高频胸壁振荡排痰系统的研究和设计

2015-12-20皇甫德俊周晓东姚文坡陈兴东

医疗卫生装备 2015年11期

皇甫德俊，周晓东，姚文坡，张玉，羊元，陈兴东

高频胸壁振荡排痰系统的研究和设计

皇甫德俊，周晓东，姚文坡，张玉，羊元，陈兴东

目的：设计一种辅助患者清除肺部难以排出的痰液的设备。方法：在单片机的控制下，主机部分的加压风机运行产生可调节的压缩空气，通过导气连接管对患者的排痰背心进行充气，使排痰背心变得充盈且紧贴于患者的体表胸腔，随后由主机部分的拍打电动机对密闭的压缩空气进行拍打，使气体震荡，与之相连的充盈排痰背心也产生高频振动。结果：该系统可有效排除患者体内坠积痰液，且操作简单，节省人力。结论：相比于传统排痰方式，该系统更省时、省力，操作简单，效果明显，值得推广。

高频；胸壁振动；排痰

0 引言

呼吸道疾病是人类的常见病、多发病，危害人类健康。痰液的坠积会给机体带来危害，并给呼吸道内的病菌提供滋生的环境，导致炎症恶化，进而引发继发感染，尤其长期卧床及ICU病房的患者，自身抵抗力下降，更需高度重视肺部护理。高频胸壁振荡[1-2]（high frequency of chest wall oscillation，HFCWO）排痰具有很长的临床应用史，非常有效，是各国改善呼吸道黏液清理功能的标准医学方法之一，包括人工叩背排痰及手持式振动机排痰。

人工叩背排痰治疗[3]需要操作者协助，嘱患者躺下（在规定的12种姿势中变换），操作者采用正确的手法和力度，以一定的频率对胸腔和背部进行移动敲击拍打，使整个肺部得到完全拍打治疗。此过程需持续40～50 min，每天进行1～4次，有时还要伴随药物吸入才能更好地使肺部黏液堆积物排出。这样的治疗会消耗操作者大量体力，随着体力下降，拍打力度和频率会大打折扣，造成施疗效果不佳。同时，施疗人员若不专业或不按要求实施治疗，排痰就无法达到预期效果。并且施疗人员在为患者实施治疗时，极易感染空气传播性疾病，所以人工叩背排痰治疗有着一定的局限性。

手持式机械振荡排痰设备[4]于2003年前后在我国开始使用。此排痰设备是根据临床人工叩背排痰物理治疗原理开发出来的。治疗时，选择合适的振头，调节合适的治疗参数，将治疗头置于胸或背引流部位，对引流部位作振动治疗。可以治疗一引流处后移动到另一引流处进行治疗。振头定向治疗力穿透性强，能通过人体表面产生特定方向周期变化的治疗力，使呼吸道黏膜表面黏液和代谢物松弛、液化、脱落、聚集至大的气道，再通过病患咳嗽或负压吸痰被排出体外。这种设备虽然代替了传统的人手拍打，但这两者仍有以下共同缺陷：（1）治疗全过程需要治疗师操作，在医院重症病区要占用宝贵的人力，在家庭使用时患者也不能自己操作；（2）治疗师的疲劳或经验不足，都会使治疗效果大打折扣；（3）增加了呼吸道病原体由患者到医护人员传播的机会[5-6]；（4）每次只能拍打按摩头所在的一个部位，不能同时对全胸廓拍打，排痰效果不佳；（5）需要患者变换12种不同体位，以达到较好的效果，危重患者无法配合。

针对以上不足，采用HCFWO技术设计的全胸腔高频脉冲排痰系统，能对患者的整个胸腔进行更为全面和均匀的叩击，解决了每次只能拍打一个部位，不能同时对全胸廓拍打的问题，且整个操作过程不需要患者过多的体位配合，治疗中不需要医护人员其他操作，减少了呼吸道病原体传染机会。全胸腔高频脉冲能在呼吸道内形成明显的高频振动气流，使得排痰效果大大提升，实现了真正意义上的减轻医护人员护理负担。全胸腔高频脉冲排痰系统主要采用病员可穿戴的排痰背心取代以往的按摩头，通过加压风机和拍打电动机的配合，集传感器数据采集和单片机控制于一体，使排痰背心对病员胸壁产生共振拍打。该系统包括可充气背心或束胸及与之通过导气管相连的空气脉冲主机。主机产生高频脉冲气流，并匀速形成往复气流，通过气囊背心使患者胸腔产生高速、轻微的深度全胸腔振动，促使肺部的黏液能轻松排出，保持呼吸道的通畅。

1 总体结构和原理

本设计在单片机的控制下，首先由主机部分加压风机产生稳定的压缩空气，通过压力连接管使患者排痰背心充盈且紧贴患者全胸腔。在主机拍打电动机的控制下使密闭的压缩空气产生高频气压振动脉冲作用于患者排痰气囊背心，使充盈的排痰背心产生共振，以此来模拟人为拍打。这样通过反复、深度地拍打患者胸腔，使呼吸道黏稠分泌物产生共振、脱落、聚集，刺激患者咳嗽。该系统的主机端包括风机加压部分、拍打电动机部分、控制部分等，风机加压部分主要功能是产生正向压缩空气，通过连接的导气软管使包裹在患者胸腔前、侧和后面的压力气囊背心保持充盈且维持一个合适的压力；而拍打电动机部分则利用电动机往复旋转带动拍板对背心气囊充盈的密闭空气进行拍打，使气流振荡，经导气软管的连接输出高频振荡气流通往整个气囊背心，以此来模拟人为的胸腔拍打，刺激胸壁，进行排痰。控制部分主要的核心是单片机，本次设计选用稳定高速的AVR单片机作为核心控制部件，同时依托压力变送器的数据采集功能，能对全部系统进行气压补给控制、压力监测、高低压峰值监测、风机加压控制、电动机拍打频率控制、定时控制、参数输入控制、显示输出控制和报警等操作。此系统由操作人员设定相应运行参数（包括工作时长、气压压力、拍打频率、拍打幅度）输入，这样可以针对不同体质人员选择合理的参数，使排痰效果达到最佳。同时，为了避免在传导共振时的能量衰减，患者端背心采用符合人体工程学原理的复合材料进行制作，这样可以使物理治疗能量最大效率地传导，产生共振，使治疗获得最好的效果。具体系统结构如图1所示。

图1 高频胸壁振动排痰系统结构图

2 硬件部分

2.1 单片机

此次设计所用的单片机采用Atmel公司的AT－mega16单片机[7-8]，它是基于增强的AVR精简指令计算机（reduced instruction set computer，RISC）结构的低功耗8 bit金属氧化物半导体 (complementary metal oxide semiconductor，CMOS）微控制器。它具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，在数据吞吐率上高达1 MIPS/MHz。该单片机内置模块中有3个可预分频设置的定时器/计数器，其中2个是分别独立的8 bit定时器/计数器，另1个是具有比较、输入捕捉功能的16 bit定时器/计数器；同时，片内还具有4路脉宽调制（pulse-width modulation，PWM）通道及8路10 bit模数转换器（analog to digital converter，ADC）。因此，采用ATmega16单片机有着很强的优势，为本系统设计提供了灵活而低成本的解决方案，也方便今后对接口和功能的扩展。具体处理器控制如图2所示。

图2 高频胸壁振动排痰系统控制图

2.2 压力监测部分

主要采用压力变送器[9]作为压力传感器，其原理为当被测介质的压力直接作用在传感器的膜片（不锈钢或陶瓷）上时，膜片会产生微小的形变，其上的高精度电路将这个微小的形变转换成为与压力成正比的线性电压信号，然后由专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4～20 mA电流信号或者1～5 V电压信号。由于测量膜片采用标准化集成电路，内部包含线性及温度补偿电路，所以可以做到高精度和高稳定性；变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制4～20 mA电流信号，方便现场接线。此次采用的压力变送器为南京宏沐科技公司生产的HM10型高精度压力传感器，此传感器稳定性好，精度高，结构小巧，同单片机连接方便。压力变送器的输出线同ATmega16单片机PA0脚直接连接，省去中间连接电路。

压力变送器主要用来监测整个压力腔和背心内的气压，同时也对背心对胸壁的拍打频率和幅度是否与设置参数值一致作出监测。若不一致则通过单片机处理器进行偏离值运算，输出逼近值控制信号给相应控制部件，做到系统的整体闭环运行。

2.3 风机加压部分

风机[10-11]加压保持了整个系统和背心内的气压，它以电子控制的方式调整气压，方便患者选择使自己感到舒适的压力。

气压的产生依靠风机的连续运行输出连续的正向气压气流，让背心膨胀，使背心内侧紧贴胸壁，在保证振荡波传导的同时使肺泡产生最大共振。由于软管及其他各种连接管可能会漏气，患者治疗时自身也在呼气吸气，且不同患者的肺活量也不同，因此进入气囊的气流量必须作相应改变。在压力变送器的监测下，通过ATmega16单片机的处理运算输出一个气压补偿的PWM波控制信号，通过加压风机的补偿运行，保证了系统内的稳定压力。

风机加压部分的核心部件是风机，此次采用台湾耐佶科技有限公司生产的型号为NEG-MO-85-60B-24V-100的微型高档气泵，该风机额定电压24 V，额定电流1.0 A，额定转速10 000 r/min，控制功能采用PWM调速，由反馈传送（feedback transmitter，FG）进行转速侦测，自带驱动电路。风机采用四线制连接，四线连接定义具体见表1。

表1 四线连接定义

2.4 拍打电动机部分

拍打电动机[12]部分主要作用是输出高频振荡气流，在压力腔充盈的状态下启动拍打电动机，使整个压力腔产生振动。此振动会通过连接管路传导至排痰背心，使之随之产生振动，犹如人为反复拍击胸壁一样刺激排痰。而拍打电动机是整个系统的振动来源，利用电动机的旋转带动拍板的来回往复运动，进而使得系统内的气体产生高频振动，通过导气软管带动背心内的气体产生高频振动。

拍打电动机主要采用无刷直流电动机，无刷电动机以电子换向取代机械换向，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护，并且具有低电压特性好、转扭过载特性强、启动扭矩大（堵转特性）、启动电流小等优点。

电动机带动拍板来回往复运动的情形如图3所示，拍打电动机结构如图4所示。

图3 电动机带动拍板来回往复运动的情形图

图4 拍打电动机结构图

拍打电动机驱动芯片采用MC33035[13-14]，通过ATmega16单片机的PB0脚输出的PWM波控制信号来推动MC33035驱动运行，而单片机PB7脚主要起到紧急制动功能。MC33035是一款高性能的无刷直流电动机控制芯片，具备了实现开环、三相或四相电动机控制所需的全部功能，包含了1个转子位置检测器，1个频率可调的锯齿波振荡器，1个全幅的误差信号放大器，1个脉冲宽度调制比较器，3个开路的集电极高速驱动输出，3个高电流的图腾柱驱动器输出，其中图腾柱驱动器输出可以直接驱动功率型金属-氧化层半导体场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）。同时，MC33035还包含了一些保护特性，主要有欠压锁定，延迟时间可选的电流极限周期，内部过热保护电路和故障输出，易于和微处理器连接。具体电路如图5所示。

2.5 定时部分

采用ATmega16单片机本身自带的可独立运行的定时器作为定时部分，它不占用中央处理器（central processing unit，CPU）的时间，具体对应着AT－mega16单片机自带8 bit的T/C2作为定时器模块，其定时的精度满足系统要求、无需外接硬件。只需在软件编程中对T/C2定时器的预分频、TCNT2计时初始寄存器、OCR2输出比较寄存器、ASSR异步状态寄存器等寄存器作相应的指令设置外加少量代码，即可进行定时。这样不仅代码少且编程灵活，使整体设计变得简单。

2.6 显示输入部分

运用电容式触摸按键分别控制气压、频率、幅度、时间，并在液晶显示器[15]上显示，方便人机交流，方便护士或患者实时控制，实时调整。在蜂鸣器的提醒下，让使用者在操作时有明显的步骤体验。采用北京迪文科技有限公司生产的液晶显示输入模块DMG80480C070_02W，7.0 in（1 in=25.4 mm）、800像素×480像素图形点阵H600内核、16.7 MB色工业串口屏。作为液晶显示模块，该串口屏通过本身的RS232串口能直接同ATmega16单片机的串口进行数据传递，且该模块自带触摸按键功能，可以直接接入电容式触摸按键，不需要外加电路，所以连接非常方便。电容式触摸按键，只需触摸，不需要压力来产生信号，具有使用寿命更长等优点。具体液晶显示人机界面控制模块如图6所示。

图5 芯片MC33035电路结构图

图6 液晶显示人机界面控制模块

2.7 报警部分

报警电路主要是对机器运行时间结束与否进行提醒，在设置参数时也能进行语音提示，在运行中出现漏气时发出报警。具体电路连接为单片机的PD5脚同报警器控制脚直接连接，当机器满足报警条件时单片机PD5脚呈现低电平，此时三极管Q1导通，蜂鸣器获得电压，报警电路工作。处于语音提示状态时，PD5脚根据语音代码进行控制输出，具体电路如图7所示。

图7 报警电路

3 软件设计部分

采用 ImageCraft公司集成开发环境的ICCAVR开发工具，它是一个综合了编辑器、工程管理器和C编译器的集成开发环境（integrated deveiopment environment， IDE）。同时，它可无缝对接AVR_Studio软件调试器，对ICCAVR编译输出的.cof映像文件进行软件调试，使此平台开发出的软件更高效，便捷。

图8 运行流程图

具体软件运行过程如下：系统启动后按照图8所示的流程图执行操作，开始进行系统初始化，单片机初始化包括端口的初始化、看门狗的初始化、定时器的初始化及串行通信口初始化等。单片机初始化结束后，等待操作人员的参数设置，参数设置包括气压压力、拍打频率、定时时间等。设置时有语音提示，设置完成后，启动机器运行，加压风机便开始加压。同时压力变送器不断地采集压力数据，当压力将要达到设置值时，处理器给控制加压风机输出加压修正指令，加压风机风速渐渐变缓，主要使压力曲线平稳逼近设置的压力值。当压力值达到时，拍打电动机便开始启动，且开始计时，同时单片机对压力变送器所采集的变动压力数据进行计算，得出拍打频率是否和设置的频率值相吻合，若不同，则单片机向拍打电动机驱动输出频率逼近修正控制信号，让拍打频率同设置值相同。拍打电动机在运行中，同时依靠压力变送器对压力变化波形的感知来控制气压压力及拍打频率。当拍打时长达到预设时间时，定时停止。语音提示气压风机和拍打电动机停止运行且排气电磁阀门打开泄压，使压力降至当前大气压平衡点处，机器运行自动停止，整个呼吸道胸壁高频振荡排痰结束。

4 测试结果

测试参数设置：气压总共分为9挡，分别为1.5、1.8、2.1、2.3、2.7、3.05、3.3、3.6、3.9 kPa；频率总共分为9挡，分别为5.3、7.3、10.3、12.4、14.4、16.4、19.3、22.1、25.18 Hz。通过对10名患者的模拟使用测试，排痰有效率达95%以上。根据患者自身条件选择不同规格的排痰背心，将有助于排痰疗效更好的发挥。此高频胸壁振动排痰系统适用于各种不同需求的患者。同人工叩背、振动排痰机相比具有很多优势，具体对比见表2。

表2 3种排痰方式对比

5 结论

本系统主要针对有排痰需求的患者，运用高频振动的原理，作用在患者的胸腔，使得患者胸腔内的痰液能及时排出，保证患者的正常呼吸顺畅，及时清除呼吸道分泌物，有效预防或减轻肺部感染。目前，国内大部分医院仍采用体位引流、叩背、手持式排痰机等排痰方法，这些方法都无法保证排痰效果，且对操作人员有较高的要求，并且比较耗费人力，尤其是在科室护理人员较少时更为明显。而本文中全胸腔高频脉冲排痰系统在使用时仅需护士将背心穿在患者身上，调到合适参数即可，治疗时间也大大缩短，效果更为突出，操作简单，值得推广。

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（收稿：2015-04-07 修回：2015-08-05）

《医疗卫生装备》杂志荣获2015年“中国医药卫生最美期刊奖”

【本刊讯】为配合2015中国（武汉）期刊刊博会及中国期刊协会相关活动，表彰为中国医药卫生期刊事业发展倾注毕生精力并对期刊事业发展做出有益贡献的期刊工作者及出版机构，中国期刊协会医药卫生期刊分会组织了2015年“中国医药卫生最美期刊奖”的评奖活动。评奖采取各期刊出版单位申报、专家推荐、评委评选等多方环节进行，共评选出2015年“中国医药卫生最美期刊奖”15种。由军事医学科学院卫生装备研究所主办的《医疗卫生装备》杂志以其设计理念新颖、装帧精美、版式和谐在众多医药卫生期刊中脱颖而出，荣获2015年“中国医药卫生最美期刊奖”。本刊此次获奖，一方面说明科技学术期刊在报道学术成果的同时要充分结合报道内容，将艺术设计与内容有机结合，使读者在获取最新科技信息的同时得到美的享受；另一方面也体现出我刊设计尝试得到了认可，更承载着广大读作者对我刊的关心、支持和厚爱。

（本刊编辑部）

Design of sputum elimination system by high-frequency chest wall vibration

HUANGFU De-jun1,ZHOU Xiao-dong1,YAO Wen-po2,ZHANG Yu1,YANG Yuan1,CHEN Xing-dong1
（1.Tangshan Branch,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 211131,China; 2.Equipment Department,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 210002,China）

Objective To design an auxiliary system for eliminating sputum from the lung.Methods MCU controlled the pressure blower of the host part to generate compressed air with adjustable pressure,and the compressed air inflated the sputum-elimination vest through the gas tube and made it cling to the chest wall,and then the flap motor rocked the compressed air to cause the high-frequency vibration of the inflated vest.Results The system could eliminate the sputum accumulated in the patient's body easily.Conclusion The system has high efficiency,easy operation and low manpower consumption,and thus is worthy popularizing for sputum elimination.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：18-22]

high frequency;chest wall vibration;sputum elimination