一种基于人工呼吸气囊的电动简易呼吸机设计研究

摘 要：呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中。本文在人工呼吸气囊的基础上，创新性地采用正反牙滚珠丝杆双螺母挤压形式，设计一种低成本、平民化的便携式简易呼吸机。该简易呼吸机采取可编程、可拆卸的机械装置，按照人的呼吸频率挤压呼吸气囊，帮助呼吸困难的人将空气吸入肺部，可以成为自我救护的关键“武器”。

关键词：人工呼吸气囊;呼吸机;可编程;可拆卸设计

临床上呼吸抑制、呼吸衰竭甚至呼吸停止等紧急情况时有发生。病情危急，来不及做气管插管时，可利用人工气囊按压球囊直接给氧，使病人得到充分氧气供应，改善组织缺氧状态。恰当使用人工呼吸气囊是院前处理紧急呼吸疾患的有效方法。但人工呼吸气囊通常由急救医务人员携带，使用过程中存在以下问题。首先，手部容易疲劳。在患者急救过程中，急救人员只能靠手动按压呼吸气囊维持患者通气，而呼吸气囊尺寸较大，远大于一般人员的手形，从而造成呼吸气囊使用费力，急救人员极易出现手部疲劳现象;其次，频率不准确。人工按压，难以保持较为准确的充气频率。时快时慢，容易损伤肺组织，造成呼吸中枢紊乱，影响呼吸功能恢复;再次，压力不恒定。手压力不恒定就会造成气囊压力变化，影响机械通气效果或造成呼吸机相关性肺炎等并发症;此外，不够方便，由于急救人员只能手动按压呼吸气囊，该操作人员无法进行其他急救操作。

因此，研究自动化挤压结构替代医护人员的人工挤压，解决上述人工呼吸气囊的不足，同时解决呼吸机、医务人员不足时的应急使用问题，非常有现实意义。

1 电动简易呼吸机总体结构

如图1所示，本文设计的电动简易呼吸机由人工呼吸气囊、挤压机械装置、单片机、电机、电气驱动装置和显示装置六部分组成。

系统由单片机编程模拟人体正常呼吸频率，按照这个频率用机械装置挤压气囊向人体供气，帮助恢复心肺功能达到急救目的。单片机控制信号通过电机驱动电机，从而控制机械装置。根据急救对象的不同，系统通过按钮控制不同模式已达到不同人群使用效果。LED显示屏则用来实时显示关键参数，确保正确使用。

本电动简易呼吸机根据急救个体差异，设置成人、儿童和婴儿三个使用档位;按钮设置有启动、暂停、停止和复位功能按钮，同时配备有可调面板，以根据需要进行微调。

2 电动简易呼吸机机械结构部分

2.1 结构介绍

如图2所示，机械机构主要由托架、两块夹板、丝杆电机、螺母和絲杆五个部件组成。托架将气囊固定，夹板装在两侧螺母上，丝杆和贯穿式丝杆电机相连，丝杆电机置于托架底部。控制信号控制丝杆电机工作，当接收向中间运动的信号后，丝杆电机带动丝杆传动，丝杆上螺母向中间移动，带动两个夹板向中间轴方向平移，则形成收紧挤压动作，反之则形成松开动作。在机械装置替代人工挤压时，要考虑尽量保持气囊轴线不动，不会产生位置上的变化，以利于机构的稳定和对急救不产生干扰。

2.2 参数与相关计算

2.2.1 气囊机构

气囊机构尺寸如图3所示。

2.2.2 呼吸困难急救相关参数

成人：频率10～15次/分钟，潮气量400～600ml;儿童：频率14～20次/分钟，潮气量100ml;婴儿：频率20～40次/分钟，潮气量350ml。正常情况下，吸气时间和呼气时间比都是1∶1.5～2;重症比如慢阻肺、呼吸窘迫综合征患者吸呼时间比为1∶2～3。

2.2.3 关键部件选型

（1）丝杆。如图3所示，根据气囊径向长度和双向同步运动，选用SFU01605-4型正反牙滚珠丝杆，其轴径为16mm、导程为5mm。它具有同步、高精度、高硬度、高转速、寿命长、低噪音和性价比高的优点。丝杆总长度根据需要选择300mm，配备的零部件为2个螺母、2个螺母座、两端轴承座和一个联轴器。螺母用与夹板连接，带动夹板运动。

（2）马达。挤压量最大所需力矩也最大，因此根据气囊的最大挤压量需要的力矩来确定选用的马达最大扭矩。已知成人可承受最大气压30cmH2O，最大潮气量即气囊挤压量约600ml。假设挤压3.5cm时，横截面椭圆长半轴长为R1、短半轴长为R2，根据挤压模拟可以估算挤压长度R3为3.5cm，挤压最大面积（椭圆面积）S=1/2*R1*R2*π=82.4cm2，则：

压强：P=1g/cm39.830≈300Pa

单边扭矩：M1=P*S*R3=300*82.46*3.510-6≈0.86Nm

最大扭矩：M=2*M1=1.72Nm

从留有一定余量的角度考虑，选用扭矩为2.3Nm的57步进电机。该电机具有性能稳定、高速精准、高速响应、寿命长、双出轴的优点，以及强动力、低噪音等特点，相数为2，步距角为1.8°±5%。

2.3 结构设计

结构设计采用Creo6.0软件设计，具备互操作性、开放、易用三大特点，还具体装配管理的特点，界面友好，简单易用，尺寸精确。

夹板模拟人手拳头，采用外凸弧形结构，目的是增加挤压力。弧形圆形高度略高于气囊径向圆心高度，目的是夹板在挤压时，在向气囊产生径向挤压力同时产生一点向下的压力，有利于气囊和整体机构的稳定;气囊前后颈固定结构采用卡扣形式，方便操作，具体见图4和图5。

3 电动简易呼吸机电气结构部分

3.1 单片机即工控板PLC FX2N-14MT

工控板是电气设备中控制设备正常运转工作的电路板。通用的工控板，大多数可以编程，经过用户二次开发后，完成特定的功能，在输入输出口接上用户自己的器件。工程项目类的用机大多数是使用工控主板，具有相对应的稳定性，事故率也相对较低，相对稳定性较高，故障报修率也比较低。

本文设计选取三菱工控板，如图6所示，其主要特点：原装进口ARM高性能芯片;DC24V输入，10路普通2路高速，可接AB相编码器;输出8路继电器可带模拟量;RS232通信、485通信;寄存器2500个;支持485ModbusRTU/ASCII主、从通信;掉电保持;支持在线监视、运行中下载;支持特殊加密方式。

3.2 电机驱动

DH556是新一代基于32位DSP技术的高性能数字式步进驱动器，电压DC20～50V。采用类伺服控制原理，具有高精确度、平稳性佳、振动性能优越等特点。主要用于自动化设备，在用户期望的低噪音、低振动、低发热、高精度、大力矩输出的设备中应用效果极佳。驱动器和连接线路图分别见下图8和图9。

4 程序设计

4.1 总体架构

本文设计要实现的功能相对简单，即通过单片机编程驱动马达实现对电机转速的不同控制，从而实现不同功能。常规功能为启动、暂停、复位、停止;使用档位为成人、儿童和婴儿三档以及液晶显示。

4.2 实现方式

本文设计使用的是三菱PLC工控板，配套的是编程软件是“MELSOFT系列GX Developer”。该软件适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器;完全支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能，简单理解就是在电脑上用过该软件编程后，通过电脑下载线下载到工控板中，读写成功后就可以运行了。编程后的工控机，可以按照一定的控制规律实时决策，产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行控制，具有组成灵活、成本低等特点。

PLC编程：

（1）启动软件后，在根目录底下创建一个工程文件;

（2）选择PLC所属系列和型号，即“FXCPU”和“FX2N（C）”，与所连接的PLC一致，确保程序能正确写入;

（3）设置程序的类型，即梯形图;

（4）设置文件的保存路径和工程名称;

（5）在主界面里编辑，按不同档位编辑顺控程序，设置软元件注释、参数等;

（6）将反复使用的顺控程序的梯形图块转化为FB部件;

（7）连接电脑线，在线下载程序、写入;

（8）診断。

为确保行程准确复位，本文设计在起始位安装了传感器，当夹板回退到这个点位时，自动发出信号停止回退。

程序设计流程示意图具体如图10所示。

各档位技术指标由程序直接设定初始化写入。为方便使用，程序设计可编辑界面，可由专业人员对相关参数进行调整。

5 便携式外观设计

应急状态，一般是远离电源，同时要方便携带，因此本文设计在外观上进行了整合升级设计：

（1）将所有结构件整合在一个箱体里面，箱体上方在有软把手，方便携带外出;

（2）把拟气囊的位置上方做了个翻盖，以方便更换气囊;

（3）为方便维修，箱体做成可拆卸形式，需要拆卸时可旋开螺丝即可;

（4）从人体工学角度，LED屏幕和控制按钮做到同一侧面，方便使用者直观和操作;

（5）为确保卡扣的稳定性，采用了快拧螺丝结构。

具体如图11所示。

通过安装调试，本文设计结构合理、稳定安全，档位符合患者使用习惯，实物如图12所示。

6 总结

本文设计与医用呼吸机不同的是，本文设计的简易呼吸机是基于人工呼吸气囊设计的，它的本质和人工呼吸气囊一样在于院前急救用的，也适用了院前急救中可能无电源的特点;而我们常说医用呼吸机，主要是用在医院或家里，用于维持适当通气量，改善气体交换功能需要。医院用的呼吸机可用于麻醉呼吸管理，可治疗的疾病更广，而家庭的主要是用于简单的慢阻肺呼吸衰竭治疗，还有一些鼾症的治疗，这些不仅需要有电源，而且使用时间相对较长，不只是急救性质。当然，本文设计也可以通过设定恒定的挤压量来确保特定场合的长时间使用，但因为人工呼吸气囊的局限性，使用性能和专业呼吸机有一定差距。

术业有专攻。本文设计采用了人工呼吸气囊的优点，通过电动装置设计弥补了人工气囊的不足，最大效率地发挥了人工呼吸气囊的急救作用，不失为一个很好的急救用品和应急储备，具有很高的社会效益和现实意义。

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作者简介：郑润哲（2004— ），男，汉族，福建永春人，福建省厦门第一中学，研究方向：机械电子创新。