基于活塞运动的主动模拟肺的研究与设计

王 伟，葛 斌

1 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海，201318

2 上海市医疗器械检测所，上海，200093

基于活塞运动的主动模拟肺的研究与设计

【作 者】王 伟1，2，葛 斌1

1 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海，201318

2 上海市医疗器械检测所，上海，200093

主要介绍基于活塞运动的主动模拟肺的工作原理及整体设计方案。该模拟肺预期用于呼吸机自主呼吸监测和参数，触发功能的验证和检测。可通过调节潮气量、呼吸频率、吸气时间等参数实现模拟肺主动呼吸。

活塞运动；主动；模拟肺

0 引言

在呼吸机检测过程中，经常要用到模拟肺[1-2]。目前我们常用的模拟肺为被动式模拟肺。随着检验方法的不断更新，我们越来越需要这样一种更仿真、更接近于患者的模拟肺，它可以自己呼吸，借助这样的模拟肺测得的呼吸监测参数更有临床意义。另一方面，近几年来，随着人民生活水平的提高，用于改善睡眠质量的睡眠呼吸机在国内得到了长足的发展，也正慢慢开始进入普通家庭。此类呼吸机具有这样的特点：正常情况下不强制通气，当设备“感受”到使用者有吸气动作时才给予一定的气量，促进使用者轻松吸气，而当设备探测到使用者不再吸气时，停止送气或减少送气量，这是睡眠呼吸机和具有同步触发功能的呼吸机的特性[3]。然而，受检验条件的限制，呼吸机是否有效触发的功能在性能检验中往往被忽略。因为要检验该功能，必须要作用于呼吸机一个稳定可控的呼吸，压力、流量等必须缓步可调，以满足压力触发或流量触发的条件，从而才能检验呼吸机该项功能的有效性。稳定可靠的主动式模拟肺的研制将为全面验证呼吸机安全有效提供一种可行的手段，弥补被动式模拟肺的不足。

虽然目前国际上已有主动式模拟肺，如美国INGMAR MEDICAL公司生产的ASL5000模拟肺[4]，但该模拟肺价格昂贵，功能复杂，使用较为不便。基于活塞运动的主动式模拟肺可以模拟患者自由呼吸，频率、潮气量等参数能独立调节[5-6]，且能显示呼吸参数。因此，该系统也可满足测试需要，且使用简便，容易普及。

1 原理及总体结构设计

选取一个合适的气缸来模拟人的肺，用一电机带动活塞运动使气缸内气体流动，从而模拟人呼气和吸气。

主动模拟肺总体结构设计见图1。

图1 总体结构示意图Fig.1 Structural diagram

该系统主要涉及四个部分：控制单元、监测单元、控制显示单元和气路。

控制单元主要由电机和驱动电机的电路组成。监测单元包括各种传感器和信号采集处理电路。

控制显示单元是基于电脑的控制显示界面，该界面最终实现控制单元的控制和对来自于监测单元的实时数据的显示。

气路部分包括气缸和呼吸回路。

2 硬件设计

硬件设计主要分两部分，一部分用于控制气缸运动，实现模拟肺的主动呼吸；另一部分则设计用于对呼吸参数进行实时监测。

2.1 控制单元

控制单元主要由直线电机和控制电机运动的驱动器组成。

2.1.1 直线电机

直线电机用于推拉气缸活塞使肺呼吸，由一输出电压为直流48 V的开关电源供电。选用的直线电机持续推力为120 N，最大推力可达到300 N，保证在大潮气量情况下平稳输气。其定位精度可达到15 μm。该直线电机有以下优点：① 进给速度范围宽；② 速度特性好，重复精度高；③ 加速度大；④ 定位精度高；⑤ 结构简单，运行平稳，摩擦磨损小，使用寿命长。

2.1.2 驱动器

驱动器用于驱动直线电机运动，从而带动“肺”呼吸。驱动器由一输出电压为直流24 V的开关电源供电。

2.2 监测单元

监测单元主要由各类传感器和信号采集处理电路组成，传感器包括流量传感器、压力传感器和温度传感器。

2.2.1 流量传感器

在吸气和呼气支路各装有一个流量传感器，分别用于监测吸气流量和呼气流量。选用的气流质量传感器具有测量范围广(最大可测量200 l/min的气流)、阻抗低(在最大流量200 l/min情况下阻抗为271.62 Pa，在典型的60 l/min情况下更是只有42.16 Pa)和响应快(响应时间为5 ms)的特点。同时，利用流量传感器的单向特性，可测定呼吸频率、吸气时间等参数。在吸气时，可利用流量的突变来验证触发功能。

2.2.2 压力传感器

为了监测气道内的气压，在吸气和呼气支路分别有一个压力取样口，通过一选择器后与压力传感器相连。通过选择器可选择监测呼气压力或吸气压力。压力传感器具有温度补偿功能，补偿范围为-18oC～+63oC，并具有零点及量程校整功能。

2.2.3 温度传感器

气体体积与温度密切相关，因此，在设计时考虑在气缸口安装一温度传感器，用于实时监测气道内温度。

2.2.4 信号采集处理电路

信号采集处理电路是实现呼吸参数监测的重要组成部分，其核心部件是中央微处理器。本系统选用的ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

信号采集处理电路每5 ms对流量传感器、压力传感器和温度传感器取样一次，CPU对采集的电压信号进行A/D转换，通过计算得出当前系统测量的流量、压力和温度，并将数据通过串行接口(RS232)传输到电脑。通过计算在电脑屏幕上实时显示流量、压力、温度、潮气量及频率等参数。

潮气量测量基于对一次呼吸时流量波形的积分，也就是波形曲线与时间轴围成的面积。每5 ms对流量信号进行采样，通过A/D转换计算出当前流量数值。将此流量数值乘以时间(5 ms)就得到这5 ms的气体容量值。将一次呼吸的气体容量值相加就得到这次呼吸的潮气量数值。

3 软件设计

软件的设计是为了实现对“肺”的控制，使其按需求进行呼吸，同时，也为了能在呼吸时实时监测呼吸参数。本系统采用Visual Basic语言设计控制显示界面（见图2）。该界面可基于电脑平台运行，主要分三个区域：设置参数区域、监测参数区域和实时数据区域。

图2 控制显示界面Fig.2 Control and display interface

3.1 设置参数区域

在设置参数区域可以对潮气量、吸气时间、屏气时间和频率进行设置，同时也可以选择不同的气缸和工作模式。根据选择的气缸不同，潮气量设置范围也有所不同。考虑到不同的测试需求，工作模式共有两种可供选择，分别为方波和正弦波。当选择方波时，直线电机匀速运动，流量恒定；当选择正弦波时，直线电机变速运动，可用于测定麻醉呼吸回路阻抗等参数。

3.2 监测参数区域

在监测参数区域，则显示当前的潮气量、呼吸频率、气道内温度和上次清零后的最大压力、最小压力、最大流量和最小流量，同时设有压力清零和流量清零按钮，可随时对最大压力和最小压力、最大流量和最小流量进行清零。

3.3 实时数据区域

在实时数据区域，可选择显示吸气流量、压力或呼气流量、压力。根据选择可实时显示流量曲线和压力曲线、流量和压力数值。流量曲线和压力曲线具有自适应功能，确保波形幅值在合适的位置，方便读取波形。

4 气路设计

气路部分包括气缸和呼吸回路。

4.1 气缸

气缸用于模拟人的“肺”。为了兼顾潮气量设定范围和精度，确保在较大的潮气量和较小的潮气量情况下输出均能达到设计精度要求，主动模拟肺的气缸设计为可更换。大气缸最大可输出2000 ml的潮气量,小气缸最大可输出800 ml潮气量。

4.2 呼吸回路

为了满足不同的设计需求，主动模拟肺设有吸气支路和呼气支路。当验证呼吸机显示的呼出潮气量等自主呼吸参数准确性或范围时，可将被测呼吸机患者连接口接到主动模拟肺的呼气口处；当验证呼吸机触发功能的灵敏度或准确性时，可将被测呼吸机患者连接口接到主动模拟肺的吸气口处。在吸气支路和呼气支路中各装有一个单向阀，可确保气体单向流动。

5 系统验证及结论

系统设计完成后的试运行表明，该系统可以满足测试需求。潮气量、频率等设置参数符合设计预期（潮气量精确度：±3%；频率精确度：±1 bpm）。

验证结果分别见表1和表2。

表1 输出潮气量精确度验证Tab.1 Accuracy validation of expired tidal volume

表2 呼吸频率精确度验证Tab.2 Accuracy validation of frequency

由于气缸可选择，在更换气缸时确保气缸的活塞推杆和直线电机成一直线至关重要。在试运行初期，由于固定气缸的底板为木板，固定气缸的螺孔定位不够精确，在连续大潮气量情况下运行一段时间后气缸略有移位，导致出现活塞卡阻、气缸抖动的现象，在将底板更换成金属板后已解决气缸抖动缺陷。

基于活塞运行的主动模拟肺的研制成功，对于全面验证呼吸机性能具有积极意义，在验证呼吸机中自主呼吸监测参数和触发功能方面更是具有现实意义，它将直接改变该领域试验仪器匮乏的局面。

[1] 吕鹏, 陈雅楠, 曹德森. 呼吸机测试仪的研制[J]. 北京生物医学工程, 2006, 25(1): 70-72.

[2] 张从华, 龚岚, 宿红, 等. 精确控制的模拟肺装置用于肺功能测量校准的实验研究[J]. 四川大学学报(工程科学版). 2008, 40(5): 185-189.

[3] 孙大金, 廖美琳. 呼吸机与麻醉机——基本原理、结构及临床应用[M]. 中华医学会上海分会出版, 1987年, 110-112.

[4] 易韦韦, 张玘, 王跃科. 主动模拟肺ASL5000在呼吸机检测中的应用[J]. 中国医疗设备. 2008, 23(7): 93-94.

[5] 曹玉龙. 呼吸机参数的设置与调节[J]. 中国临床医生. 2006, 2: 50-52.

[6] 蒋雪萍, 邵磊. 呼吸机校准方法的研究[J]. 中国测试技术, 2008, 34(6): 12-14.

Research and Design of an Initiative Lung Simulator Based on Plunger

【Writers】Wang Wei1，2, Ge Bin1

1 School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai For Science and Technology, Shanghai, 200093
2 Shanghai Testing & Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

This article introduces the working principle and the structural design of an initiative lung simulator based on plunger. The lung simulator is intended to test the monitor parameter and trigger function of the ventilator. Lung simulator can ventilate initiatively by adjusting the parameters such as tidal volume(VT)、frequency and inspiration time.

plunger, initiative, lung simulator

R318.18

B

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.03.012

1671-7104(2012)03-0199-03

2012-03-12

王伟，E-mail: wwslh@yahoo.com.cn