单水平无创通气治疗机的设计

魏立峰， 李 麟， 王庆辉

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)



单水平无创通气治疗机的设计

魏立峰， 李 麟， 王庆辉

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

提出便携式CPAP呼吸机的整体设计方案.该设计采用触摸按键设置合适的压力参数，通过控制直流无刷电机，实现软管呼吸内压力控制，液晶模块实时显示压力值和使用时间，并通过SD卡实时记录呼吸数据，为进一步提出治疗方案提供依据.同时管道脱落报警和断电报警为设计增加了高可靠性和安全性，为CPAP呼吸机的使用提供更高保障.实验测试结果表明：该设计实现了CPAP呼吸机的基本功能，具有价格低廉、可靠性高、低功耗、便携等优点.

CPAP； 呼吸机； 直流无刷电机

阻塞性睡眠呼吸暂停综合症(obstructive sleep apnea syndrome，OSAS)，又称睡眠呼吸暂停低通气综合症，是指每晚7 h睡眠过程中呼吸暂停反复发作30次以上，或者睡眠呼吸暂停低通气指数(AHI)≥5次/h，并伴有睡眠中响亮打鼾、夜间低氧血症、日间嗜睡等为特征的一系列临床综合症[1].OSAS患者会表现出脾气暴躁，智力和记忆力减退，等病情，严重者可引起高血压、冠心病、糖尿病和脑血管疾病等，故需对病人采取治疗措施.对OSAS的治疗可以采用行为、持续气道正压(continuous positive airway pressure，CPAP)、药物和手术治疗，其中CPAP治疗已经成为公认的治疗OSAS最为安全和有效的方法.CPAP呼吸机即为单水平无创通气治疗机，单水平是指能持续输出一个恒定压力.在文献[2]中，某医院采用CPAP呼吸机对30例均有中重度阻塞性睡眠呼吸暂停综合症典型症状的患者进行为期两周的治疗，观察发现：经治疗后，能迅速改善患者呼吸暂停，睡眠时打鼾，白天嗜睡、困倦、头晕、头痛，等OSAS所引起的一系列临床并发症，确保患者正常有效地呼吸.

国内呼吸机的研制起步较晚，1958年在上海制成钟罩式正负压呼吸机；1971年制成电动时间切换定容呼吸机；直到20世纪90年代中末期，国产呼吸机的开发力度才有所加大，质量得到了普遍提高.目前，国产呼吸机在技术上大多还处于借鉴和模仿国外产品技术，在功能质量方面，尤其是在可靠性上，落后于国外发达国家[3].国内主流产品多为电动气控型的中低档呼吸机，呼吸模式也只能满足中低端需求.未来呼吸机的发展趋势主要体现在通气模式、功能以及信息化的发展.本文提出了一种便携式CPAP呼吸机整体设计方案，并进行了整机制作与调试，实现了CPAP呼吸机的基本功能，具有价格低廉、可靠性高、低功耗、实时数据记录等优点，为CPAP呼吸机的产业化打下了基础.

1 CPAP呼吸机的基本原理

CPAP呼吸机治疗OSAS的原理如图1[4]所示，(a)为正常咽部结构和正常呼吸；(b)为气道部分受阻，气流通过不畅引起打鼾；(c)为气道完全阻塞，气流中断，发生呼吸暂停；(d)为CPAP保持气道通畅.

图1 CPAP治疗OSAS的原理

Fig.1 Principle of CPAP treatment of OSAS

正常人体进入睡眠状态时，从鼻子和咽部经过的气流通畅，可以保持正常的呼吸；而有鼻中隔弯曲、扁桃体肥大、软腭过长等问题的OSAS患者会出现上呼吸道狭窄或阻塞，有憋气感，致使呼吸气流中断，导致短暂性呼吸暂停，进而影响睡眠质量并引起多种疾病.因而，保持气道的顺畅至关重要.

CPAP呼吸机由控制系统控制电机，当电机输出设定压力时，气流经过软管、鼻罩进入鼻腔.当用户吸气时，由于气道阻塞使得气道压低于CPAP水平，则控制电机加速，增加输入压力迫使气流进入肺内，使气道压保持在CPAP水平；当用户呼气时，用户排出气流方向和呼吸机输出气流方向互逆，使得气道压高于CPAP水平，此时控制电机减速，使气道压力保持在CPAP水平.在整个过程中，CPAP呼吸机都是持续往气道输入气流，由于体内负压、颈屈曲的作用和咽气道内在的不稳定性使咽气道易于塌陷，一旦气道关闭，需更大相反的力才能克服咽壁的附着力使咽气道重新开放.这种气流压力的强制性可以保持咽喉部的气道通畅，以防止气道狭窄或塌陷而引起呼吸障碍事件的发生[5].

2 系统硬件设计

系统整体采用闭环控制流程，设计中的硬件部分是压力传感器采集用户软管内压力，并将采集到的气道压转化为电压值，经分压等处理后传到主控单片机，主控单片机将得到的信号送入电机驱动控制中，根据设置的转速范围带动电机转动；同时若遇呼吸机突然断电等情况会报警，提醒用户呼吸机已停止工作.设计采用法拉电容存储电能，以备突然断电情况的发生，起到节能的作用.另外用户的呼吸情况会记录在SD卡中，用以备份.图2为硬件设计原理图.软件部分是在Keil界面编写程序.

硬件电路主要由主控单片机、电源电路、压力传感器、电机、电机驱动、液晶显示、触摸按键、断电报警、SD卡存储、时钟电路等部分组成.

图2 硬件设计原理图

Fig.2 Hardware design schematics

2.1 主控单片机

采用STM32F103VET6，其资源丰富、功能强大的特点可满足呼吸机的控制应用条件.片内集成了数据采集传输与控制中常用功能部件和其它外设功能部件，主要体现在：工作频率最高可达72 MHz，可以执行0等待状态内存存取；512 K字节的闪存和高达64 kb的SRAM等.其外围设备主要有：3个12位模数转换器(ADC)、一个2通道12位D/A转换器(DAC)、3个串行外设接口(SPI)、4个16位的带有输入捕获/输出比较/PWM的定时器、2个I2C接口、SDIO接口等[6].

2.2 电源电路

图2为DPD模拟所涉及最高体系浓度(杂双子表面活性剂体积分率φ=0.5)下,C9-P-NC18体系中各DPD软粒子的扩散系数(D)随模拟步数(Ns)的变化情况.显然,当模拟进行一段时间(至多5×104时间步)之后,各类粒子的扩散系数均无大的起伏,仅有小的波动,充分表明该体系已达平衡.由此可见,5×105时间步应足以确保每一轮模拟达到平衡状态.

CPAP呼吸机从电源适配器接入24 V直流电源，需要分成3组为电路供电：一组24 V直接供直流电机驱动部分工作；一组由开关型降压稳压器LM2576将24 V电压转换成5 V电压(见图3)，为液晶、蜂鸣器和压力传感器等供电；另外一组由正向低压降稳压器AMS1117将5 V电压转换成3.3 V电压(见图4)，为主控单片机、触摸按键等提供参考电源.

图3 电源部分24 V转5 V电路图

Fig.3 24 V to 5 V power supply circuit diagram

图4 电源部分5 V转3.3 V电路图

Fig.4 5 V to 3.3 V power supply circuit diagram

2.3 压力采集电路

采用 Freescale 公司生产的MPXV5004G压力传感器.该芯片具有10～60 ℃的温度补偿功能，压力量程为0～3.92 kPa，输出压力范围为1.0～4.9 V[7].CPAP呼吸机的压力范围为0.4～2.0 kPa，输出电压最高为2.5 V.而风机的最大极限压力为3.0 kPa，相当于3.75 V，主控单片机的AD采集参考电压为3.3 V，故采用如图5的分压过程将采集到的信号传递给AD.

图5 压力信号采集电路图

Fig.5 Pressure signal acquisition circuit

2.4 直流电机控制电路

CPAP呼吸机控制系统的主要控制对象是电机，采用 Motorola 公司生产的第二代直流无刷电机控制芯片 MC33035 和电机调速芯片MC33039控制电机驱动电路.

图6为三相直流无刷电机控制电路，MC33035内部有转子位置译码器，可以将电机转子位置三相检测信号(SA、SB、SC)与正反转、制动、使能、电流检测等信号状态结合后编译运算，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号.由 MC33035的1、2、24脚输出用于直接驱动外部顶端功率开关晶体管，在19、20、21脚有输出时需经过脉冲宽度调整，经驱动电路整形放大用于驱动外部底端功率开关晶体管，底部的驱动是由MC33035的18脚来供电[8].

图6 MC33035三相直流无刷电机控制电路图

Fig.6 MC33035 DC motor control circuit

MC33035的23脚为制动输入端，内部有40 kΩ上拉电阻，故在断开或开路时实施制动；当主控单片机有信号MOTOR23输出时，连接MC33035的23脚Brake端电位被拉低，电机正常运转(见图8).制动输入较所有其他输入具有无条件的优先权，此设计为电机增加了新的安全保障.

图7 MC33039闭环电机测速器电路图

Fig.7 MC33039 closed loop motor speed control

图8 直流电机制动控制电路图

Fig.8 DC Braking control circuit

2.5 SD卡存储

设计中加入SD卡用来存储用户的使用时间和呼吸机检测到的用户的呼吸数据.这种记录有利于医生对用户睡眠数据进行分析.SD卡一般支持两种操作模式：一是SD卡模式(通过SDIO通信)，二是SPI模式.SD卡模式允许4线的高速数据传输，SPI模式允许简单地通过SPI接口与SD卡通信，这种模式与SD卡模式相比速度低，故采用SD卡模式(见图9).

图9 SD卡存储电路图

Fig.9 SD card memory circuit

3 CPAP呼吸机软件设计

系统软件程序主要是采用C语言进行编写，采用模块化结构设计，软件主要由主程序和中断服务子程序两部分组成.CPAP呼吸机软件设计流程为：首先，对系统进行初始化，包括对模数转换ADC、串口、时钟模块等进行初始化操作；然后，设定相应参数，读取AD并转换为压力值，对该数值进行增量式PI算法处理，控制电机输出；最后，处理控制标识，将控制结果返回至压力传感器进行AD读取，继续进行循环控制.

CPAP呼吸机外部按键中断流程为：检测被按下的键并读取键值，根据按键的设定对程序进行控制.按键功能包括：启动/暂停呼吸机、增加/减少压力值.

4 实验验证

CPAP呼吸机气路连接：风机出气口连接带有压力测试点的连接件，连接件的另一端通过螺旋管与气阻相连接.CPAP呼吸机的压力设定范围为0.4～2.0 kPa，表1为设定相应压力值时的实际输出压力；误差为设定压力值与测得压力值之差绝对值的平均值，它是反应CPAP呼吸机的压力保持能力，是衡量呼吸机性能的重要指标.

表1 0.4～2.0 kPa设定值与测量值对比

±0.05 kPa的压力控制误差是CPAP呼吸机测试标准.从表1可以看出：测量的压力值与设定值误差小于0.05 kPa，符合呼吸机的压力指标.

5 结 论

给出了CPAP呼吸机的整体设计方案，测试结果表明：该设计符合设计要求，具有稳定、低功耗、便携等优点.CPAP呼吸机在治疗OSAS疾病中是最为有效的方法.

[1] 刘清萍.无创呼吸机治疗OSAS疗效观察及护理[J].实用医技杂志，2005，12(23):3529.

[2] 楚庚香.浅谈CPAP呼吸机治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的护理[J].中国民族民间医药，2010，19(10):204-205.

[3] 梁晓婷，杨国忠.我国呼吸机发展现状及趋势——走访北京谊安公司后的调研报告[J].中国医疗器械信息，2008，14(1):30-36.

[4] 李淼，胡兆燕，陈正龙，等.CPAP呼吸机压力发生器的设计[J].中国医疗器械信息，2008，14(10):40-44.

[5] 包涵，赵守国.基于PID控制的便携式CPAP呼吸机设计[EB/OL].[2011-04-25].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2011/04/611.

[6] MXCHIP Corporation.STM32F 103xC STM32F103 xD STM32F103xE数据手册[EB/OL].[2014-10-10].http://www.chinadmd.com/file/s06xwtsxt xcwxsiropiztovr_7.html.

[7] MOTOROLA.MPX5100DP-Integrated Silicon Pressure Sensor数据手册[EB/OL].[2014-10-10].http://pdf.elecfans.com/MOTOROLA/MPX5100 DP.html.

[8] 孙欢庆，李桥梁.MC33035在直流无刷电机控制中的应用[J].电机技术，2007(3):27-30.

Design of a Single Level Non-invasive Ventilation Therapy Machine

WEI Li-feng， LI Lin， WANG Qing-hui

(Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142， China)

Overall design of portable CPAP machine is presented in this paper，the ventilator is designed with touch buttons to set the appropriate pressure parameters，the ventilator by controlling the DC brushless motor to achieve the hose breathing pressure control，LCD module can display real-time pressure value and the use of time，and real-time recording of respiratory data via SD card，provide the basis for further proposed treatment.At the same time the design of pipeline shedding and power failure alarm increases reliability and security，provide greater protection for the use of CPAP breathing machine.The test results show that the CPAP machine is designed with the basic functions，with low cost，high reliability，low power，portability and other advantages.

CPAP(continuous positive airway pressure); ventilator; brushless DC motor

2014-10-13

魏立峰(1962-)，男，浙江绍兴人，教授，博士，主要从事嵌入式系统的研究.

2095-2198(2016)04-0366-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.04.016

TH77

A