一种高准确度呼吸节律发生器

2021-03-12淮安市计量测试中心

上海计量测试 2021年1期

/淮安市计量测试中心

0 引言

多参数监护仪是一种能够对病人的多种基本生命体征参数进行实时监测和记录的仪器，目前是临床医学使用最为广泛的病人生命体征监测仪器，应用于医院各个科室，可实时监测病人的心电信号、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率和体温等参数。根据JJG 1163-2019《多参数监护仪》检定规程的要求，多参数监护仪主要对心电、脉搏血氧饱和度、无创血压、呼末二氧化碳等参数进行检测。呼末二氧化碳监测功能一般较多地使用于手术室。

人体呼气末期呼出（简称呼末）气体中二氧化碳的浓度（呼气周期内的峰值浓度），通常以分压形式来表示，比如大气压强为1标准大气压760 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）时，38 mmHg呼末二氧化碳分压相当于呼末气体中二氧化碳浓度为5%体积百分比。因此，呼末二氧化碳浓度用压力单位kPa（临床医学习惯用mmHg）或者体积的百分比%表示[1]。

多参数监护仪的呼末二氧化碳浓度最大允许误差为±（示值的8%+0.43%）体积百分比[1]。呼吸频率的最大允许误差每分钟±2次。检测该参数需要用到呼吸节律发生器，呼吸节律发生器是一种模拟人体呼吸过程，产生不同呼吸频率的仪器，选择一定浓度的二氧化碳标准气体，即可实现呼末二氧化碳浓度检测。参照以上指标完成该呼吸节律发生器的设计。

1 呼吸节律发生器的总体设计要求和性能指标

本文介绍的呼吸节律发生器主要实现呼末二氧化碳浓度的模拟计算，实现对潮气量、呼吸时间比等参数的控制，二氧化碳标准气体采用外接钢瓶供气，采用软管实现标准气体和呼吸节律发生器的连接[2]。呼末二氧化碳浓度检测参考标准为标准气体，对5%体积百分比浓度标准二氧化碳进行多次测量，检测呼末二氧化碳浓度，故呼吸节律发生器主要设计指标为呼吸频率的实现。呼吸节律发生器的技术参数要求参照JJG 1163-2019和多参数监护仪实际使用呼吸范围，达到以下指标：

测量范围：每分钟3～120次；最大允许误差：每分钟±1次；测量重复性：每分钟±0.5次。

2 呼吸节律发生器的结构组成

该呼吸节律发生器主要由中央控制器对模拟呼吸时间比进行计算，对腔体内气体流速、流向、流量、时间进行控制，使输出气体承载预定呼吸频率，流量控制主要为不同病人模式选择不同潮气量，按键主要使人机交换，对呼吸参数进行选择[3]。整体的结构如图1所示。

图1 呼吸节律发生器整体结构

2.1 时间控制单元

石英晶体矩形波振荡器电路主要用于比较新颖的数字系统的时钟脉冲发生器。该电路的石英晶体处于谐振状态时传输量最大，这时便按石英晶体的谐振频率振荡。电路由石英晶体正弦波振荡器按石英晶体振荡器的输出要求设计出对应的缓冲输出级。石英晶体振荡器的典型电路如图2所示，振荡器的基极高频接地，石英晶体连接集电极与基极，由于电容非常小，因此，石英晶体振荡器的谐振电路与振荡器之间耦合非常弱，可以大大提高谐振频率稳定度。石英晶体的谐振阻抗很高，故接入系数较小[4]。该电路可获得100 kHz的矩形波输出，时间准确度为 10 μs。

图2 石英晶体矩形波振荡器电路

呼吸频率按检测需求最大值为每分钟120次，呼吸一次时间约0.5 s，呼吸时间比t的取值在1∶3～3∶1中任选，可以计算出呼气时间和吸气时间，该石英晶体矩形波振荡器能够满足设计要求。

2.2 流向控制单元

气体流向控制单元，主要由二位三通电磁阀[5]、二位四通电磁阀、调速气泵、气体接口和控制器组成，二位三通电磁阀的A出气口与二位四通电磁阀的B出气口相连。控制器主要实现对二位三通电磁阀的气体控制、对二位四通电磁阀的方向控制、对调速气泵的流速控制，呼吸节律发生器气体流向如图3所示。

图3 呼吸节律发生器气体流向

二位三通电磁阀为双线圈控制，一个线圈瞬间通电后关闭电源，阀打开，另一个线圈瞬间通电后关闭电源，阀关闭。二位三通电磁阀通过长时间保持关闭或打开状态，使线圈使用寿命更长[5]。二位三通电磁阀有两个位置三个通气口，可分为常开式和常闭式，其中一个为进气口（P），另两个为出气口（A和B）。当电磁阀得电时，P和A通，失电时，P和B通。

当模拟呼气时，由气瓶供气，此时控制器控制二位四通电磁阀B-T通、P-A通，二位三通电磁阀P-A通，气体由气体出气口排出。当模拟吸气时，由气体进气口吸气，二位三通电磁阀P-B通，气体流至二位四通电磁阀P-B通，气体排出，一呼一吸为一个周期，气体流向根据设定的呼吸频率和呼吸时间比，计算出呼气时间和吸气时间，由控制器控制气体流向，模拟呼吸[6]。