治疗呼吸机控制系统的硬件设计

闫国平

摘 要

本文阐述了一种ICU使用的治疗呼吸机控制系统的电路。该电路由信号采集、信号处理及驱动控制几部分组成。该电路通过信号采集电路将流量传感器、压力传感器及氧浓度传感器的小信号放大，经过信号处理电路，设计合理的截止频率，获得有用信号，然后通过CPU（LPC2138）进行数据分析，计算出呼吸机需要的流速、压力、氧浓度以及其它相关呼吸参数，与通过设置呼吸模式来决定的呼吸机系统的控制目标进行比较，利用呼吸动力学数学模型，运用PID控制算法进行闭环实时控制。该电路已成功应运于某国产高端治疗呼吸机上，大大提高了国产呼吸机的技术性能。

【关键词】呼吸动力学 呼吸机 PID算法

1 工作原理

呼吸机的控制系统主要由流量传感器、压力传感器、氧浓度传感器、差分放大电路、有源滤波电路、模数转换电路、单片机系统、数模转换电路，V/I变换电路及电流驱动电路等组成。当呼吸机工作时，气流流过压差装置，在该装置两侧形成一定得压差，这个压差通过气体管路传递到压差传感器，最终用于计算呼吸气道内的流量。压力传感器内部为惠斯顿电桥设计，一端同呼吸机气道连接，另一端同大气相通，当气道压力发生变化时，压力传感器电桥发生不平衡，输出相应信号。氧浓度传感器是利用化学原理来测量气体所含氧分压，该信号输出与氧分压成线性关系。各传感器的信号经过差分放大电路进行放大，通过有源滤波电路来滤波处理，最后经过模数转换电路转换为数字量进行计算处理，最终单片机系统依据采集到的数据，运用呼吸动力学方程，选择最优的控制策略，通过数模转换电路、V/I变换电路及电流驱动电路发出控制指令来实现闭环自动控制。

2 电路设计

2.1 单片机系统LPC2138

LPC2138 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI的微控制器，并带有512 kB 的嵌入的高速Flash 存储器。该芯片集成了多个32 位定时器、1路10 位DAC、6个PWM 通道和47 个GPIO 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断，16 个模拟输入10 位A/D 转换器，每个通道的转换时间低至2.44us。同时，32kB的片内静态RAM以及通过片内PLL 可实现最大为60MHz的CPU操作频率，使LPC2138可以轻松运行实时操作系统，保证呼吸机控制系统的实时性。

2.2 差分放大电路

压差式流量传感器及压力传感器工作原理相似，输出电阻的典型值为2k左右，差模输出信号范围均为毫伏级，然而，它们的输出信号对地的共模电压能达到6V，因此为了克服一定得共模干扰，仪表放大器的特点是输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，而且时间漂移小，因而稳定性高。他的共模抑制比高，适于在大的共模电压背景下对微小信号进行放大。由于传感器输出的共模电压可以高达6V，因此需要选用较高电压给仪表放大器供电，以确保信号的有效性，本电路采用正负12V进行供电。电路的增益 A0=（49.4KΩ/R1）+1，LPC2138自带的10位ADC的电压输入范围为0～3V，设计参考基准为2.5V，因此输入信号的电压U = D*2.5V/1024 ，其中D为ADC采集的数字量，LPC2138根据各传感器的特性将电信号转化成实际物理量。

2.3 有源滤波电路

压差式流量传感器测量压差产生装置所产生的压力差，当气流流过差压产生装置时，由于气体分子的运动杂乱无章，在压差产生装置之间叠加了许多杂散信号，为了保证流量测量的精度与流速时间波形的显示效果，必须对传感器放大后的信号进行低通滤波处理。有源滤波电路与传统的无源滤波电路相比，具有体积小，效率高，频率特性好等优点，而且在带通范围内可以获得较高增益，减少损失。我们希望滤波电路的幅频特性在通带内有最大平坦度，因此设计选取巴特沃兹型低通滤波，即Q= 0.707。另外，该滤波器的截止频率f0为30Hz，f>>f0处的衰减速率不低于60dB/10倍频，设计为3阶。

2.4 V/I变换及驱动电路

呼吸机采用的比例流量阀是一种电流型阀，由于比例阀的工作原理是通过控制阀芯的电磁力进行阀门开度的控制，从而实现流量的调节，因此阀的线圈具备一定得感性，会造成一定得磁滞现象，导致控制流量阀时增减电流的不同方向上相同的电流激励输出地气体流量不同。为了更精确的控制比例阀，需要分别记录电流上行和下行时输出的不同气体流量。

流过比例阀的电流I = UI/Rs，通过设置合理的阻值可以限定V/I变换电路的最大电流，以保证流量阀不会因为意外而被烧毁。电阻R1与电容C1组成了一个积分环节，可以避免V/I变换电路输出电流比较大时，运算放大器的同向端与反向端产生失衡，破坏了V/I变换电路的线性度。电流采样电阻Rs的选取需要注意考虑散热功率，以免由于温升引起电阻的变化，导致阀的输出发生变化。

3 测试结果

通过对比控制系统采集计算出的流量、压力及氧浓度等参数与VT-PLUS（呼吸机检测仪）的相应读数来验证各个参数测量的准确性。在电路设计上，通过增益的调整，能够实现相互的一致性。根据对比试验结果，流量测量的相对误差为±4.5%以内，压力测量的相对误差为±1.4%以内，氧浓度测量的绝对误差为±2%以内，均可满足规定的测量精度要求。以压力为控制目标的PCV呼吸模式下，气道压力的控制效果良好，不仅上升时间较短，而且超调很小。

4 结论

本文设计的电路已经应用于我们研制的高档治疗呼吸机上，经过实验和长期临床验证，能很好的支持呼吸机系统进行压力、流量及氧浓度等呼吸生理参数的测量与通气的控制，大大的提升了呼吸机的技术性能。与国内外同类产品对比，结果表明了该控制系统实现方法的有效性，同时也显示了我们的呼吸机产品在参数监测及通气实现上具有明显的优点。

参考文献

[1]王保国，周建新.实用呼吸机治疗学（第二版）[M].北京：人民卫生出版社，1994（03）.

[2]俞森洋.现代机械通气的监护和临床应用[M].北京：中国协和医科大学出版社，2003：159-183.

作者单位

北京思瑞德医疗器械有限公司 北京市 101111endprint