基于飛思卡爾MC9S08QG4的便攜式自動(dòng)呼吸控制系統的設計

自動(dòng)呼吸控制

介紹

這篇文章介紹了一個(gè)便攜式自動(dòng)呼吸控制系統的設計，它也能處理從一個(gè)脈動(dòng)血氧計中獲得的動(dòng)脈氧氣飽和度的(SpO2)數據。這個(gè)系統在飛思卡爾的8位MC9S08QG4微型處理器(MCU)的基礎上構造起來(lái)。它被設計為一個(gè)便攜式的，作為人工脈搏血氧和呼吸監測和控制的自動(dòng)化替代產(chǎn)品，它在手術(shù)中需要較少的人員干預。它特別能在嬰兒手術(shù)中被使用。

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概述

所有的組織都通過(guò)血管來(lái)供氧，以幫助組織生長(cháng)和修補組織損傷。通常身體依靠紅細胞中血紅蛋白的化學(xué)特性，通過(guò)自身調節，在細胞外液體中保持一定的氧氣濃度。

然而，對多數外科手術(shù)而言，醫生們必須引入一定量的麻醉劑，同時(shí)這種麻醉劑也抑制了肌肉。這就會(huì )使病人的呼吸減弱，當伴隨著(zhù)手術(shù)中血液的損失時(shí)，會(huì )使病人供氧不足，這使得病人身體中缺乏足夠的氧氣。這就是為何醫生們必須使用麻醉呼吸機和一個(gè)測量血液中氧氣飽和度的儀器（脈動(dòng)血氧定量計）來(lái)調節實(shí)際手術(shù)中的麻醉劑和氧氣的混合比例。

傳統的機械式呼吸設備，有一個(gè)外部設備被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。它能被用來(lái)在呼吸機能減弱的時(shí)候獲得足夠的肺擴張，它也能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)程是怎樣終止的：

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)，中止吸入氣體中止
混合呼吸設備：被最廣泛使用；結合了其它設備的特性
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，幫助病人可以獲得足夠的血氧飽和度。當血氧達到正常的水平時(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

新生兒具有一個(gè)較高的新陳代謝水平，這使氧氣的消耗增加（5-8ml/kg）。體重少于1600克和懷孕周期小于37周的早產(chǎn)兒患有視網(wǎng)膜發(fā)育不全的風(fēng)險很高，這是由于高壓氧氣傳送導致的氧氣中毒和肺部發(fā)育不良引起。自動(dòng)呼吸系統在這些病例中起到至關(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令溢流體積達到20ml，結合了傳感器的作用，呼吸設備能夠周期性的工作，醫生能在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（15mm直徑）和成人型（22mm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，但是它能讓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，并且他們具有標準尺寸(15-22mm)

系統如何工作

自動(dòng)呼吸系統供根據血氧水平反饋來(lái)為嬰兒提的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
歸功于MCU的作用，我們可以實(shí)現自動(dòng)化呼吸控制系統，重要的數據可以被處理和貯存以確保特定身高和體重病人的合適的呼吸量。程序只需要改變患者的參數，而不用改變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。

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)足系統所需要的所有特性，同時(shí)在價(jià)格上也很有優(yōu)勢。該處理器把飛思卡爾S08核的優(yōu)勢延展到了小低引腳數，小封裝的領(lǐng)域。S08QG設備是低功耗的產(chǎn)品，可以在低至1.8V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S08MCU的標準特性，包括等待模式和多種停止模式，以及強大的模擬外設能力，完全的串行通訊能力，片上溫度傳感器和強大的內存選項。

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)測量病人血液中的氧氣的飽和度。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SpO2Y型傳感器的一端有兩個(gè)發(fā)光二極管(LEDs)，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，根據處理得結果通過(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表明了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法通過(guò)S08QG來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機控制。

步進(jìn)電機的一個(gè)顯著(zhù)特性是它的最大電流損耗為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1.3mNm。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，所以它很合適這種應用。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，不需要附加的外部的電子元件。

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)。氧氣飽和度數字也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他們的運行頻率。一些電機因為應用于特殊用途，在10Hz到500Hz之間運行，另外一些能夠在kHz的范圍內運行。對于這個(gè)系統，最大頻率是100Hz,但是為了在手術(shù)中更容易被醫生使用，它被設定在50HZ。

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，它為嬰兒和手術(shù)中的其他病人以最小的人為干預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，系統完成所有其余的工作。它使醫生們能集中精力于病人的護理上，并且它能被用于通用外科手術(shù)，兒科和新生兒護理，甚至于獸醫門(mén)診。