新型吸氧装置的设计
2018-08-23张秀梅谢卫卫张櫆胡玉萍梁振
张秀梅 谢卫卫 张櫆 胡玉萍 梁振
1 安徽医科大学第一附属医院老年呼吸科 （安徽 合肥 230000）
2 安徽医科大学 （安徽 合肥 230000）
内容提要： 目的：设计一种可控制并能实时显示吸氧流量及吸氧时间的装置，避免以往吸氧流量的模糊性及吸氧时间的不准确性。方法：该吸氧装置包括连接头、控制部分、调节旋钮、显示部分、湿化瓶，由主控制器、薄膜开关、液晶显示屏、气体传感器、电源等模块组成。结果：本吸氧装置系统可在短时内完成对吸氧数据的分析处理和输出工作，实时显示患者吸入氧气的准确流量和吸氧时间。结论：本装置测量准确、直观显示、使用方便，具有很好的临床应用价值和发展前景。
氧是维持人类生命所必需的物质，缺氧可导致体内的代谢异常和生理功能紊乱，甚至危及生命。吸氧是临床上重要且常用的治疗手段，对不同的患者和疾病应有不同的给氧方式、氧气浓度和氧气流量。研究表明，不同氧流量对急性呼吸衰竭患者痰液黏稠、慢性阻塞性肺疾病患者心率及动脉血氧饱和度、肺心病Ⅱ型呼吸衰竭等的氧疗效果有影响[1,2]。目前在临床上所用的吸氧装置大多采用手动阀门调解氧流量，调节精度不高，容易造成氧气浪费；同时，护士在记录患者吸氧时间时无法做到准确无误，既影响治疗效果又容易引起纠纷[3,4]。所以作者研制了一种吸氧装置，该装置获批国家实用新型专利（ZL201520550579.9），它能控制并能实时显示吸氧流量及吸氧时间，避免以往吸氧流量的模糊性及吸氧时间的不准确性。
1.材料与方法
1.1 结构框架及工作原理
该吸氧装置包括连接头、控制部分、调节旋钮、显示部分、湿化瓶。工作原理是：中心供气系统提供氧源，氧气经过连接头并通过手动调节旋钮进入控制部分，控制部分采用（STC89C51）单片机为核心处理器，氧气经过流量传感器（HX711BF）可动态实时显示气体流量值、系统时钟、工作时间等功能（图1）。
图1. 吸氧装置系统框图
图2. 主控制器STC89C51电路图
图4. 液晶显示屏电路图
1.2 功能模块设计
1.2.1 主控制器
该设计采用STC89C51单片机作为本装置的主控制器，STC89C51单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统，其功能强大，可以实现本吸氧装置所需的流量控制、时间日期、累计计时等功能（图2）。
1.2.2 薄膜开关
图5. 吸氧装置电源电路图
图6. 气体压力传感器电路图
薄膜开关采用矩阵键盘设计方式，共设置6个按键，分别为电源键、复位键、功能选择键、增加按键、减少按键、确认按键（图3）。
1.2.3 显示屏
此装置液晶显示屏采用驱动芯片为1602，4×16彩色液晶显示，显示屏一共有4行，每一行最多可以显示16个字母、数字或8个汉字。液晶显示屏可同时显示英文字母、数字、汉字和自定义符号（图4）。
1.2.4 电源模块
电源采用两节干电池供电，持续供电时间为40h左右。电源电路图如图5。
1.2.5 气体压力传感器
气体压力传感器置于进气口底部，实时动态检测进气压力，并将压力转换电信号给主控制器，由主控制器进行转换并在显示器上实时显示气体流量大小（图6）。
1.3 工作流程
仪器电池盒放入两节干电池，接通电源，按住电源按键3s，液晶显示屏点亮，系统进入待机模式，点击功能选择按键，系统自动切换到时间设置模式、通气时间设置模式、工作模式、待机模式（在时间设置模式和通气时间设置模式下，点击增加按键或减少按键，时间往上增加或往下减少一个单位），模式设置完成后，点击确认按键，系统保存设置结果，并且自动进入工作模式；点击复位按键，系统重新启动。通过手动旋转进气阀，调节氧气流量大小，液晶显示屏实时显示当前系统气体流量。
2.结果
本吸氧装置系统可在短时内完成对吸氧数据的分析处理和输出工作，实时显示患者吸入氧气的准确流量和吸氧时间，避免以往吸氧流量的模糊性及吸氧时间的不准确性，可以提高氧疗的效果，减少医疗纠纷的发生。
3.讨论
缺氧对人体的危害是多方面的，可累及多个系统、多个器官，其损害的程度与缺氧的严重程度密切相关。氧疗是治疗低氧血症的一种重要手段，对各种缺氧性疾病患者产生有益影响，有利于缓解疲劳，提高人体免疫力，改善患者生活质量和疾病预后，提高生存率。氧疗是指通过给氧提高动脉血氧分压和动脉血氧饱和度，增加动脉血氧含量，预防和纠正各种原因造成的缺氧状态，促进组织的新陈代谢，维持人体生命活动的一种治疗方法，针对呼吸困难的患者，提供合适的氧疗非常重要[5]。首先，吸氧时间对治疗效果有重要的影响。对于需要长期氧疗的病员每天接受氧疗的时间越长，疗效越高，长期氧疗更被认为是影响慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者预后的主要因素之一[6]。目前一致认为每天吸氧至少15h，可使动脉血氧分压大于8.0kPa才能获得氧疗效果[7]。其次，吸氧流量对治疗效果也有重要的影响。吸氧过量对老年慢性支气管炎、肺气肿引起的肺心病患者产生“二氧化碳麻醉”现象，如不及时纠正，可引起患者昏睡甚至死亡。吸氧不足对患者达不到应有的氧疗效果。何叶松等[4]开发了一种可自动控制给氧氧气浓度、流量、湿度及实时监控吸氧者呼气状态的智能吸氧装置。张子云等[8]设计一种能数字化准确读取并调节氧流量，并提供血氧饱和度作为调节氧流量的参考，且对湿化瓶进行水浴加温的装置。本研究研制的吸氧装置与已有技术相比的优越性体现在：①能精确控制氧气流量并直观精确显示；②实时显示吸氧时间，方便直观；③减少漏气，提高氧气利用率，能杜绝浪费与医疗纠纷发生；④制作成本低、操作简单。
