自動呼吸控制

介紹

這篇文章介紹了一個便攜式自動呼吸控制系統(tǒng)的設(shè)計，它也能處理從一個脈動血氧計中獲得的動脈氧氣飽和度的(SpO2)數(shù)據(jù)。這個系統(tǒng)在飛思卡爾的8位MC9S08QG4微型處理器(MCU)的基礎(chǔ)上構(gòu)造起來。它被設(shè)計為一個便攜式的，作為人工脈搏血氧和呼吸監(jiān)測和控制的自動化替代產(chǎn)品，它在手術(shù)中需要較少的人員干預(yù)。它特別能在嬰兒手術(shù)中被使用。

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概述

所有的組織都通過血管來供氧，以幫助組織生長和修補(bǔ)組織損傷。通常身體依靠紅細(xì)胞中血紅蛋白的化學(xué)特性，通過自身調(diào)節(jié)，在細(xì)胞外液體中保持一定的氧氣濃度。

然而，對多數(shù)外科手術(shù)而言，醫(yī)生們必須引入一定量的麻醉劑，同時這種麻醉劑也抑制了肌肉。這就會使病人的呼吸減弱，當(dāng)伴隨著手術(shù)中血液的損失時，會使病人供氧不足，這使得病人身體中缺乏足夠的氧氣。這就是為何醫(yī)生們必須使用麻醉呼吸機(jī)和一個測量血液中氧氣飽和度的儀器（脈動血氧定量計）來調(diào)節(jié)實際手術(shù)中的麻醉劑和氧氣的混合比例。

傳統(tǒng)的機(jī)械式呼吸設(shè)備，有一個外部設(shè)備被直接連接到病人通過人工方式進(jìn)呼吸氣體的交換。機(jī)械呼吸設(shè)備被用來維持足夠的氣體交換，尤其是在呼吸頻率減小并且心肌能力減弱的時候。它能被用來在呼吸機(jī)能減弱的時候獲得足夠的肺擴(kuò)張，它也能使麻醉鎮(zhèn)靜劑和肌肉放松類藥物正確結(jié)合，以穩(wěn)定胸壁。

呼吸機(jī)可以分為五類，這取決于吸入氣體的過程是怎樣終止的：

壓力周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的壓力達(dá)到時，中止吸入氣體
體積周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的體積達(dá)到時，中止吸入氣體
時間周期呼吸設(shè)備：吸氣和呼氣被程序化，類似于氣焊助焊劑的工作方式
溢流周期呼吸設(shè)備：當(dāng)吸入的溢流低于一個預(yù)定水平時，中止吸入氣體中止
混合呼吸設(shè)備：被最廣泛使用；結(jié)合了其它設(shè)備的特性
內(nèi)科醫(yī)生能夠設(shè)置血氧容量的限制，當(dāng)血氧飽和度過低時，呼吸設(shè)備可以從手動模式轉(zhuǎn)換到自動模式，幫助病人可以獲得足夠的血氧飽和度。當(dāng)血氧達(dá)到正常的水平時，系統(tǒng)就退出自動模式。

如何為兒科病人選擇合適的呼吸設(shè)備

新生兒具有一個較高的新陳代謝水平，這使氧氣的消耗增加（5-8ml/kg）。體重少于1600克和懷孕周期小于37周的早產(chǎn)兒患有視網(wǎng)膜發(fā)育不全的風(fēng)險很高，這是由于高壓氧氣傳送導(dǎo)致的氧氣中毒和肺部發(fā)育不良引起。自動呼吸系統(tǒng)在這些病例中起到至關(guān)重要的作用，它保證了新生兒不會接收100%氧氣濃度的空氣。

在新生兒中，壓力限制的持續(xù)溢流設(shè)備和時間周期呼吸設(shè)備使充分的自主呼吸不受任何限制。在學(xué)齡兒童和年齡大于12歲的兒童中，脈搏-溢流呼吸設(shè)備被用來控制體積和壓力。新一代的體積呼吸設(shè)備令溢流體積達(dá)到20ml，結(jié)合了傳感器的作用，呼吸設(shè)備能夠周期性的工作，醫(yī)生能在2~3千克的嬰兒中使用這一設(shè)備。

電路

電路是機(jī)械呼吸設(shè)備和病人之間的接口。它有三種類型：新生兒型（11mm直徑），兒童型（15mm直徑）和成人型（22mm直徑）。一些電路配備可以伺服控制溫度濕度的電熱絲，雖然比較昂貴，但是它能讓兒科病人獲得更舒適的濕度和溫度。

這些設(shè)備輕便，靈活，具有安全連接的吸收阻抗和最小的溢流阻抗，并且他們具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸(15-22mm)

系統(tǒng)如何工作

自動呼吸系統(tǒng)供根據(jù)血氧水平反饋來為嬰兒提的安全可控的呼吸設(shè)備。主要性能包括：

接收和處理血氧計發(fā)出的動脈血氧飽和度數(shù)據(jù)的能力
便攜性，可用于偏遠(yuǎn)地區(qū)
在血氧計和MCU之間通過串型接口(SCI)通訊的能力
能根據(jù)設(shè)置的呼吸頻率和壓力的參數(shù)提供精確設(shè)備控制的步進(jìn)電機(jī)
歸功于MCU的作用，我們可以實現(xiàn)自動化呼吸控制系統(tǒng)，重要的數(shù)據(jù)可以被處理和貯存以確保特定身高和體重病人的合適的呼吸量。程序只需要改變患者的參數(shù)，而不用改變系統(tǒng)其他方面的參數(shù)。圖1說明了自動呼吸控制的實現(xiàn)。

選擇合適的MCU

有很多MCU 可以滿足這個系統(tǒng)的要求。飛思卡爾的MC9S08QG4(S08QG)設(shè)備既可以滿足系統(tǒng)所需要的所有特性，同時在價格上也很有優(yōu)勢。該處理器把飛思卡爾S08核的優(yōu)勢延展到了小低引腳數(shù)，小封裝的領(lǐng)域。S08QG設(shè)備是低功耗的產(chǎn)品，可以在低至1.8V的供電電壓時對片上閃存進(jìn)行擦寫操作，它具有所有S08MCU的標(biāo)準(zhǔn)特性，包括等待模式和多種停止模式，以及強(qiáng)大的模擬外設(shè)能力，完全的串行通訊能力，片上溫度傳感器和強(qiáng)大的內(nèi)存選項。

系統(tǒng)的功能描述

脈搏測氧法是一種非介入技術(shù),它使用光波來測量病人血液中的氧氣的飽和度。這一過程采用了一種叫做脈搏血氧定量計的設(shè)備，這是一種可攜帶的，低成本的設(shè)備，它包括一個SpO2傳感器和可通訊DB-9接頭。在SpO2Y型傳感器的一端有兩個發(fā)光二極管(LEDs)，在另一端有一個光探測器。這個傳感器通常被連接在指尖，這樣光就能完全穿過組織到達(dá)光探測計。

從LED發(fā)出的光線有兩種波長傳播：660nm（紅光）和915nm（紅外光），它們分別對應(yīng)氧血紅蛋白和總血紅蛋白。探測計捕捉到從LED發(fā)出的光，脈搏血氧定量計處理紅光和紅外光之間吸收率的差異。測量儀內(nèi)的MCU能測出動脈脈搏讀數(shù)并計算出氧氣飽和度。

從脈搏血氧計讀出的SpO2值能通過連接到S08QG的串行接口(SCI)被傳遞到自動呼吸系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議，它由一種商業(yè)化血氧計的規(guī)格所定義。從脈搏血氧計出來的數(shù)據(jù)通過SCI接口被連續(xù)傳送到呼吸系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)由S08QG處理，根據(jù)處理得結(jié)果通過控制步進(jìn)電機(jī)來控制氧氣呼吸設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

 
針對不同種類步進(jìn)電機(jī)的控制軟件是基于不同頻率或壓力流來進(jìn)行控制的：

不同頻率從時間脈沖中獲得信息來控制希望的步數(shù)
壓力流控制意味著電機(jī)能進(jìn)行復(fù)雜的運轉(zhuǎn)步，具有大力矩的運轉(zhuǎn)步（雙步），改變方向和不改變位置的運轉(zhuǎn)步（抑制步）
圖3表明了一個簡單的方法通過S08QG來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制。

步進(jìn)電機(jī)的一個顯著特性是它的最大電流損耗為20mA。電機(jī)提供的力矩并不大，最大靜態(tài)力矩是4mNm，最大動態(tài)力矩是1.3mNm。但是它的力量足夠運轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的計量器。S08QG MCU的驅(qū)動電流達(dá)到25mA，所以它很合適這種應(yīng)用。電機(jī)被直接連接到MCU的端口A或端口B，基于先前的條件，只需要很小的外接電路（見圖1）。系統(tǒng)需要VCC，GND和電機(jī)控制信號，不需要附加的外部的電子元件。

氧氣呼吸設(shè)備有三個簡單的控制手柄，他們控制吸入的氣流和每分鐘的呼吸次數(shù)。一個手柄根據(jù)病人的身材和體重控制適當(dāng)?shù)暮粑?。第二個手柄控制每分鐘所需要的呼吸次數(shù)，第三個手柄控制氧氣流的壓力。在這個特殊的系統(tǒng)設(shè)計中，第二和第三個手柄是由步進(jìn)電機(jī)自動控制的。

軟件程序根據(jù)由脈搏血氧計通過SCI接口傳來的氧氣飽和度計算步進(jìn)電機(jī)的運動。氧氣飽和度數(shù)字也為醫(yī)生提供了必要的信息來進(jìn)行一系列比較，從而得出安全的范圍，如表1所述。

 
頻率規(guī)定了每秒鐘的電機(jī)步數(shù)，這決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)有多快。電機(jī)的物理限制決定了他們的運行頻率。一些電機(jī)因為應(yīng)用于特殊用途，在10Hz到500Hz之間運行，另外一些能夠在kHz的范圍內(nèi)運行。對于這個系統(tǒng)，最大頻率是100Hz,但是為了在手術(shù)中更容易被醫(yī)生使用，它被設(shè)定在50HZ。

結(jié)論

自動化呼吸控制系統(tǒng)是一個低成本的對人工呼吸控制的可選方案，它為嬰兒和手術(shù)中的其他病人以最小的人為干預(yù)提供了可靠的呼吸機(jī)制。這個概念很簡單：脈搏血氧計依靠SCI串行接口提供氧氣飽和度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)完成所有其余的工作。它使醫(yī)生們能集中精力于病人的護(hù)理上，并且它能被用于通用外科手術(shù)，兒科和新生兒護(hù)理，甚至于獸醫(yī)門診。