基于Freescale S08核MC9S08QG4的便攜式自動(dòng)呼吸控制系
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然而，對多數外科手術(shù)而言，醫生們必須使用一定量的麻醉劑，這會(huì )抑制肌力，使病人呼吸減弱。當手術(shù)過(guò)程中血液流失時(shí)，會(huì )使病人供氧不足，從而導致體內缺乏足夠的氧氣。這時(shí)就必須使用麻醉呼吸機和測量血液中氧氣飽和度的儀器（脈動(dòng)血氧定量計）來(lái)調節麻醉劑和氧氣的混合比例。
傳統的機械式呼吸設備將一個(gè)外部設備直接連接到病人，通過(guò)人工方式進(jìn)呼吸氣體的交換。機械呼吸設備被用來(lái)維持足夠的氣體交換，尤其是在呼吸頻率減小并且心肌能力減弱的時(shí)候，它可被用來(lái)在呼吸機能減弱的時(shí)候獲得足夠的肺擴張，同時(shí)使麻醉鎮靜劑和肌肉放松類(lèi)藥物正確結合，以穩定胸壁。
呼吸機可以分為五類(lèi)，這取決于吸入氣體的過(guò)程是如何被終止的。壓力周期呼吸設備：當設定的壓力達到時(shí)，中止吸入氣體；體積周期呼吸設備：當設定的體積達到時(shí)，中止吸入氣體；時(shí)間周期呼吸設備：吸氣和呼氣被程序化，類(lèi)似于氣焊助焊劑的工作方式；溢流周期呼吸設備：當吸入的溢流低于一個(gè)預定水平時(shí)，中止吸入氣體；混合呼吸設備：結合了其它設備的特性，被最廣泛使用。
內科醫生能夠設置血氧容量的限制，當血氧飽和度過(guò)低時(shí)，呼吸設備可以從手動(dòng)模式轉換到自動(dòng)模式，幫助病人獲得足夠的血氧飽和度。當血氧達到正常水平時(shí)，系統就退出自動(dòng)模式。
如何為兒科病人選擇合適的呼吸設備
新生兒具有較高的新陳代謝水平，這使氧氣消耗增加（5-8ml/kg）。體重少于1600 克、懷孕周期小于37 周的早產(chǎn)兒患有視網(wǎng)膜發(fā)育不全的風(fēng)險很高，這是由高壓氧氣傳送導致的氧氣中毒和肺部發(fā)育不良所引起的。自動(dòng)呼吸系統在這些病例中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，它保證了新生兒不會(huì )接收100%氧氣濃度的空氣。
在新生兒中，壓力限制的持續溢流設備和時(shí)間周期呼吸設備使充分的自主呼吸不受任何限制。在學(xué)齡兒童和年齡大于12歲的兒童中，脈搏-溢流呼吸設備被用來(lái)控制體積和壓力。新一代的體積呼吸設備使溢流體積達到20ml，結合傳感器的作用，呼吸設備能夠周期性地工作。醫生可在2~3千克的嬰兒中使用這一設備。
電路
電路是機械呼吸設備和病人之間的接口。它有三種類(lèi)型：新生兒型（11mm直徑），兒童型（15 mm直徑）和成人型（22 mm直徑）。一些電路配備可以伺服控制溫度濕度的電熱絲，雖然比較昂貴，但可使兒科病人獲得更舒適的濕度和溫度。這些設備輕便、靈活，具有安全連接的吸收阻抗和最小的溢流阻抗，標準尺寸為15C22mm。
系統如何工作
自動(dòng)呼吸系統根據血氧水平反饋來(lái)為嬰兒提供安全可控的呼吸設備。主要性能包括：
接收和處理血氧計發(fā)出的動(dòng)脈血氧飽和度數據的能力；
便攜性，可用于偏遠地區；
在血氧計和MCU之間通過(guò)串型接口（SCI）通訊的能力；
能根據設置的呼吸頻率和壓力的參數提供精確設備控制的步進(jìn)電機。
通過(guò)MCU可以實(shí)現自動(dòng)化呼吸控制系統，重要的數據可以被處理并貯存，以確保特定身高和體重病人的合適的呼吸量。程序只需改變患者的參數，而無(wú)需更改系統其他方面的參數。圖1說(shuō)明了自動(dòng)呼吸控制的實(shí)現。
圖1 自動(dòng)呼吸控制系統示意圖
選擇合適的MCU
有很多MCU可以滿(mǎn)足這個(gè)系統的要求。飛思卡爾的 MC9S08QG4 （S08QG）設備既可以滿(mǎn)足系統所需的特性，同時(shí)在價(jià)格上也有優(yōu)勢。MC9S08QG4特性見(jiàn)圖2。該處理器將飛思卡爾S08核的優(yōu)勢延伸到了低引腳數、小封裝的領(lǐng)域。S08QG設備是低功耗產(chǎn)品，可以在低至1.8 V 的供電電壓時(shí)對片上閃存進(jìn)行擦寫(xiě)操作，它具有所有S08 MCU 的標準特性，包括等待模式和多種停止模式，以及模擬外設能力、串行通訊能力、片上溫度傳感器和較多的內存選項。
圖2 MC9S08QG8/4特性
系統的功能描述
脈搏測氧法是一種非介入技術(shù)，它使用光波來(lái)測量病人血液中氧氣的飽和度。這一過(guò)程采用了一種叫做脈搏血氧定量計的設備，這是一種可攜帶的、低成本的設備，它包括一個(gè)Spo2傳感器和可通訊DB-9接頭。在Spo2 Y 型傳感器一端有兩個(gè)發(fā)光二極管（LED），在另一端有一個(gè)光探測器。這個(gè)傳感器通常被連接在指尖，這樣光就能完全穿過(guò)組織到達光探測計。
從LED發(fā)出的光線(xiàn)有兩種波長(cháng)傳播：660nm （紅光）和 915nm（紅外光），它們分別對應氧血紅蛋白和總血紅蛋白。探測計捕捉到從LED發(fā)出的光，脈搏血氧定量計處理紅光和紅外光之間吸收率的差異。測量?jì)x內的MCU能測出動(dòng)脈脈搏讀數并計算出氧氣飽和度。
從脈搏血氧計讀出的Spo2值能通過(guò)連接到S08QG的串行接口（SCI）被傳遞到自動(dòng)呼吸系統，該系統使用了標準的串行協(xié)議，它由一種商業(yè)化血氧計的規格所定義。從脈搏血氧計出來(lái)的數據通過(guò)SCI接口被連續傳送到呼吸系統。
數據由S08QG處理，根據處理的結果通過(guò)控制步進(jìn)電機來(lái)控制氧氣呼吸設備的運轉。
針對不同種類(lèi)步進(jìn)電機的控制軟件是基于不同頻率或壓力流來(lái)進(jìn)行控制的：
不同頻率從時(shí)間脈沖中獲得信息來(lái)控制希望的步數；
壓力流控制意味著(zhù)電機能進(jìn)行復雜的運轉步，具有大力矩的運轉步（雙步），改變方向和不改變位置的運轉步（抑制步）。
圖3展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)S08QG來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機控制。
圖3 通過(guò)S08QG實(shí)現步進(jìn)電機控制
步進(jìn)電機的一個(gè)顯著(zhù)特性是最大電流損耗為20mA。電機提供的力矩并不大，最大靜態(tài)力矩是4mNm，最大動(dòng)態(tài)力矩是1.3 mNm。但是它的力量足夠運轉標準化的計量器。S08QG MCU的驅動(dòng)電流達到25mA， 所以很適合這種應用。電機被直接連接到MCU的端口A(yíng) 或端口B，基于先前的條件，只需要很小的外接電路（見(jiàn)圖1）。系統需要VCC，GND和電機控制信號，不需要附加外部的電子元件。
氧氣呼吸設備有三個(gè)簡(jiǎn)單的控制手柄，他們控制吸入的氣流和每分鐘的呼吸次數。一個(gè)手柄根據病人的身材和體重控制適當的呼吸，第二個(gè)手柄控制每分鐘所需要的呼吸次數，第三個(gè)手柄控制氧氣流的壓力。在這個(gè)特殊的系統設計中，第二和第三個(gè)手柄是由步進(jìn)電機自動(dòng)控制的。
軟件程序根據由脈搏血氧計通過(guò)SCI接口傳來(lái)的氧氣飽和度計算步進(jìn)電機的運動(dòng)。氧氣飽和度數字為醫生提供了必要的信息來(lái)進(jìn)行一系列比較，從而得出安全的范圍，如表1所述。頻率規定了每秒鐘的電機步數，這決定了電機旋轉有多快。電機的物理限制決定了它們的運行頻率。一些電機因為應用于特殊用途，在10Hz 到 500Hz 之間運行，而另外一些能夠在千赫茲的范圍內運行。對于這個(gè)系統而言，最大頻率是 100Hz，但為了在手術(shù)中更容易被醫生使用，它被設定為 50Hz。
表1 氧氣飽和度安全范圍
結論
自動(dòng)化呼吸控制系統是一個(gè)低成本的對人工呼吸控制的可選方案，它以最小的人為干預為嬰兒和手術(shù)中的其他病人提供了可靠的呼吸機制。這個(gè)概念很簡(jiǎn)單：脈搏血氧計依靠SCI串行接口提供氧氣飽和度數據，系統完成其余的所有工作。它使醫生能集中精力于病人的護理上，可被用于通用外科手術(shù)、兒科和新生兒護理，甚至獸醫門(mén)診。
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