一種便攜式自動呼吸控制系統(tǒng)的設計的實現(xiàn) -設計應用

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

然而，對多數(shù)外科手術而言，醫(yī)生們必須使用一定量的麻醉劑，這會抑制肌力，使病人呼吸減弱。當手術過程中血液流失時，會使病人供氧不足，從而導致體內(nèi)缺乏足夠的氧氣。這時就必須使用麻醉呼吸機和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)麻醉劑和氧氣的混合比例。

傳統(tǒng)的機械式呼吸設備將一個外部設備直接連接到病人，通過人工方式進呼吸氣體的交換。機械呼吸設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，它可被用來在呼吸機能減弱的時候獲得足夠的肺擴張，同時使麻醉鎮(zhèn)靜劑和肌肉放松類藥物正確結(jié)合，以穩(wěn)定胸壁。

呼吸機可以分為五類，這取決于吸入氣體的過程是如何被終止的。壓力周期呼吸設備：當設定的壓力達到時，中止吸入氣體；體積周期呼吸設備：當設定的體積達到時，中止吸入氣體；時間周期呼吸設備：吸氣和呼氣被程序化，類似于氣焊助焊劑的工作方式；溢流周期呼吸設備：當吸入的溢流低于一個預定水平時，中止吸入氣體；混合呼吸設備：結(jié)合了其它設備的特性，被廣泛使用。

內(nèi)科醫(yī)生能夠設置血氧容量的限制，當血氧飽和度過低時，呼吸設備可以從手動模式轉(zhuǎn)換到自動模式，幫助病人獲得足夠的血氧飽和度。當血氧達到正常水平時，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備

新生兒具有較高的新陳代謝水平，這使氧氣消耗增加（5-8ml/kg）。體重少于1600克、懷孕周期小于37周的早產(chǎn)兒患有視網(wǎng)膜發(fā)育不全的風險很高，這是由高壓氧氣傳送導致的氧氣中毒和肺部發(fā)育不良所引起的。自動呼吸系統(tǒng)在這些病例中起著至關重要的作用，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)溢流設備和時間周期呼吸設備使充分的自主呼吸不受任何限制。在學齡兒童和年齡大于12歲的兒童中，脈搏-溢流呼吸設備被用來控制體積和壓力。新一代的體積呼吸設備使溢流體積達到20ml,結(jié)合傳感器的作用，呼吸設備能夠周期性地工作。醫(yī)生可在2~3千克的嬰兒中使用這一設備。

電路

電路是機械呼吸設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，但可使兒科病人獲得更舒適的濕度和溫度。這些設備輕便、靈活，具有安全連接的吸收阻抗和的溢流阻抗，標準尺寸為15–22mm.

系統(tǒng)如何工作

自動呼吸系統(tǒng)根據(jù)血氧水平反饋來為嬰兒提供安全可控的呼吸設備。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)設置的呼吸頻率和壓力的參數(shù)提供設備控制的步進電機。

通過MCU可以實現(xiàn)自動化呼吸控制系統(tǒng)，重要的數(shù)據(jù)可以被處理并貯存，以確保特定身高和體重病人的合適的呼吸量。程序只需改變患者的參數(shù)，而無需更改系統(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）設備既可以滿足系統(tǒng)所需的特性，同時在價格上也有優(yōu)勢。MC9S08QG4特性見圖2.該處理器將飛思卡爾S08核的優(yōu)勢延伸到了低引腳數(shù)、小封裝的領域。S08QG設備是低功耗產(chǎn)品，可以在低至1.8V的供電電壓時對片上閃存進行擦寫操作，它具有所有S08MCU的標準特性，包括等待模式和多種停止模式，以及模擬外設能力、串行通訊能力、片上溫度傳感器和較多的內(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，它使用光波來測量病人血液中氧氣的飽和度。這一過程采用了一種叫做脈搏血氧定量計的設備，這是一種可攜帶的、低成本的設備，它包括一個Spo2傳感器和可通訊DB-9接頭。在Spo2Y型傳感器一端有兩個發(fā)光二極管（LED），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)使用了標準的串行協(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)處理的結(jié)果通過控制步進電機來控制氧氣呼吸設備的運轉(zhuǎn)。

針對不同種類步進電機的控制軟件是基于不同頻率或壓