（机械电子工程专业论文）基于linux的呼吸机控制系统的研究.pdf

摘要 随着机械电子技术和医疗器械的发展，对呼吸机的性能提出了更高的 要求，导致计算机控制在呼吸机上的应用越来越广泛。本文从系统的实时 性和稳定性出发，研究和实现了基于l i n u x 的呼吸机实时控制系统。 首先，深入研究了呼吸机的控制原理，并在此基础上进行了呼吸机实 时控制系统的硬件结构设计。利用数据采集卡对压力和流速进行数据采 集，通过步进电动机调整按需阀的角度和方向，实现对压力和流量的控制。 其次，在实现呼吸机的计算机控制中，完成了最重要的一步一采集系 统硬件驱动程序的编写。探讨了l i n u x 下开发设备驱动程序的方法，分析 了系统中采用的p c i 总线标准体系结构。并针对具体的呼吸机信号采集系 统的设备，结合p c i 总线标准，本文详细论述了如何在l i n u x 操作系统下 实现对该设备进行驱动程序的开发以及在开发过程中需要注意的问题。 最后，设计编制了控制软件。总体上采用模块化设计，即将控制模块 分为多个子模块，每一予模块实现一项特定的功能。实现了呼吸参数、呼 吸模式的选择，以及控制量的计算，最后根据计算所得控制量进行了实时 输出控制。并采用了安全报警功能，保证了控制系统的安全性。同时，进 行了人机界面的设计，动态显示了呼吸机的工作状态。 本课题所开发的基于l i n u x 的系统增强了呼吸机控制的实时性、稳定 性，并且人机界面友好，操作简单方便。 关键词：呼吸机l i n u x 系统 计算机控制 驱动程序 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm c h a t r o n i c st e c h n o l o g ya n dm e d i c a li n s t r u m e n t s ， t h ef u n c t i o no fr e s p i r a t o rp r e s e n t sh i g h e rr e q u i r e m e n to nr e s p i r a t o r , w h i c h l e a d st h a tt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e ro nr e s p i r a t o ri s b e c o m i n gm o r ea n d m o r ep r e v a l e n t s t a r t i n gf r o mt h er e a l - t i m ea n ds t a b i l i t y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s a n dr e a l i z e st h er e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nl i n u xs y s t e m f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l ei s s t u d i e dd e e p l y o nt h eb a s i so ft h i sw o r k ，t h e f r a m e w o r ki sd e v e l o p e d ad a t ac o l l e c t i n gc a r di st a k e nt oc a r r yo u td a t a p r o c e s s i n gf o rt h ep r e s s u r ea n dt h ev e l o c i t yo ff l o w , a n dt h es t e e p e rm o t o ri s c o n t r o l l e dt oa d j u s tt h ev a l v ea c c o r d i n gt on e e d t h u st h ep r e s s u r ea n d v e l o c i t yi sc o n t r o l l e d s e c o n d l y ，i nt h ec o u r s eo fr e a l i z i n gt h er e a l - t i m ec o n t r o lo fr e s p i r a t o r ，t h e m o s ti m p o r t a n ts t e p ，w h i c hi st h ep r o g r a m m i n go fh a r d w a r ed r i v e ra b o u t s a m p l i n gs y s t e m ，i ss u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt o d e v e l o pt h ed e v i c ed r i v e ru n d e rl i n u xs y s t e m ，a n da n a l y z e st h es t a n d a r dp c i b u st h a ti su s e db yt h i ss y s t e m a tl a s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sh o wt or e a l i z et h e d e v i c ed r i v e ro ft h es i g n a lc o l l e c t i n gs y s t e mo fr e s p i r a t o ru n d e rl i n u xi n d e t a i l t h i r d l y ，t h es o f t w a r ea b o u tt h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dc o m p i l e d o nt h ew h o l e ，t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s e v e r ym o d u l e r e a l i z e sc e r t a i nf u n c t i o n a n dt h u s r e s p i r a t o r y c o n t r o lp a r a m e t e r s a n d b r e a t h i n gm o d ec a r tb ec h o s e n c o n t r o lp a r a m e t e r so fr e s p i r a t o ra r ec a l c u l a t e d a n df i n a l l yt h e ya r es e n tt or e s p i r a t o rt or e a l i z er e a l - t i m ec o n t r 0 1 r e s p o n d i n ga l a r m sc a nb ea c t i v a t e dr e s p e c t i v e l yw h i l er e s p i r a t o rf a i l si no r d e r t oe n s u r et h es a f e t yo ft h er e s p i r a t o r w h a t sm o r e ，t h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e i sd e s i g n e d t h ew o r ks t a t u so fr e s p i r a t o ri sd i s p l a y e dd y n a m i c a l l y t h ec o n t r o ls y s t e mu n d e rl i n u xd e v e l o p e di nt h i sp a p e ri m p r o v e st h e r e a l t i m ea n ds t a b i l i t yf u n c t i o n so ft h ec o n t r o ls y s t e mo fr e s p i r a t o r ，a n dh a s t h ec h a r a c t e r so ff r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e a s ya n ds e c u r eo p e r a t i o n k e yw o r d s ：r e s p i r a t o r ，l i n u xs y s t e m ，c o m p u t e rc o n t r o l ，d e v i c ed r i v e r n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：寺i 木兰签字日期： d 年1 月j j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：名砰水兰 签字日期： d 辟1 月i i l e t 导师签名： 五豳 签字日期： ，年f 月 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 呼吸机是医院必备的抢救设备，是延长病人生命，为进一步治疗争取 宝贵时间的重要工具。根据不同的治疗目的，呼吸机为呼吸功能不全的危 重病人提供呼吸支持，为迸一步治疗提供基本条件。呼吸机是一个肺通气 装置( l u n gv e n t i l a t o r ) ，其基本工作原理是通过气泵将氧气和空气按选定比 例混合后，以选定的频率、压力、氧气浓度、体积以及压力跃变波形送入 病人肺内和排出肺外。使用呼吸机时，需要不断监测病人的呼吸状况，若 病人能自主呼吸，则按病人的呼吸模式进行送气此外，还要求呼吸机能 培养病人自主呼吸的能力以便将来能脱离呼吸机进行自主呼吸。 随着机械电子技术的不断进步和医疗器械的国际化趋势，对呼吸机的 功能提出了更商更细致的要求，导致计算机控制在呼吸机上的应用逐渐广 泛，同时，对作为计算机与呼吸机外围设备通讯桥梁的接口系统提出了更 高的要求。在呼吸机中，接口系统的主要功能是将来自各种传感器的连续 模拟电压信号按一定的采样频率转化为计算机可以识别的数字信号，即通 过传感器将病人的呼吸状态转换成计算机可以识别的数字信息，使计算机 可以随时监控病人的呼吸状态，然后计算机经过判断分析后，通过接口， 将控制信号传递给呼吸机的执行机构( 电磁阀、继电器等) ，完成相应的一 功能。因此通过可靠地判断病人的呼吸状况，以实现实时控制呼吸机执行 机构对呼吸机发展具有很重要的意义。 l i n u x 作为一种日趋流行的系统平台，具有很大的优势。在现代计算机 中，l i n u x 操作系统具有开放的源代码，强大稳定的内核，完善的网络技 术、图形管理功能，丰富的硬件支持等诸多特点。l i n u x 操作系统具有突 出的优点【1 】： 1 软件开放性好。可选的硬件资源丰富。l i n u x 支持多种编程语言 并具有功能齐全、免费、易用的开发工具，l i n u x 可以高效运行在x 8 6 p c 、 s u n 、s p a r c 、a l p h a 、6 8 0 x 0 、p o w e rp c 、m i p s 等多种机型上，它是支持 硬件平台最多的操作系统。由于l i n u x 系统开放源代码以及它的“模块” 机制，在l i n u x 系统上，用户可以方便的为自行设计的外部设备编写驱动 程序，从这个角度上说，l i n u x 是可以适合任何硬件的。 第一章绪论 2 稳定性强。 稳定性是所有大型计算机系统所具有的性质，l i n u x 借鉴了u n i x 的设计体系并延续和发展了u n i x ，甚至可以说l i n u x 是各 种u n i x 版本与变种的集大成者1 2 j 。另外，由于l i n u x 是开放源代码的， 用户可以更深入地检验系统的安全性和可靠性，而且众多的l i n u x 专家及 爱好者在共同开发和维护着l i n u x ，一旦l i n u x 被发现有什么漏洞，很快 就能获得修正。 3 网络功能强大。l i n u x 的网络功能除了基本的连线功能，如t e l n e t 、 f t p 、r s h l o g i n 、f i n g e r 等外，建立各种网络服务器的能力更把l i n u x 的网络 功能发挥的淋漓尽致，比如，在l i n u x 上可以建立邮件服务器、路由器或 网关、w w w f t p 站、数据库服务器等【3 】。l i n u x 还提供了建立i n t e r n e t 服务器所需要的各种软件以及通过局域网或调制解调器连接i n t e r n e t 的各 种网络支持。通过网络，l i n u x 可以与w i n d o w s ，n e t w a r e ，v m s 和各种 u n i x 操作系统进行局域网或广域网范围的互联，确保l i n u x 与不同操作 系统的相互通信。 4 支持多种数据库。和所有的u n i x 操作系统平台一样，l i n u x 提供 了运行客户机服务器数据库应用程序的稳固平台，l i n u x 支持m s q l 、 m y s q l 和p o s t g r e 等免费数据库，同时支持了c ，c + + ，o d b c ，j d b c ， p e r l ，p h p 等应用编程接口。免费数据库的运行速度、性能、稳定性和可 靠性完全满足中小规模的应用系统的要求，而采用这些免费数据库可以进 一步大幅度降低软件开发的成本。另外，l i n u x 操作系统也支持o r a c l e 、 s y b a s e 和i n f o r m i x 等商业化关系型数据库系统。l i n u x 操作系统对多种免 费和商用数据库的支持，使用户可选的数据库系统非常丰富。 5 较高的实时性。l i n u x 在进程调度上区分实时进程和普通进程， 对于不同类型的进程采用不同的调度策略。在多进程环境中，通过对进程 设置适当的调度策略，可以提高特定进程的实时性。l i n u x 系统提供“模 块”机制，用户可以根据需要开发用户驱动程序，用户通过对驱动程序的 处理可以进一步提高系统的实时性和可靠性。 6 图形化的人机界面和面向对象设计开发方法的支持。l i n u x 原来 提供的界面管理器比较单调，操作也不方便，现在l i n u x 上的w i n d o w m a n a g e r 加上xd e s k t o pe n v i r o n m e n t 桌面集成环境软件g n o m e 和k d e 使得操作界面更加友好。l i n u x 提供x w i n d o w s 软件和m o t i f 开发工具包， 支持开发图形界面。同时支持o p e n g l 图形开发库，支持跨平台二维、三 维图形丌发。l i n u x 同时支持c + + 和j a v a 编程语言，提供面向对象的开发 工具。 第一章绪论 l i n u x 经过多年的发展和完善已经成为自由软件成功的典范，它以简 洁、透明、高效的优秀品质而备受推崇。l i n u x 在各个领域的应用已经成 为大的发展趋势。 呼吸机的控制系统对实时性、稳定性、安全性及入枫友好界面等方面 都提出了较高的要求。l i n u x 控制系统具有源代码开放、系统可以限制、 内核稳定、数据库和网络功能强等特性，用户可以根据需要编制出适合应 用的系统。因此，研究基于l i n u x 的呼吸机实时控制系统具有实际意义。 1 2 课题的研究意义及背景 1 2 1 呼吸机的发展的历史 呼吸机的发展经历了从简单到复杂、从功能单一到功能齐全的过程。 呼吸理论及呼吸机的发展主要经历了如下发展阶段： 1 “铁肺”时代 医学史上，可追溯到1 5 3 0 年，p a r a v e l s u s 将一根导管插入病人口中， 另一端接呼吸囊作辅助呼吸、人工呼吸，从此开始了人类的复苏术。1 5 5 5 年v e s a l i u s 在d eh u m a nc o r p o r i sf a b r i c a 记载着：在猪身上实行器官切开 术，进行简单的正压呼吸。1 9 世纪中叶至2 0 世纪初，“铁肺”开始问世， 1 8 3 3 年d a l z i e l 设计制作的铁肺，病人取座位，坐在金属的容器中，头部 露出于外。1 8 6 4 年j o h n e s 亦设计了类似的铁肺。1 9 2 9 年d i n k e r 首先提供 第一台市售铁肺。以后又有各种类型的铁肺，在人体表面施加负压或亚大 气压的器械，大致分为三类：铁肺、胸甲呼吸机( c u i r a s sr e s p i r a t o r ) 和 s a u e r b a c h 压差式呼吸机。这类呼吸机仅给病人提供短暂的人工呼吸，护 理十分困难，诸如测量血压，扪脉搏等，故难以在临床上推广使用。虽然 欧洲各国早已废弃不用，但美国却延续至1 9 6 0 年才停止使用。 2 呼吸机雏形阶段 早在1 5 5 5 年和1 6 6 7 年，v e s a l i u s 和h o o k 就发现用向肺中充气的方法 可以维持动物的生命。1 7 4 2 年，英国牧师和生理学家s t e p h e nh a l e s 发明 了第一台“呼吸机”，用于船工和矿工的急救。1 7 9 0 年t h o m a sb e d d o e s 发现给病人吸入气体可以治疗某些疾病。此后机械通气研究进入了一个新 阶段。 3 现代呼吸机的探索阶段( 2 0 世纪初2 0 世纪5 0 年代) 1 9 2 7 年被人称为铁肺的箱式体外负压通气机由d r i n k e r 发明，并成功 第一章绪论 用于因脊髓灰质炎呼吸衰竭而昏迷患者的治疗，开创了机械通气史上一个 里程碑。1 9 3 4 年f r e n k n e r 研制出第一台气动限压呼吸机一“s p i r o p u s a t o r ”， 它的气源来自钢筒，气体经两只减压阀，产生5 0 e m 水柱的压力。呼气时 通过平衡器取的足够的气流，吸气时间由开关来控制，气流经吸入管入肺， 当内压力升至预计要求时，阀门关闭，停止呼吸。他采用自动断续开关原 理以控制肺泡的胀缩。1 9 4 0 年第一台间歇正压通气( i p p v ) 麻醉机诞生并用 于胸外科手术和战伤a r d s 的抢救中获得成功。第二次世界大战初，1 9 4 0 年丹麦麻醉医师m o r e h 设计研制出第一台电动活塞泵呼吸机，每次进入肺 的容量由杠杆进行调节，使肺泡产生节律性胀缩。机上装有安全阀，调节 正负压。1 9 4 0 年至1 9 4 9 年h u s f e i d t ，k j a e r 和h a n s e n 等多次应用于胸腔 手术过程中的是一台容量型呼吸机。1 9 4 2 年美国工程师b e n n e t t 发明一种 采用按需阀的供氧装置，供高空飞行使用。1 9 4 6 年第一台间歇正压呼吸机 应用于临床，此类气控一气动压力限制呼吸机成了这一时期的主流。有效 的潮气量不能得到很好的保证是这类正压呼吸机存在的主要不足。 4 呼吸机迅速发展和广泛应用阶段( 2 0 世纪5 0 年代后) 5 0 年代开始，由于心脏外科的发展，越来越多的医师认识到机械呼吸 的优点。1 9 5 1 年世界上第一台容量控制型呼吸机由瑞典研制成功，救治了 大量由流行性小儿麻痹引起的呼吸衰竭病人。1 9 5 3 年，第一台单变量闭环 控制呼吸机由s a x t o n 和m y e r 研制成功。在呼吸机的控制史上迈出了重要 的一步。1 9 5 5 年j e f f e r s o n 呼吸机是美国市场上首先使用最广的呼吸机之 一。此外，还有m o r c h 、s t e p h e n s o n 、b e n n e t t 和鸟牌呼吸机等四种类型。 ， 进入6 0 年代，呼吸机的应用更为广泛，1 9 6 4 年e m e r s o n 的术后呼吸 机，是一台电动控制呼吸机，呼吸时间能随意调节。1 9 6 7 年b e n n e t tm a i 呼吸机制成，是一台电子线路的呼吸机，配备压缩空气泵，呼吸机功能均 由电子调节。根本改变过去呼吸机纯属简单的机械运动的时代，而跨入精 密的电子时代。呼吸机上备有压力、顺应性和呼吸功能检测装置。因此各 项功能更多，又有精密的监测仪器。 7 0 年代科学技术的发展突飞猛进，许多尖端技术( 尤其是电子技术) 被 引进到呼吸机的设计中，一大批新型呼吸机相继面世。新的通气理论和技 术得以发展和应用，使临床诊断、治疗研究工作跨上了一个新的台阶。呼 气末正压( p e e p ) ，持续气道正压( c p a p ) 、间歇指令通气( i m v ) 和t 形管技 术得到应用。1 9 7 0 年利用射流原理进行射流控制的气动呼吸机研制成功， 是以气流控制的呼吸机。全部传感器、逻辑元件、放大器和调节功能都是 采用射流原理，而无任何活动的部件，但具有与电路相同的效应1 7 。 第一章绪论 8 0 年代以来计算机技术的迅猛发展，使新一代多功能电脑型呼吸机具 备了以往不可能实现的功能，如监测、报警、记录等。1 9 8 7 年f l e u r t e h r i a n i 发明了第一台多变量反馈式闭环呼吸机。从此，功能齐全、性能先进、质 量可靠、集定压定容于一体的新型呼吸机大量出现，这是人们对呼吸生理 深入研究，是多学科高新技术交叉应用的结果，更是对临床需要的昀应。 进入9 0 年代，呼吸机不断向智能化发展，计算机技术的应用使呼吸机的 性能更臻完善。 1 2 2 国内外呼吸机的发展状况 世界呼吸机专业厂商主要有美国p u r i t a nb e n n e t t 公司、b e a rm e d i c a l s y s t e m s 公司、3 m b i r d 公司、r e s p i r o n i e s 公司和n e w p o r t 公司、西德s e i m e n s 公司、法国t e a m a 公司、瑞典的g a m b r oe n g s t r 6 m 公司、德国的d r g g e r 公司等。它们的技术特点可归纳为以下几方面； 1 台萍压力切换方式。改用容量切换方式或时间切换方式。在时间 切换模式下，有的对潮气量加以限定，有的对气道压力限定。总之，这些 措施的目的是保证气道压力不超过某一上限，以防止气量压力过高。压力 切换方式的缺点是潮气量往往过低。不能满足肺泡气体交换要求。血气分 析表明，用老呼吸机对患者进行呼吸支持治疗，几天后其p 0 2 ( 氧的压力) 、 p c 0 2 ( 二氧化碳的压力) 、p h 皆无明显改善，这种情况时有发生。尽管这 种方式能避免长时间气道高压引起的所谓“呼吸机肺”，但临床效果不理 想，成淘汰趋势。不过压力切换方式在s e i m e n s 公司1 9 9 1 年新产品3 0 0 型呼吸机上又重新得到应用，但是3 0 0 型呼吸机上同时设有时间切换和容 量切换方式。再次启用压力切换方式的理由是对新生儿和婴儿而言，它仍 是一种较安全、有效的方式。 2 s i m v 保留两种基本通气方式。对于容量切换和时间切换两种方 式孰优孰劣，医学及工程界皆无定论，仍是发展趋势。 3 加强微机作用。1 0 年前的呼吸机多采用单片机控制，而目前几乎 已完全用微机替代。新型呼吸机都设有自检验、自校正、报警参数实时显 示、通气流量及压力波形显示、多参数自动报警等功能。由于系统柔性增 强功能的改进，基本上只需要升级或新软件。因此，呼吸枫技术今后将有 更迅速的发展。 4 推出高频呼吸机。同样为了有效防止“呼吸机肺”，有的厂商推 出高频呼吸机，如a c u t r o n i c 公司的a m s 一1 0 0 0 型呼吸机。呼吸机中所谓 第一章绪论 高频是指机器通气频率为每分钟数百次，高于正常呼吸频率几十倍，但潮 气量很小，约几十毫升。它有效地解决了长期气道连续正压通气所导致的 “呼吸机肺”问题，但对l 临床血气分析改善尚未达到理想阶段。 5 。解决“呼吸机肺”。为了有效防止“呼吸机肺”，两且又能保证i 豳 床各种需要，各厂商相继增加p s 、m l m v 、m s v 、c f 、a p r v 、b u v 等 功能。已被临床证实有效的首推方式为p s ，m m v 及a p r v 也有较好阿效 果。日前，大厂商仍着眼于这方面，特别是p s 、m m v 、a p r v 等，这类 呼吸机已经约占有9 5 的市场，其共同特点是在解决“呼吸机肺”问题上 都各有所长。 我国呼吸机的研制起步较晚，1 9 5 8 年在上海制成钟罩式正负压呼吸 机。1 9 7 1 年制成电动时间切换定容呼吸机。国内的呼吸机主要有航空航天 工业部二院四部设计生产的s h 型系列中高档呼吸机、天津3 5 2 9 厂的d d h i a 型呼吸机、浙江绍兴三五仪表厂的k t h 型系列呼吸机、扬州市宁泰 医疗设备厂的h v j 型系列呼吸机、江西第五机床厂的k r 型系列喷射呼吸 机、由南昌飞机制造公司飞机设计研究所研制的x h c i a 型程控双向喷 射呼吸机和x h y i a 型仙鹤牌应急喷射呼吸机、上海医疗器械厂的s c 型系列呼吸机【4 】以及山东淄博科创电子有限公司的k c h 6 0 6 型系列呼吸 机。它们的主要特点是： 1 都是在消化吸收国外先进呼吸机的基础上，结合我国国情设计生 产的一系列商、中、低档呼吸机，然而高档呼吸机很少。 2 基本功能齐全，操作简单明了，但特殊功能很少甚至没有。 1 2 3 呼吸机的发展趋势 近2 0 年来，呼吸机的发展菲常迅速，临床应用日趋广泛，已经积累 了不少经验，有关呼吸机对人体的影响也有了更多的了解，同时也发现了 一些亟待解决的问题，l 临床上也提出了一些新的要求，正是这些问题和要 求促进了呼吸机的发展。为了满足这些要求，目前，额一代的呼吸机的性 能较以往有了很大的改善。如在呼气、吸气转换上，高档机均有两种以上 的切换方式；在通气上力求使病人更舒适，减少病人的呼吸功，触发的敏 感度越来越高；而最关键的是计算机在呼吸机上应用，微机替代电子控制 不但减低了成本，而且误差小，操作更直观、方便，计算机具有自检系统， 可以自我检查故障，缩短保养和维修的时间。 未来的呼吸机将绝大多数用微机控制，各种性能更完善，操作更直观， 第一章绪论 实现了人机对话。现在的呼吸机本身并不能改善换气功能，这将是未来呼 吸机发展的趋势。 1 2 4 课题研究的意义 本世纪中国所面临的一个很大问题是人口老龄化，由此而产生了一系 列的问题，如老人的护理等，呼吸机作为重要的护理器械，是必不可少的， 其市场前景非常可观。 目前临床抢救9 0 以上是使用进口机型，每年国家需耗费上千万元的 外汇用于购置高档呼吸机，并且呈上升趋势。我国高档智能呼吸机的研制 起步较晚，与国外公司同类产品的差距比较大，呼吸机产品的各项性能指 标比较低，处于模仿试制阶段。因此，研究开发适合国情的低成本、高可 靠性、具有监控功能和人机界面友好的呼吸机是非常必要的。今后呼吸机 发展的主流是计算机控制的呼吸机，其中，数据采集控制接口是关键，研 制高可靠性、高抗干扰性、满足实骨寸控制要求的数据采集控制系统，是先 进呼吸机研制的一个技术突破，也为国产呼吸机达到国际水平奠定了技术 基础。 本课题是以l i n u x 系统为平台，与其它操作系统相比，l i n u x 有其自 身的一些特点：多任务、多用户、多平台、使用分页技术的虚拟内存等。 同时由于它源代码完全公开，用户可以根据需要自己定制自己的操作系 统，从而能够很好的满足用户的要求。它是免费的自由软件，用其构建的 系统成本较低，而且l i ，n u x 是单内核的操作系统，并可按需求进行任意裁 减，因此具有很好的实施性，很强的稳定性、嵌入性的操作系统，并且能 很好得实现人机界面，因此本课题在l i n u x 系统平台下实现呼吸机的实时 控制。 1 3 本课题的主要工作 本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 人一呼吸机系统进行实时准确可靠监控的信号处理与显示模块，以便给医 生提供抢救及监护指导，最大可能的挽救病人的生命。 系统的最终设计要求主要包括： 1 气道压力、潮气量、分钟通气量、呼吸频率等一系列信号的检测。 2 气道压力、呼吸频率、分钟通气量、电源等一系列报警功能。 第一章绪论 及其它一些辅助功能，具体的一些参数要求及详细功能将在第3 章系 统硬件结构设计部分加以详细阐述。呼吸机系统比较复杂，它结合了医学、 机械、电子、流体力学等多学科知识，是一个多学科综合的系统工程，因 此要进行整机研制，工作量非常大，我主要针对呼吸机控制系统模块进行 研制和开发，其具体的技术内容包括： 1 对呼吸机原理进行深入的分析，设计出合理的执行机构以安全可 靠地驱动呼吸机进行工作，并设计出实时控制的硬件结构原理图。 2 对呼吸机硬件结构原理进行深入分析，针对控制系统所要实现的 功能，开发出相应系统控制软件。 3 l i n u x 下采集卡设备驱动程序的开发，主要实现几个功能： ( 1 ) 将驱动程序编写为模块形式，使驱动程序能动态加载。 ( 2 ) 采集卡采集信号，将状态输入计算机，分析病人的生理状态，从 而使计算机自动控制控制输出参数，实现实时控制。 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 2 1 呼吸生理 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 呼吸机治疗主要是应用于呼吸衰竭和呼吸功能不全的病人，所以为了正确分 析呼吸机原理，有必要了解人的呼吸生理状况。 呼吸在生理学上称为肺的通气，是指外界新鲜空气进入肺泡和肺泡内废气排 出的过程。其生理作用为维持肺内0 2 和c 0 2 分压于正常范围。 一、肺的容量及其组成 肺的容量由以下四部分组成，见图2 一l ，各部分肺容量的绝对和相对变化可 以反映心肺疾病。 錾霪 荔摹 型k 三 。 r ，荔 = = 篓 i ； 、 功能残气量 补呼气量 图2 1 肺容积与肺的容量 最大吸气水平 静息呼气水平 最大呼气水平 1 潮气量( t i d a lv o l u m e ，v t ) 为每次平静呼吸时，吸入或呼出的气体的 容积。通常为4 5 0 6 0 0 m l 。其中，约3 5 0 - - 4 5 0 m l 气体进入肺泡进行气体 交换，其余1 5 0 1 7 5 m 1 分布于气道内。潮气量随代谢的增加( 耗0 2 量 和c 0 2 量增多) 而增大。运动潮气量明显增加。受机体代谢率、运动 量、情绪等因素的影响，呼吸频率决定每分钟潮气量，潮气量越小，要 求较高呼吸频率，才能保证足够的通气量。 2 补呼气量( e r v )平静呼气后，能够再继续用力呼出的最大气体体积， 表示呼气能力。反映胸腹肌肉的力量和胸廓的运动度。 3 残气量( r v ) 用最大力呼气后，仍残留在肺内不能呼出的气体容积。 是肺内保留的最小气量。反映胸、肺弹性力量平衡。 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 4 补吸气量( i r v ) 平静吸气后，能够继续用力再吸入的最大气体容积。 当v ，增加时，i r v 就减少，反映肺、胸弹性的平衡。 以上四个容积又分别组成以下三个容量： 1 功能残气量( f r c ) 平静呼吸时，于呼气末，肺内所含有的气量。包括 残气和补充气。在呼气期，动脉血0 2 容量下降，c o ：容量上升。f r c 正 常时，上述变化很小，可忽略不计。若f r c 减少时，呼气对血中0 2 和 c 0 2 容量就变得显著。当机体代谢，吸入气体成分和肺泡通气等发生变 化时，大的f r c 可以缓冲上述各种变化对肺泡成份的影响。 2 肺活量( v c ) 用最大力量吸气后，所能呼出的最大气量。包括补吸气 量、 呼气量和潮气量。肺活量和身高成正比，和年龄成反比。男性大 于女性。 3 深吸气量( i c ) 从平静吸气末所能吸入的最大气量。包括潮气量和补 吸气量。 二、肺通气 1 肺通气量正常人平静呼吸时，一般潮气量约5 0 0 m l ( 4 5 0 6 0 0 m 1 ) 。呼 吸频率为1 2 次分( 1 l 1 4 次分) ，每分钟通气量约为6 l 。受性别、年 龄、体重和代谢情况等影响，个体之间差异很大。以体重计算，潮气量 成人为6 - - 8 m l k g ，每分钟通气量9 0 - - 1 2 0 m l k g 。 2 呼吸压力呼吸肌的收缩和舒张所引起的呼吸运动是肺通气的原动力， 即由呼吸肌的收缩引起胸廓的扩张是肺扩大的外因，由呼吸运动所造成 的肺内压与大气压之间的压力差( 呼吸压力) 则是实现肺通气的直接动 力，各种呼吸压力的含义如图2 - 2 图2 - 2 呼吸压力示意图 ( 1 ) 胸膜腔内压 在正常生理情况下，胸廓弹力方向向外，肺组织弹性向内，二者作用于胸膜 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 腔，产生胸膜腔负压。 ( 2 ) 肺泡压( 肺内压) 胸膜腔内压与肺脏向内收缩产生肺泡压。 ( 3 ) 气道内压 大气一肺泡压力差产生气道内压力的变化。在吸气时，肺泡压为负压，气道 内压力由口鼻腔向肺泡递减；至吸气末，当肺泡压与大气压平衡时，气道压力等 于大气压。呼气时，肺泡压转为正压，呼吸道内压力由肺泡向口鼻腔大气压递减： 呼气末，肺泡压和气道压与大气压达到平衡。呼吸周期中气道压力递减的梯度决 定于气道阻塞的情况，阻塞愈明显，阻力愈大，阻塞前后的压差也愈大。 ( 4 ) 跨气道压 是呼吸道扩张或压缩的压力，决定于气道壁内外压力的差数。胸腔内跨气道 压是气道内压与胸膜腔内压力的差数。吸气时胸腔内负压增加，气道扩张；呼气 时，胸腔内负压降低：气管内外压差减少，管径相应缩小。临床上采取措施，增 加呼气阻力，提高气道内压力，减少气道内外压力差，以防止气道陷闭，保持呼 气通畅。 ( 5 ) 跨胸廓压 是扩张和压缩胸壁和肺脏的总压力，相当于肺泡与胸廓外大气压的差数。肺 泡压大于大气压。胸肺扩大；反之缩小。当自主呼吸消失，使用机械通气时吸气 末的气道压力即为跨胸廓压。跨胸廓压是间歇正压机械通气的动力 ( 6 ) 跨肺压 是使肺脏扩张或收缩的压力，相当于肺泡内压与胸膜腔内压的差数。吸气时， 胸膜腔负压增加，超过肺泡内压，肺脏扩张；呼气时，负压减少，它与肺泡压差 数随之减少，肺脏收缩。 ( 7 ) 跨胸壁压 是扩张或压缩胸壁的压力，相当于胸膜腔内压与胸壁外大气压的差数。铁肺 呼吸机即利用跨胸壁压的变化，作为机械呼吸的动力。 三、呼吸器官的弹性 胸廓和肺组织都有弹性。静息呼气末，亦即在功能残气容量( 约为肺总量的 4 0 ) 时，胸廓向外扩张与肺脏向内收缩的弹性达到平衡。在正常人，实际肺容 量约为肺总量的6 7 时，胸壁处于它的中间自然位置。超过这一容量，胸廓壁弹 性方向就向内，与肺组织弹性方向相同；小于这一容量时，胸廓壁与肺组织弹性 便处于相对抗的位置。所以从弹性方向看来，在肺总量6 7 以内胸廓弹性有利于 吸气运动，超过6 7 就有利于呼气。肺组织性则始终有利于呼气。 胸廓和肺脏的弹性以顺应性( l c m h 2 0 ) 来表示，即单位压力作用下的胸廓 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 或肿脏答量的改燹； 顺应性( c ) = 勰 胸辟j 贼性_ 蔷等 肺组绷赃性= 等 肺的总顺应性= 而面 重新排列 ! ：堕竖+ 堂：! + ! 胸肺总顺应性肺a p肺a v 肺顺应性】摺壁顺应性 从而可知呼吸器官的总顺应性必小于胸壁或肺组织的顺应性。正常人胸壁 和肺组织顺应性很近，约为o 2 2 l e m i - 1 2 0 ，呼吸器官的总顺应性约为 0 1 1 l c m h 2 0 。在病理情况下，如肺问质纤维化、肺水肿、肺充血等时，肺组织 较坚实，弹性阻力大，顺应性减少，此时应用机械呼吸治疗就需要较大压力才能 使肺容量扩张。 2 2 现代呼吸机的分析 呼吸机是借助机械力量，产生或增强病人的呼吸动作和呼吸功能。吸气时， 呼吸机能将空气、氧气或空气一氧气混合气压入气管、支气管和肺内产生或辅助 肺间歇性膨胀；呼气时，既可以利用肺和胸廓的弹性回缩，使肺或肺泡自动的萎 陷，排出气体，产生呼气，也可在呼吸机的帮助下排出气体，产生呼气。呼吸机 正是在人工装置的辅助和控制之下，使肺间歇性地膨胀和回缩，以维持和改善肺 泡的通气，减轻或纠正0 ：和c o ：潴留，达到维持呼吸功能的作用。 针对本课题的实验对象b e a r l i 型呼吸机，对呼吸机进行了一个全面的分析， 其结构原理如图2 - 3 所示。 压缩氧气 压缱空气 图2 - 3b e a r i i 型呼吸机结构 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 2 2 1 呼吸机的形式 b e a ri i 型呼吸机在通气形式上属于呼吸道直接加压，以前胸廓加压的形式如 图2 - 4 ，由于体积大，消毒困难等缺点已经被淘汰。 b e a r l i 型呼吸机工作原理如图2 5 ，是在呼吸道开口处直接施加证压，该压 力超过肺泡压，使气流强制进入肺泡内形成吸气。然后去除施加的压力，使呼吸 道开口处转为大气压，此时肺泡压大于大气压，则肺泡气排出体外，形成呼气。 呼吸道直接加压呼吸机，由于操作方便，体积小等优点，在临床上得至q 广泛 的应用。 图2 4 胸廓加压呼吸机原理图 2 2 2 呼吸机的主机 b 图2 - 5b e a r | i 型呼吸机通气原理图 呼吸机系统组成主要分为动力装置、供气装置、调控装置、安全阀、 呼气 阀和空氧混合器六部分。 1 动力装置 包括电源和气体压缩机两部分。电源采用2 2 0 v 标准电源。气体压缩机选用 c a m 1 无油气体压缩机。该压缩机的最大优点是可靠性离，寿命长，无油烟污 染，非常适合医院的“寂静”环境。 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 2 供气装冒 采用折叠式贮气囊来输送气体，其外部装有气体压缩机和安全阀。采用气囊 而不采用气缸是因为气囊无噪声，并且没有油气污染。 3 调控装置 主要包括步进电机、步进电机控制器、吸气阀、数据采集卡、流量传感器和 压力传感器。 4 按需阀 结构采用直动式溢流阀，其工作原理是将溢流阀与气道系统相连接，当后者 的压力在规定范围内时，由于气压作用于阀板上的力小于弹簧的压力，阀门处于 关闭状态。当气道系统的压力升高，作用于阀板上的压力大于弹簧上的压力时， 阀门开启，排出气体，直至气道压降至规定范围之内，阀门重新关闭。采用这种 按需阀能保证病人气道压在一个安全范围之内。 5 呼气阀 呼气阀是必不可少的重要环节。其作用是向病人提供畅通的呼气通道，该阀 的阻力小，仅o 2 k p a ( 2 c m h 2 0 ) 5 0 l s ，是呼出阀的一个重要指标。在压缩气 体的呼吸机中，呼出阀常用先导式呼出阀。 6 空氧混合器 向病人提供不同氧浓度的气体，其可调范围为2 1 * 一1 0 0 。空氧混合器精密 度高，结构较复杂，因为它必须经得起输入压力的波动和输出气流量的大范围的 变化而保证原定氧浓度。空氧混合器由三部分构成即一级或二级压力平衡阀、配 比阀、安全装置，其工作过程为压缩空气经减压阀使压力降至1 8 0 1 p s i ，氧继 电器( o z r e l a y ) 受空气气路韵作用使氧的输出压力与空气相同。空气和氧气分别进 入混合器左、右两腔。氧浓度的调节由电控步进电机( s t e p p e r r a o t o r ) 控制。该电机 以8 3 步秒活动，最大旋度为2 5 。0 2 5 步) 。输出的混合气体进入一个容积为 3 6 l 的硬质贮气腔( a c e u r r d a t o r ) 中，贮气腔的作用为：贮存混合气，保持氧浓 度稳定。提高吸气峰值流速至1 5 0 l m i n ( 因为压缩气体的气流最大为8 0 l m i n ) 。增加按需气流的反应灵敏度。 7 湿化器 呼吸道的充分湿化对器官、支气管和粘膜具有保护作用。在自然条件下，吸 入气体主要靠鼻腔、口腔、咽喉和上呼吸道粘膜的水分蒸发而得到湿化。当病人 器官切开时上述功能丧失，所以为了使呼吸道能长时间通气，需配置湿化器。其 原理是将水加温，产生水蒸气以增加吸气中水的含量。当湿化器内的水被加热至 适当温度后，吸入气体从入口进入湿化器，经浮体沿水面逐步加温，与水槽内产 生的水蒸气一起从输出口进入病人气道。一旦加热失控，温度增高，温度限制器 第二章呼吸生理及呼吸机的分析 切断所有电源，加热停止，并使故障指示灯亮，发出警告。 2 2 3 时相切换 根据时相法，将呼吸机的动作一周期分为四个阶段，即吸气相、吸气末转换、 呼气相、呼气末转换，b e a r i i 型呼吸机四个阶段关系如图2 - 6 所示。 吸气相 压力发生器ll 流量发生器 吸气末转换 呼气相 1 时间转换 2 容量转换 压力发生器ii 流量发生器 呼气末转换 1 时间转换2 容量转换 3 病人吸气同步转换 图2 6b e a ri i 呼吸机四项基本功能的关系 1 吸气相 在吸气期间，向肺充气的气源可来自压力发生器或流量发生器。 ( 1 ) 压力发生器 b e a ri i 呼吸机的压力发生器工作压是保持恒定的，且工作压很低。发生 器的压力与肺泡压达到平衡是要经过无限长的时间才能达到，因为整个 压力变化的过程是一条与自然对数有关的指数曲线如图2 7 。其中时间 常数t 为肺泡内压力达到平衡压力6 3 时所经过的时间。 ( 2 ) 流量发生器 b e a r i i 呼吸机的流量发生器的基本特点是输出流量完全不受病人的气 阻与顺应性的变化影响，即输出流量保持恒定。为了达到恒流的目的， 此类呼