基于远程数字传输技术的智能家用呼吸机研究

高宁宁

（北京睿德康医疗器械有限公司，北京 100062）

呼吸机是现代临场医学必备的一种呼吸支持医疗设备，它能增加患者的肺通气量，改善患者的呼吸功能，在手术、急救等方面有着重要应用。随着医疗技术的发展和市场需求的增加，家用呼吸机的价格不断下降、功能日益完善、体积更加小巧，逐渐走向了千家万户，让那些存在换气障碍的病人可以居家治疗。近年来，在物联网、人工智能等技术的支持下，现代家用呼吸机逐渐朝着智能化、便携化、人性化方向发展。其中，基于远程数字传输技术的家用智能呼吸机，具有数据实时交互性强、系统响应速度快、患者使用舒适度好等一系列优势，具有良好的市场发展潜力。

1 基于远程数字传输的智能家用呼吸机硬件设计

1.1 智能家用呼吸机的硬件组成及功能

智能家用呼吸机的硬件部分主要包括过滤器、加湿器、流量传感器、微控制器、面罩等组成，具体结构如图1所示。

图1 智能家用呼吸机硬件组成框图

智能家用呼吸机的主要功能模块有电源模块、通信模块、人机交互模块、时钟同步模块、微控制器模块等。现选择其中的微控制器、压力和流量检测电路、湿化器控制电路3 部分介绍如下：

1.1.1 微控制器是智能家用呼吸机的核心元件，本文设计的智能呼吸机采用STM32F407 微控制器，内嵌32为ARM，主频为170MHz，指令处理能力最高可达240DMIPS。另外，该为控制器内置A/D 转换模块，因此外部电路中不需要单独安装A/D 转换器，简化了硬件电路。提供16 组I/O 端口和15 个通信接口，以及1 个全速USB 接口和1 个以太网通信接口，保证了强大的信息传输与处理能力。微控制器及其外部电路的设计如图2 所示。

图2 微控制器及其外部电路

1.1.2 压力和流量检测电路。实时采集呼吸机运行时的前端信号也是保证智能控制功能实现的关键。本文设计中采用HSC 型压力传感器和HAF 型流量传感器，前者为硅压阻压力传感器，压力更新频率为2KHz，后者为数字式压差传感器，响应速度不足1ms。两种传感器都具有较强的抗干扰能力，保证采集到的压力信号和流量信号足够精确。压力和流量检测电路设计如图3 所示。

图3 压力和流量检测电路

1.1.3 湿化器控制电路。该电路由湿度调节、温度调节和检测保护3 部分构成。其中，湿度调节是让空气穿过装满纯净水的容器达到增加空气湿度的效果。湿化器内有湿度传感器，只有当空气湿度达不到既定标准时才进行湿度调节，直到湿度达标后停止加湿。温度调节则是将MOS 管通电、使其发热，然后使气体温度升高。同样的，内置温度传感器检测到空气温度达到预设值后停止加热。检测电路的作用是维持湿度、温度在预设范围之内。湿化器控制电路设计如图4 所示。

图4 化器控制电路

1.2 家用智能呼吸机的硬件运行流程

呼吸机通电启动后，从外部吸收空气并进入过滤装置，完成空气清洁、过滤后进入到风机中。在无刷直流电动机的带动下，风机将吸入并过滤的干净空气经过橡胶软管送入蜂窝状微孔结构。该结构的功能有两个，其一是进一步净化空气，其二是利用内置的敏感元件采集压力信号、流量信号。净化后的空气通入到加湿器中，根据气体当前湿度判断是否需要对气体进行加湿处理；同时，加湿器还连接了加热检测模块，根据空气温度判断是否需要对气体进行加热处理。保证空气的湿度和温度适宜，提高智能家用呼吸机的使用体验。采集到的压力、流量信号经过滤波、降噪、放大等一系列处理后，传输至微控制器中。微控制器自动分析信号，然后结合ANN 算法计算出转速调节量，生成相应的调控指令，发送给前端的控制器，改变电动机转速从而调节空气的输入量和输入速度。如果面罩从患者面部脱落，可以利用面罩上的压敏元件及时检测到脱落信息，然后进行报警。

2 基于远程数字传输的智能家用呼吸机软件设计

2.1 系统主程序设计

系统程序采用Keil MDK 8.0 软件开发环境，将μC/OS 操作系统植入STM 单片机中，实现程序的在线编辑和烧录。其中，系统主程序的功能包括操作系统及时钟同步等功能模块的初始化，以及创建起始任务和应用事件等。主程序流程为：（1）操作系统初始化。当呼吸机通电运行后，主程序自动对μC/OS 操作系统的运行环境进行初始化，全局变量复位或归零。（2）创建起始任务，对各个功能模块进行初始化。如存储器初始化、电动机初始化、PVD 中断初始化等。（3）创建应用任务。如潮气量检测控制任务，在人机界面设置潮气量的范围，该程序可实时检测实际潮气量是否在该范围之内，如果超出范围立即调整；ANN 算法任务，基于ANN 算法决策，生成调速指令，并由控制器完成电机转速的调控，达到调节进气压力和气体流速的效果。除此之外还有加湿器检测任务、面罩脱落检测任务等等。

2.2 流量测量程序设计

该程序通过计算当前的流量和潮气量，判断患者的实时呼吸状态，然后把流量值反馈给微控制器。由微控制器的ANN 算法单元进行处理后生成压力调整指令，实现对家用呼吸机进气流量和潮气量的动态调整。

结合图5 可知，系统执行流量测量任务后，微控制器会同步读取HAF（流量传感器）的测量数据，在相关算法的计算下获取当前呼吸机管道中气体的流动速度。然后执行一个判断程序“是否开始呼吸控制”，如果此时未检测到呼吸控制指令，则直接结束当前程序，进入待机状态。如果判断结果为“是”，继续计算得出呼吸机管道气体当前的潮气量，同时执行“是否面罩脱落”的判断程序。如果潮气量超出既定的安全阈值，说明面罩脱落，判断结果为“是”，设备报警提醒患者或监护人员，同时待机处理，直到人为操作结束报警；如果判断结果为“否”，进入到呼吸过程判断阶段，启动“是否有呼吸动作”的判断程序。如果判断结果为“是”，利用相关算法计算呼吸周期、呼吸比等相关参数；如果判断结果为“否”，则要进一步检查是否出现了呼吸暂停、低通气等异常情况。若检测到此类情况，则将异常信息保存到SD 卡中，以便于微控制器智能分析和调整控制策略。

图5 流量测量程序流程图

2.3 以太网通信程序设计

系统执行数据传输任务后，微控制器首先接收以太网数据帧，并对其做CRC 校验。除了验证格式是否正确外，还要判断目标设备地址与本机地址是否一致，以及指令代码是否符合通信协议等。如果任意一项验证未通过，则不允许数据发送。若CRC 校验通过，则正常接收从以太网发送过来的数据，并且根据数据来源、类型、发送时间等将其分类存储。呼吸机除了接收外部数据外，也会主动发送数据。可以自定义数据发送周期，需要发送的数据内容包括呼吸报警信息、治疗参数等。主治医师可以通过这些数据随时掌握患者的治疗情况，以便于提供跟踪式医疗服务。

3 基于远程数字传输的智能家用呼吸机性能测试

3.1 潮气量控制测试

智能家用呼吸机的基本性能测试内容有压力控制测试、呼吸频率控制测试、潮气量控制测试等。现以潮气量为例，对呼吸机的控制效果进行验证。呼吸机的初始潮气量为100ml，每次增加150ml，逐级增加至1300ml。同时将气体分析仪的气体收集装置放在面罩处，对潮气量进行测量。期间每10 分钟变化一次潮气量的设定值，每一个设定值下记录4 次数据，测量结果如表1 所示。

表1 家用智能呼吸机潮气量测量结果

目前不同国家执行的呼吸机标准存在差异，就呼吸机的潮气量指标而言，我国现行的《医疗电气设备：重症护理呼吸机的基本安全和基本性能专用要求》（GB9706.212-2020）中规定为：潮气量控制精度≤2%。结合表1 数据，当设定值在1300ml 时，实测平均值1310.25ml，有最大误差，为0.79%，该值小于国家标准，说明家用智能呼吸机的潮气量控制效果良好。

3.2 以太网通信功能测试

家用智能呼吸机以太网通信功能测试包括系统参数查询测试、治疗参数设定测试、治疗数据监控测试等。现以治疗数据监控为例，设备运行时人机界面上的压力、时间等治疗数据如图6 所示。

上述数据每3 秒刷新一次，并通过以太网将该数据同步反馈给主治医师，实现了对患者治疗状态的远程监控，为专家在线诊断和调整治疗方案提供了必要的依据。

4 结论

近年来家用呼吸机的使用越来越普遍，为患有呼吸系统疾病的患者进行居家治疗提供了方便。本文设计的一种基于远程数字传输技术的智能家用呼吸机，除了具备常规的辅助呼吸等功能外，还可以自动调节潮气量，智能检测面罩是否脱落，以及支持主治医师远程监测患者治疗情况等，为患者提供了更加人性化的治疗体验。下一步，家用智能呼吸机还需要在远程数字传输方式上继续进行完善，例如支持WiFi 传输，以及与其他智能设备联合构建更加完善的物联网信息管理系统等，从而更好发挥其实用功能。