基于物联网下新型呼吸机的设计研究

陈金虎　白浩笛　竹永宽　梁一星　童慧聪

关键词：物联网；呼吸机；远程医疗

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）08-0089-03

1 前言

当下，呼吸机作为临床医疗中新一代重要医疗仪器，在预防和治疗急慢性呼吸衰竭、减少呼吸类疾病带来的各种并发症，以及挽救患者和延长重症患者生命过程中有着较为重要的意义。在现代康复医疗领域中，呼吸机也占据着十分重要的市场地位。由于呼吸机能够直接替代人体的自主控制通气功能，因此已被广泛地应用于治疗各种原因导致缺氧的急慢性呼吸器官衰竭、大手术抢救、麻醉性通气呼吸复苏管理和各种紧急呼叫复苏治疗中[1]。

2 研究目的和意义

2.1 研究背景

呼吸是人类生存不可或缺的一种新陈代谢方式，正常情况下，健康的人类可以通过呼吸摄入的氧气满足人体各器官氧化代谢的需要，但是如果呼吸系统的生理功能出现问题时，就需要像呼吸机一样人工输送氧气的急救设备为医生治疗提供辅助且有效的帮助[2]。

近几年，随着全球环境污染的加剧，全球感染肺部疾病的人数已达6亿之多，这使得呼吸机设备变得供不应求。然而，任何技术的发展的同时也伴随着问题的产生，呼吸机技术也同样不可避免。因此，智能化呼吸机的出现迫在眉睫[3]。

2.2 国内外发展现状

目前，医院对呼吸机的使用存在一系列的问题，集中表现为：呼吸机参数的偏差、气源不足、自检失效、设备的管理和维护不到位。呼吸机参数出现偏差时，会严重影响到所得数据的精确性，甚至也会使得测量人员无法得出準确的判断；气源不足也会影响到呼吸机的使用，机器的零件损耗问题要及时处理，避免影响到设备的工作性能；自检失效意味着呼吸机无法正常检索自身的问题，可能导致问题无法及时解决；设备也需要定期保养，否则会出现短路、断路、接触不良等问题[4]。

现在市面上呼吸机的工作原理是根据人的常规呼吸在于内外气体的压力差原理设计的，其主要的操作方式是人为控制气体流速，但是不能根据患者实际需要随时改变气流速度，使患者呼吸系统长时间处于强气流或弱气流中，会对患者的呼吸系统造成不可逆转的伤害[5]。

2.3 研究现状

本项目研究的新型智能呼吸机，是基于物联网传感技术实现对呼吸机使用情况的智能调控。呼吸机是一种能够代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功能消耗， 节约心脏储备能力的装置。传感技术是整个物联网系统运行的基础，赋予了万物“感官”功能。应用物联网传感器的感知层检测并获取物品信息完成初步的数据整合处理，依托传感器与传感网络的相互协调感应机制，并融合嵌入式计算、微电子、网络通信等技术，通过各类高度集成化的微型传感器，实现实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。而本项目研究的新型智能呼吸机是二者结合的产物，其发展前景与市场优势具有很大的潜力[6]。

2.4 研究意义

呼吸机的主要特点：1）重要性：其作用是抢救、通气，它可以直接影响患者的抢救成功率；2）普及性：目前医院、急诊、ICU病房中均需使用呼吸机；3）价值性：机械呼吸技术和电子技术不断发展，呼吸机作用日益增强，从而导致费用极高；4）复杂性：呼吸机内部构造复杂；5）危险性：呼吸机是一种与患者生命息息相关的急救仪器，构造复杂且容易发生故障，有一定危险性。因而呼吸机的后期保障工作必须要做到位，以延长它的使用时间。呼吸机在使用后必须进行彻底的消毒和维护，以节省时间和提高抢救成功率。本项目研究的智能呼吸机便针对其特点和需求进行设计与改善，具体表现如下。

首先，本项目研究的智能呼吸机改变了现在市面上呼吸机人为控制气体流速且长时间无法调控气流强弱的弊端，利用物联网传感技术实时监测患者的呼吸情况，做出相应气流的改变，使其减少对患者呼吸系统的伤害；其次，通过传感器与传感网络的协调机制，判断出患者的呼吸强弱情况，并实时调整为最适合患者现实情况的气体流速，以达到对患者的有效治疗，同时又使患者使用舒适；最后，在呼吸机的功能设计方面，为其气管内侧添加了水分供给装置，供需要长时间使用呼吸机的患者提供合适的水分补充，以保证患者鼻黏膜湿润，达到帮助患者稀释和排除痰液的作用，如图1所示。

3 新型呼吸机的功能

3.1 远程医疗监护

新型呼吸机可以实时监测患者的健康状况，并且能够将采集的数据传到使用者的电子病例或医院监控系统中，供医务工作者随时查看。若发现数据异常，可及时进行诊断和治疗，提高诊断和治疗水平。医院和健康中心需将物联网技术更快、更好地应用于远程医疗监护系统中，实现普遍的实时健康监测和护理[7]。

3.2 智能调控

新型呼吸机可以随时根据使用者的数据进行呼吸机数据参数的修改，以保证使用者能够在自己需要的气体环境下正常呼吸，而不是在医生根据经验设置的参数，长时间呼吸同一强度下，特别是昏迷的使用者，医生不能得到使用者的具体情况，这样不仅会使使用者不适，还有可能损坏使用者的呼吸系统。新型呼吸机还可以在使用者各项数据趋于平稳时，控制气流强度，来引导使用者自己呼吸，从而增强呼吸系统的呼吸能力。

4 新型呼吸机的工作原理

随着信息技术的不断发展，物联网技术也逐渐兴起，并且朝着未来智能化、自动化的发展方向。物联网是一种通过传感网络采集识别物品信息，并将其传送至互联网内，通过后台服务器上的信息分析处理过程，来实现对于物品的管理与控制。随着物联网技术在远程医疗、远程监护等领域的应用，呼吸机也在向着网络化方向发展，本文研究的呼吸机通过可选的Wi-Fi或蓝牙方式与移动客户端建立通信连接，可以进行实时参数、呼吸报告、远程治疗方案的传递，通过与远程医疗服务器进行数据交互，可以实现远程医疗监控和诊断等功能，如图2所示。

4.1 信息的采集

为了保障仪器的灵敏度和数据的精确性，选择用压电传感器作为呼吸测量的“感觉器官”，将其置入或连通气道，调整好参数，它就可以用于检测并获取使用者信息并完成初步的数据整合处理。在医疗监护应用中，信息的采集通过传感器节点来对监护对象的生理信号或所在环境信息进行检测。在呼吸机系统中，通过设置在气道中的压力传感器或流量传感器，新型呼吸机设备在为使用者提供气体时，也在实时采集用户的气道压力及流量信息，根据相关呼吸信号处理算法，获取用户在呼吸治疗过程中的潮气量、呼吸频率等参数，并对各种呼吸异常情况进行检测与处理，如图3所示。

4.2 信息的传送

傳送功能负责实现与外部网络的通信功能，传输方式可以选择Wi-Fi、蓝牙等短距离传输方式，也可以通过GSM、GPRS等远程数据通信方式。呼吸机系统提供了可选的Wi-Fi与蓝牙两种数据通信方式来完成用户治疗数据的传输。通过Wi-Fi或蓝牙方式，呼吸机控制系统可以将检测到的气道压力、呼吸流量、潮气量等治疗参数实时传递至移动客户端，还可以在一次完整的呼吸治疗过程结束后根据用户的治疗数据生成呼吸报告传送至移动客户端，并由移动客户端将用户治疗数据上传至远程医疗服务器，实现远程医疗监控功能。

4.3 信息的反馈

新型呼吸机通过获得的数据与世界卫生组织的数据进行比较，如果所得数据与卫生组织的数据相差较大，将会启动预警信号发给使用者的主治医生，让医生可以更快地了解到使用者的相关信息。同时新型呼吸机也将启动自身调节系统，改变相应的呼吸机参数，使使用者达到最适的气体环境下，为医生的准备提供充足的时间。在平时的医疗监护应用中，呼吸机服务器对使用对象的生理参数或医疗数据进行存储，可以提供给医疗专家进行病情监控，通过对相关治疗数据的分析，医疗专家可以进行远程诊断，并将诊疗方案传递给使用对象，从而降低疾病治疗的难度。

5 结束语

随着中国科学技术和医疗水平的不断提高，我们不仅要更好更快地治疗患者，更要让患者在接受治疗时减轻痛苦。未来物联网在临床数据中的应用，将有助于提高相应仪器的性能，识别数据资源的整合，减轻医疗专业人员的工作量，有助于深化数据管理，减少差错和事故，提高运行效率，提高现代医院管理水平。随着物联网技术的日益成熟，医院将会转变为人性化、主动、精准、创新的服务模式，实现智能管理、临时医疗流程、智能供应链管理等，满足人们对高质量医疗卫生服务的需求。