孫靖濛，朱孟府，陳 平，趙連玉，劉志猛

SUN Jing-meng1,2, ZHU Meng-fu2, CHEN Ping2, ZHAO Lian-yu1, LIU Zhi-meng2

（1.天津理工大學(xué)，天津 300384；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161）

0 引言

氧是產(chǎn)生人體功能活動(dòng)所需能量的必要物質(zhì)，是人體不可缺少的生命元素。制氧裝備是重要的醫(yī)技保障裝備，是戰(zhàn)傷救治的重要手段[1]。制氧裝備常用的制氧工藝主要有膜分離法、深冷空分法、化學(xué)法和變壓吸附法(PSA)。變壓吸附法制氧以其能耗低、無污染以及成本低等特點(diǎn)，在便攜式制氧設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[2～5]。為減小便攜式變壓吸附制氧機(jī)的體積和重量，采用先進(jìn)的節(jié)氧方法是制供氧器微型化的重要途徑。目前的節(jié)氧法主要有節(jié)氧面罩法、節(jié)氧鼻導(dǎo)管法、固定頻率供氧法和呼吸脈沖供氧法等[6]。有研究表明，呼吸脈沖供氧法是節(jié)氧最有效的方式之一，達(dá)到相同的供氧效果，脈沖供氧的耗氧量?jī)H為連續(xù)供氧的1/6，目前呼吸脈沖供氧法已被廣泛應(yīng)用于各類呼吸機(jī)中[7～12]。本文以變壓吸附制供氧工藝研制出便攜式制氧機(jī)，在連續(xù)供氧模式下的平均供氧流量為500ml/min～700ml/min，為提高便攜式制氧機(jī)的氧氣利用率，設(shè)計(jì)了微型壓力差壓開關(guān)檢測(cè)呼吸壓力的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)便攜式制氧機(jī)的呼吸脈沖供氧。

圖1 制供氧工藝流程示意圖

1 工藝設(shè)計(jì)

便攜式制氧機(jī)屬于小型制氧設(shè)備，小型便攜的基本內(nèi)容包括：1）容易攜帶或移動(dòng)，特別是能用手方便攜帶；2）自帶電源。因此，研制適合便攜使用制氧機(jī)的關(guān)鍵是減輕制氧機(jī)的體積和重量。綜合考慮制氧和供氧兩方面特殊的功能，為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，采用變壓吸附制供氧技術(shù)工藝設(shè)計(jì)自備電源的便攜式制氧機(jī)。變壓吸附法制氧原理是根據(jù)沸石等分子篩對(duì)氧氣和氮?dú)馕叫阅懿煌?，在加壓條件下吸附氮?dú)?，在減壓條件下解吸氮?dú)猓瑥亩蛛x出空氣中的氧氣和氮?dú)狻?/p>

為連續(xù)穩(wěn)定制取氧氣，便攜式制氧機(jī)采用低壓兩塔變壓吸附制氧工藝流程，如圖1所示。為節(jié)約能耗，提高制氧效率，制氧工藝增加了反吹過程，在吸附塔底部增加一個(gè)反吹孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子篩的清洗。吸附塔為一體化組合化吸附塔，內(nèi)裝超低壓高效鋰分子篩，有利于減小設(shè)備的體積重量并降低壓縮機(jī)功耗；電磁閥為組合化的專用電磁閥，集成在吸附塔上，結(jié)構(gòu)緊湊，控制方便。供氧工藝采用依呼吸頻率供氧的方式，采用微動(dòng)差壓開關(guān)準(zhǔn)確檢測(cè)人體呼吸頻率，由單片機(jī)控制供氧電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)吸氣時(shí)供氧，呼氣時(shí)停止供氧，但氧氣制備過程是連續(xù)的，不因呼氣時(shí)供氧停止而停止，從而有效提高了氧氣的利用率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 呼吸脈沖供氧原理

人體正常呼吸時(shí)，呼和吸的氣量隨頻率而變。圖2為三種呼吸頻率下的呼吸氣量波形，從圖中可以看出，一個(gè)呼吸周期為2s～4s，吸氣時(shí)間小于呼氣時(shí)間[13]。在吸氣階段的前0.5s內(nèi)，吸氣量最大，因此在吸氣的前0.5s供氧是最有效的。采用鼻吸管呼吸時(shí)，人體對(duì)氣體的吸入和呼出產(chǎn)生的壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系基本上呈正弦函數(shù)關(guān)系[14]。當(dāng)人正常吸氣時(shí)，鼻吸管內(nèi)的壓力呈相對(duì)負(fù)壓狀態(tài)，而呼氣時(shí)壓力則呈相對(duì)正壓的狀態(tài)。為能靈活、準(zhǔn)確地采集呼吸壓力的變化，本設(shè)計(jì)設(shè)置的壓力傳感器閾值為20Pa[15,16]。

圖2 三種呼吸頻率下的呼吸氣量波形圖

2.2 呼吸脈沖供氧管路

根據(jù)呼吸時(shí)的壓力變化，設(shè)計(jì)的呼吸脈沖供氧管路連接如圖3所示，儲(chǔ)氧罐中的氧氣先經(jīng)過電磁閥，通過三通一端連接壓力傳感器，另一端與人鼻相連。采用的壓力傳感器是美國(guó)Dwyer公司的機(jī)械型的微型壓力差壓開關(guān)，可以測(cè)正壓，即呼氣；也可測(cè)負(fù)壓，即吸氣（如圖4所示）。本系統(tǒng)是對(duì)呼吸時(shí)的吸氣動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)，所以采用了負(fù)壓形式。

根據(jù)微動(dòng)壓力開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩個(gè)引出的終端是不導(dǎo)通的，當(dāng)吸氣時(shí)，鼻吸管內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，內(nèi)部的兩個(gè)金屬薄片就會(huì)接觸在一起，從而使兩個(gè)終端導(dǎo)通，通過單片機(jī)程序的控制，供氧電磁閥導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)供氧；當(dāng)呼氣時(shí)，鼻吸管內(nèi)呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，金屬薄片斷開，從而電磁閥關(guān)閉，停止供氧。

供氧電磁閥采用歐卡達(dá)公司的OKD-0520B微型兩通常閉式電磁閥，其體積小巧、質(zhì)量可靠，便于與制供氧氣集成。電磁閥的工作電壓為12V，工作電流為125mA，單片機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)74LVC04反相器取反后再由達(dá)林頓管UN2003放大后再驅(qū)動(dòng)電磁閥。由于UN2003是大電流、高耐壓的復(fù)合晶體管陣列，它由七個(gè)硅NPN復(fù)合晶體管組成，所以換向電磁閥、壓縮機(jī)以及供氧電磁閥均由達(dá)林頓管UN2003驅(qū)動(dòng)。

圖4 微動(dòng)壓力開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

脈沖供氧時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)人體的呼吸信號(hào)，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到呼吸信號(hào)時(shí)，由單片機(jī)控制電磁閥的開閉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖供氧。脈沖供氧主程序如圖5所示。根據(jù)人體正常呼吸的規(guī)律，在吸氣階段的前0.5s內(nèi)吸氧最有效，為此設(shè)計(jì)供氧電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間為0.5s。

圖5 脈沖供氧主程序流程

在脈沖供氧模式下，若出現(xiàn)鼻吸管脫落或出現(xiàn)呼吸困難等問題，單片機(jī)檢測(cè)不到呼吸信號(hào)，則通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。具體方法是，每檢測(cè)一次呼吸信號(hào)后，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，若在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到下一次呼吸信號(hào)，則計(jì)時(shí)器清零，正常供氧；若在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到呼吸信號(hào)，則蜂鳴器報(bào)警提示，為防止有呼吸困難等意外事件的發(fā)生，供氧電磁閥打開，實(shí)行連續(xù)供氧方式。

3 性能評(píng)價(jià)

將鼻吸管與便攜式制氧機(jī)相連，啟動(dòng)制氧機(jī)，吸氣時(shí)能感覺到氣體供應(yīng)存在，停止吸氣時(shí)則無氣體感覺，說明可實(shí)現(xiàn)依呼吸頻率供氧。由于人體實(shí)際使用脈沖供氧時(shí)，供氧流量和氧氣濃度直接測(cè)量困難，因此試驗(yàn)時(shí)采用單片機(jī)以一定頻率控制電磁的開閉來模擬人體的呼吸頻率。用排水法測(cè)量1min內(nèi)制氧機(jī)制取氧氣的體積，用氧氣分析儀測(cè)量氧氣濃度，計(jì)算出單次吸氧量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 便攜式制氧機(jī)脈沖供氧性能

設(shè)計(jì)的脈沖供氧電磁閥導(dǎo)通時(shí)間是固定的，不隨呼吸頻率改變而變。從表1可以看出，隨著呼吸頻率的增加，制氧機(jī)的產(chǎn)氧流量和供氧流量也相應(yīng)增加，單次吸氧流量會(huì)逐漸降低，而且隨著呼吸頻率的增加，氧氣濃度逐漸降低，呼吸頻率越快，氧氣濃度越低。這是因?yàn)楹粑l率越快，制氧機(jī)排氣量越大，吸附塔內(nèi)的壓力越低，導(dǎo)致吸附不完全，造成氧氣濃度降低。但當(dāng)呼吸頻率在每分鐘20次以下時(shí)，氧氣濃度大于90%。

4 結(jié)論

以微型壓力差壓開關(guān)檢測(cè)人體的呼吸頻率，代替?zhèn)鹘y(tǒng)用壓力傳感器檢測(cè)呼吸壓力的方法，既簡(jiǎn)單準(zhǔn)確又穩(wěn)定可靠，可有效降低電磁閥的誤操作，降低氧氣錯(cuò)誤輸出的概率，大大節(jié)約了制取的氧氣，提高了氧氣利用率，相對(duì)地降低了制氧機(jī)的體積、重量和能耗，解決了便攜式制氧機(jī)的瓶頸問題，同時(shí)也為其他類型供氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

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