基于遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸技術(shù)的智能家用呼吸機(jī)研究

高寧寧

（北京睿德康醫(yī)療器械有限公司，北京 100062）

呼吸機(jī)是現(xiàn)代臨場醫(yī)學(xué)必備的一種呼吸支持醫(yī)療設(shè)備，它能增加患者的肺通氣量，改善患者的呼吸功能，在手術(shù)、急救等方面有著重要應(yīng)用。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，家用呼吸機(jī)的價(jià)格不斷下降、功能日益完善、體積更加小巧，逐漸走向了千家萬戶，讓那些存在換氣障礙的病人可以居家治療。近年來，在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的支持下，現(xiàn)代家用呼吸機(jī)逐漸朝著智能化、便攜化、人性化方向發(fā)展。其中，基于遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸技術(shù)的家用智能呼吸機(jī)，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互性強(qiáng)、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、患者使用舒適度好等一系列優(yōu)勢(shì)，具有良好的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 基于遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸?shù)闹悄芗矣煤粑鼨C(jī)硬件設(shè)計(jì)

1.1 智能家用呼吸機(jī)的硬件組成及功能

智能家用呼吸機(jī)的硬件部分主要包括過濾器、加濕器、流量傳感器、微控制器、面罩等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家用呼吸機(jī)硬件組成框圖

智能家用呼吸機(jī)的主要功能模塊有電源模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊、時(shí)鐘同步模塊、微控制器模塊等?，F(xiàn)選擇其中的微控制器、壓力和流量檢測(cè)電路、濕化器控制電路3 部分介紹如下：

1.1.1 微控制器是智能家用呼吸機(jī)的核心元件，本文設(shè)計(jì)的智能呼吸機(jī)采用STM32F407 微控制器，內(nèi)嵌32為ARM，主頻為170MHz，指令處理能力最高可達(dá)240DMIPS。另外，該為控制器內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換模塊，因此外部電路中不需要單獨(dú)安裝A/D 轉(zhuǎn)換器，簡化了硬件電路。提供16 組I/O 端口和15 個(gè)通信接口，以及1 個(gè)全速USB 接口和1 個(gè)以太網(wǎng)通信接口，保證了強(qiáng)大的信息傳輸與處理能力。微控制器及其外部電路的設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 微控制器及其外部電路

1.1.2 壓力和流量檢測(cè)電路。實(shí)時(shí)采集呼吸機(jī)運(yùn)行時(shí)的前端信號(hào)也是保證智能控制功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)中采用HSC 型壓力傳感器和HAF 型流量傳感器，前者為硅壓阻壓力傳感器，壓力更新頻率為2KHz，后者為數(shù)字式壓差傳感器，響應(yīng)速度不足1ms。兩種傳感器都具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證采集到的壓力信號(hào)和流量信號(hào)足夠精確。壓力和流量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 壓力和流量檢測(cè)電路

1.1.3 濕化器控制電路。該電路由濕度調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)和檢測(cè)保護(hù)3 部分構(gòu)成。其中，濕度調(diào)節(jié)是讓空氣穿過裝滿純凈水的容器達(dá)到增加空氣濕度的效果。濕化器內(nèi)有濕度傳感器，只有當(dāng)空氣濕度達(dá)不到既定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)，直到濕度達(dá)標(biāo)后停止加濕。溫度調(diào)節(jié)則是將MOS 管通電、使其發(fā)熱，然后使氣體溫度升高。同樣的，內(nèi)置溫度傳感器檢測(cè)到空氣溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后停止加熱。檢測(cè)電路的作用是維持濕度、溫度在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)。濕化器控制電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 化器控制電路

1.2 家用智能呼吸機(jī)的硬件運(yùn)行流程

呼吸機(jī)通電啟動(dòng)后，從外部吸收空氣并進(jìn)入過濾裝置，完成空氣清潔、過濾后進(jìn)入到風(fēng)機(jī)中。在無刷直流電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，風(fēng)機(jī)將吸入并過濾的干凈空氣經(jīng)過橡膠軟管送入蜂窩狀微孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的功能有兩個(gè)，其一是進(jìn)一步凈化空氣，其二是利用內(nèi)置的敏感元件采集壓力信號(hào)、流量信號(hào)。凈化后的空氣通入到加濕器中，根據(jù)氣體當(dāng)前濕度判斷是否需要對(duì)氣體進(jìn)行加濕處理；同時(shí)，加濕器還連接了加熱檢測(cè)模塊，根據(jù)空氣溫度判斷是否需要對(duì)氣體進(jìn)行加熱處理。保證空氣的濕度和溫度適宜，提高智能家用呼吸機(jī)的使用體驗(yàn)。采集到的壓力、流量信號(hào)經(jīng)過濾波、降噪、放大等一系列處理后，傳輸至微控制器中。微控制器自動(dòng)分析信號(hào)，然后結(jié)合ANN 算法計(jì)算出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，生成相應(yīng)的調(diào)控指令，發(fā)送給前端的控制器，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)空氣的輸入量和輸入速度。如果面罩從患者面部脫落，可以利用面罩上的壓敏元件及時(shí)檢測(cè)到脫落信息，然后進(jìn)行報(bào)警。

2 基于遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸?shù)闹悄芗矣煤粑鼨C(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用Keil MDK 8.0 軟件開發(fā)環(huán)境，將μC/OS 操作系統(tǒng)植入STM 單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)程序的在線編輯和燒錄。其中，系統(tǒng)主程序的功能包括操作系統(tǒng)及時(shí)鐘同步等功能模塊的初始化，以及創(chuàng)建起始任務(wù)和應(yīng)用事件等。主程序流程為：（1）操作系統(tǒng)初始化。當(dāng)呼吸機(jī)通電運(yùn)行后，主程序自動(dòng)對(duì)μC/OS 操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化，全局變量復(fù)位或歸零。（2）創(chuàng)建起始任務(wù)，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化。如存儲(chǔ)器初始化、電動(dòng)機(jī)初始化、PVD 中斷初始化等。（3）創(chuàng)建應(yīng)用任務(wù)。如潮氣量檢測(cè)控制任務(wù)，在人機(jī)界面設(shè)置潮氣量的范圍，該程序可實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)際潮氣量是否在該范圍之內(nèi)，如果超出范圍立即調(diào)整；ANN 算法任務(wù)，基于ANN 算法決策，生成調(diào)速指令，并由控制器完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和氣體流速的效果。除此之外還有加濕器檢測(cè)任務(wù)、面罩脫落檢測(cè)任務(wù)等等。

2.2 流量測(cè)量程序設(shè)計(jì)

該程序通過計(jì)算當(dāng)前的流量和潮氣量，判斷患者的實(shí)時(shí)呼吸狀態(tài)，然后把流量值反饋給微控制器。由微控制器的ANN 算法單元進(jìn)行處理后生成壓力調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用呼吸機(jī)進(jìn)氣流量和潮氣量的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

結(jié)合圖5 可知，系統(tǒng)執(zhí)行流量測(cè)量任務(wù)后，微控制器會(huì)同步讀取HAF（流量傳感器）的測(cè)量數(shù)據(jù)，在相關(guān)算法的計(jì)算下獲取當(dāng)前呼吸機(jī)管道中氣體的流動(dòng)速度。然后執(zhí)行一個(gè)判斷程序“是否開始呼吸控制”，如果此時(shí)未檢測(cè)到呼吸控制指令，則直接結(jié)束當(dāng)前程序，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。如果判斷結(jié)果為“是”，繼續(xù)計(jì)算得出呼吸機(jī)管道氣體當(dāng)前的潮氣量，同時(shí)執(zhí)行“是否面罩脫落”的判斷程序。如果潮氣量超出既定的安全閾值，說明面罩脫落，判斷結(jié)果為“是”，設(shè)備報(bào)警提醒患者或監(jiān)護(hù)人員，同時(shí)待機(jī)處理，直到人為操作結(jié)束報(bào)警；如果判斷結(jié)果為“否”，進(jìn)入到呼吸過程判斷階段，啟動(dòng)“是否有呼吸動(dòng)作”的判斷程序。如果判斷結(jié)果為“是”，利用相關(guān)算法計(jì)算呼吸周期、呼吸比等相關(guān)參數(shù)；如果判斷結(jié)果為“否”，則要進(jìn)一步檢查是否出現(xiàn)了呼吸暫停、低通氣等異常情況。若檢測(cè)到此類情況，則將異常信息保存到SD 卡中，以便于微控制器智能分析和調(diào)整控制策略。

圖5 流量測(cè)量程序流程圖

2.3 以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)后，微控制器首先接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，并對(duì)其做CRC 校驗(yàn)。除了驗(yàn)證格式是否正確外，還要判斷目標(biāo)設(shè)備地址與本機(jī)地址是否一致，以及指令代碼是否符合通信協(xié)議等。如果任意一項(xiàng)驗(yàn)證未通過，則不允許數(shù)據(jù)發(fā)送。若CRC 校驗(yàn)通過，則正常接收從以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)來源、類型、發(fā)送時(shí)間等將其分類存儲(chǔ)。呼吸機(jī)除了接收外部數(shù)據(jù)外，也會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)?？梢宰远x數(shù)據(jù)發(fā)送周期，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括呼吸報(bào)警信息、治療參數(shù)等。主治醫(yī)師可以通過這些數(shù)據(jù)隨時(shí)掌握患者的治療情況，以便于提供跟蹤式醫(yī)療服務(wù)。

3 基于遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸?shù)闹悄芗矣煤粑鼨C(jī)性能測(cè)試

3.1 潮氣量控制測(cè)試

智能家用呼吸機(jī)的基本性能測(cè)試內(nèi)容有壓力控制測(cè)試、呼吸頻率控制測(cè)試、潮氣量控制測(cè)試等。現(xiàn)以潮氣量為例，對(duì)呼吸機(jī)的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。呼吸機(jī)的初始潮氣量為100ml，每次增加150ml，逐級(jí)增加至1300ml。同時(shí)將氣體分析儀的氣體收集裝置放在面罩處，對(duì)潮氣量進(jìn)行測(cè)量。期間每10 分鐘變化一次潮氣量的設(shè)定值，每一個(gè)設(shè)定值下記錄4 次數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 家用智能呼吸機(jī)潮氣量測(cè)量結(jié)果

目前不同國家執(zhí)行的呼吸機(jī)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，就呼吸機(jī)的潮氣量指標(biāo)而言，我國現(xiàn)行的《醫(yī)療電氣設(shè)備：重癥護(hù)理呼吸機(jī)的基本安全和基本性能專用要求》（GB9706.212-2020）中規(guī)定為：潮氣量控制精度≤2%。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)定值在1300ml 時(shí)，實(shí)測(cè)平均值1310.25ml，有最大誤差，為0.79%，該值小于國家標(biāo)準(zhǔn)，說明家用智能呼吸機(jī)的潮氣量控制效果良好。

3.2 以太網(wǎng)通信功能測(cè)試

家用智能呼吸機(jī)以太網(wǎng)通信功能測(cè)試包括系統(tǒng)參數(shù)查詢測(cè)試、治療參數(shù)設(shè)定測(cè)試、治療數(shù)據(jù)監(jiān)控測(cè)試等?，F(xiàn)以治療數(shù)據(jù)監(jiān)控為例，設(shè)備運(yùn)行時(shí)人機(jī)界面上的壓力、時(shí)間等治療數(shù)據(jù)如圖6 所示。

上述數(shù)據(jù)每3 秒刷新一次，并通過以太網(wǎng)將該數(shù)據(jù)同步反饋給主治醫(yī)師，實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者治療狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為專家在線診斷和調(diào)整治療方案提供了必要的依據(jù)。

4 結(jié)論

近年來家用呼吸機(jī)的使用越來越普遍，為患有呼吸系統(tǒng)疾病的患者進(jìn)行居家治療提供了方便。本文設(shè)計(jì)的一種基于遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸技術(shù)的智能家用呼吸機(jī)，除了具備常規(guī)的輔助呼吸等功能外，還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)潮氣量，智能檢測(cè)面罩是否脫落，以及支持主治醫(yī)師遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)患者治療情況等，為患者提供了更加人性化的治療體驗(yàn)。下一步，家用智能呼吸機(jī)還需要在遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸方式上繼續(xù)進(jìn)行完善，例如支持WiFi 傳輸，以及與其他智能設(shè)備聯(lián)合構(gòu)建更加完善的物聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等，從而更好發(fā)揮其實(shí)用功能。