 2 0 的压力变化，满足一2 0 + 1 2 0 c m h 2 0的压力测量范围。c p u 自带的1 2 位a d 的输入电压范围为o 3 3 v ，不能输入负电压，则需要给仪表放大器加一定调节电压，使负压输出时a d 输入不为负值。压力信号的放大电路采用两级放大，将第二级差分运放的参考电压抬高到不小于2 0 c m h 2 0 对应的放大电压o 3 8 v ，取调节电压v a d j l = o 5 5 v ，分压电阻值为r 5 2 = 3 k 、r 4 2 = 1 5 k 。下位机计算时将测量过程中的压力减去零点初值o 5 5 3 3 + 4 0 9 6 = 6 8 3 ，相应地获得正负力的测量。这样当两级运放放大电压信号之后，一2 0 c m h 2 0 压力对应的电压为0 3 8 + 0 5 5 = 0 1 7 v ，1 2 0 c m h 2 0 对应的电压为2 2 8 + 0 5 5 = 2 8 3 vt 9 lo第二级运放参考电压的要求用软件的方法实现负压测量，将参考电压抬高为2 8 9 c m h 2 0 压力时对应的电压o 5 5 v ，转换后读数为6 8 3 。将测量过程中的压力减去零点初值6 8 3 ，相应地可以实现一2 0 + 1 2 0 c m h 2 0 的压力测量。通频带的要求采用无源滤波器，截止频率不小于3 0 h z 。3 1 1 3 三通阀控制电路三通阀控制电路用于三通阀的切换控制，实现调零过程中呼吸气道与大气3 系统硬件| 殳计之间的切换，三通阀的工作电压为+ 1 2 v d c ，电流为4 0 m a 左右，功率5 5 0 m w 。三通阀的控制采用m o s 管做驱动。m o s 管2 n t 0 0 2 l t l 的驱动电流为8 0 0 l n a ，导通电路1 3 5 欧，但连续电流为1 l5 m a 。c p u 的控制线经电平转换为5 v 电平。当c p u 输出为“1 ”时，m o s 管的v g s 电压约为4 5 v ，查m o s 的转移特性曲线，得i d 电流为3 0 0 m a 左右，大于4 6 m a ，能确保三通阀正常动作e 1 4 1o3 1 1 4 流量传感器脱落监测电路流量传感器监测电路用于监测流量传感器是否脱落或连接不当，以避免错误的测量。流量传感器的正确连接是保证模块正常测量的前提。为了防止连接错误或测量过程中的脱落，设计一个监测报警电路是必须的。流量传感器监测电路的作用等效于一个开关。当流量传感器正常工作时，相当于开关时闭合的，监测点测到的时低电平。如果流量传感器脱落相当于开关打开，监测点测到的是高电平，上位机要报警提示。流量传感器监测电路采用d v c c 作工作电源，取1 0 0 k 和1 k 的分压电阻，另外1 k 的电阻还组成一个r c 滤波，保护c p u 的输入引脚。3 1 1 5 模块电路状态的实时监测1 模块工作电压的监测呼吸