呼吸機氧濃度中央監測系統的設計*

孫 煥 許新建 湯棟生

呼吸機做為常見的急救醫療設備，在改善和替代患者外呼吸、降低呼吸做功上具有重要作用，被廣泛用于患者呼吸功能不全、呼吸衰竭、呼吸肌肉和神經等不可逆損壞的替代治療過程中[1]。呼吸機采用的氧源通常為制氧機或者是液氧，患者在治療過程中，根據其實際情況設定相應的氧濃度，而呼吸機的氧濃度設置一般取決于患者的動脈氧分壓的目標水平和血流動力學狀態，患者在吸入氧濃度的選擇上，不但須考慮高濃度的肺損傷作用，還應考慮氣道和肺泡壓力過高對肺的損傷作用[2]。因此，呼吸機的氧濃度不準確存在著嚴重的安全隱患。目前，呼吸機對于氧濃度的監測多采用氧傳感器(氧電池)進行各自監測，當病房有數十臺呼吸機同時使用時，由于呼吸機距護士站較遠，不能時刻關注到每一臺呼吸機的氧濃度情況，當呼吸機發生氧濃度異常時，有時不能及時調整參數或者治療方案，使患者治療存在安全隱患[3]。基于此，本研究設計一種呼吸機氧濃度中央監測系統，對各臨床科室不同品牌、不同型號的所有呼吸機，只需在每臺呼吸機上安裝氧濃度采集模塊和無線發射模塊，在護士站的中央監測軟件上，即可實現所有呼吸機的氧濃度監測，并可記錄每位患者在治療中設定的所有階段氧濃度參數，便于醫務人員關注患者病情，為其他治療方案提供參考依據[4]。本系統已獲兩項國家實用新型專利。

1 呼吸機氧濃度中央監測系統設計

呼吸機氧濃度中央監測系統由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統包括氧濃度監測模塊、無線發射模塊、無線接收模塊以及采集模塊等；軟件系統包括氧濃度采集子程序、無線傳輸子程序、顯示子程序以及報警子程序等。每臺呼吸機可以鑲嵌一個氧濃度監測模塊，再將所有氧濃度監測模塊采集的氧濃度集中顯示在中央監測軟件上，其系統結構如圖1所示[5]。

1.1 系統硬件設計

1.1.1 氧濃度采集模塊

氧濃度采集模塊采用AT89C51主控制芯片，是一款低電壓、高性能CMOS的8位微處理器，4 k字節 Flash閃速存儲器，128字節內部隨機存儲器(random access memory，RAM)，32個I/O口線，2個16位定時/計數器，1個5向量兩級中斷結構，1個全雙工串行通訊口，片內振蕩器及時鐘電路，AT89C51芯片可降至0 Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式[6]。空閑方式停止中央處理器(central processing unit，CPU)的工作，但允許RAM定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作，掉電方式保存RAM中的內容等，其電路部分包括電源模塊、晶振電路模塊、復位電路模塊、氧濃度采集模塊、液晶顯示(liquid crystal display，LCD)顯示模塊、無線傳輸模塊(如圖2所示)。

(1)主控制電路。本系統采用的主芯片為AT89C51，其供電電壓為3.3 V，其XTAL1腳和XTAL2腳連接電容C1、電容C2，并在電容C1、電容C2并聯Y1晶振，為系統提供穩定的晶振電路[7](如圖3所示)。

圖3 主控制電路圖

(2)氧濃度采集電路。系統氧濃度監測采用KE-25傳感器，其不受外界CO2、CO、H2S、NOX等氣體影響，而且信號輸出穩定，無需外部電源，不需要加熱等優點。氧濃度監測傳感器的檢測范圍為0～100%，精度為±1%，工作溫度為5 ℃～40 ℃，響應時間為(14±2)s，壽命可達5年[8](如圖4所示)。

圖4 氧濃度采集模塊電路圖

圖1 中央氧濃度監測系統結構示意圖

圖2 控制電路系統框圖

圖4顯示，氧氣傳感器將呼吸機內的氧濃度轉換為微弱的電壓信號，通過運放放大芯片SGM8551將采集的電壓信號進行放大，再到主控制芯片AT89S51的P1.7腳，最后把采集的電壓信號進行數模轉換成氧濃度顯示在LCD顯示模塊上。運放放大芯片SGM8551的+INA腳和-VS腳連接氧氣傳感器，其通過匹配電阻R1、R2后，通過輸出端OUTA腳輸出放大電壓信號[9]。

1.1.2 無線傳輸電路

系統采用的無線傳輸模塊為NRF24L01，該無線模塊支持2.4 GHz的ISM頻段，最高傳輸速率2 Mbps；功耗低，等待模式時電流消耗僅22 μA；傳輸距離可達25 m，可以滿足呼吸機氧濃度的遠程監測。在傳輸采集氧濃度數據時，首先將NRF24L01配置為發射模式，接著把地址TX_ADDR和數據TX_PLD按照時序由串行外圍設備接口(serial peripheral interface，SPI)寫入NRF24L01緩沖區，TX_PLD必須在CSN為低時連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10 μs，延時130 μs后發射數據，若自動應答開啟，那么中央顯示系統的NRF24L01立即進入接收模式，接收答應信號，則通訊成功[10](如圖5所示)。

圖5 無線傳輸電路圖

圖5顯示，該無線傳輸模塊采用+5 V供電，其工作模式選擇CE腳連接主芯片的P1.0腳、芯片的片選信號CSN腳連接P1.1腳、SCK腳連接P1.2腳、MOSI連接P1.3腳、MISO連接P1.4腳、IRQ連接P3.2腳。

1.1.3 顯示電路

系統的氧濃度采集模塊將采集到的氧濃度不僅可以直接顯示在LCD上，還可以通過無線傳輸到中央監測系統上。系統采用的液晶顯示為TH839S，工作電壓為3 V，其液晶模塊的接口跟AT89C51的P0.0～P0.7、P2.0～P2.5腳進行數據通信。整個顯示模塊可以時時顯示采集到的氧濃度值，當采集到的氧濃度值大于報警值時，氧濃度值會出現閃爍狀態，提示醫務人員氧濃度異常。當系統出現異常時，顯示模塊也會顯示錯誤代碼等信息[11](如圖6所示)。

圖6 液晶顯示模塊電路圖

1.2 系統軟件設計

氧濃度監測系統開機會首先進行系統的初始化，LCD全亮2 s，并讀取存儲在EEPROM中的氧濃度校正參數進行校準。進入系統后，會自動進行按鍵掃描，接著可以設置氧濃度報警限值，當檢測到的氧濃度異常時，會進入報警程序，提示醫務人員呼吸機氧濃度異常[12]。本系統具有無線傳輸功能，可以根據醫務人員的需求開啟無線傳輸功能。當病房多臺呼吸機都安裝氧濃度監測模塊時，可以同時開啟無線傳輸功能，將每臺呼吸機監測的氧濃度都傳輸到中央監測系統上，便于醫務人員集中觀察多位患者的氧濃度情況(如圖7所示)。

圖7 氧濃度監測模塊主程序流程圖

2 呼吸機氧濃度中央監測系統臨床應用

2.1 氧濃度監測模塊與測試

圖8 氧濃度監測模塊連接圖

表1 氧濃度監測模塊氧濃度與呼吸機監測對比

(1)氧濃度監測模塊的連接。系統可以根據醫務人員的要求，同時監測多臺呼吸機的氧濃度，醫務人員在值班過程中，只需觀看安裝在護士站的中央監測系統，就可以查看所有呼吸機的氧濃度一段時間內氧濃度波動曲線，更加確切的了解患者在治療過程中的吸氧情況。系統的氧濃度監測模塊只需將氧氣傳感器連接在呼吸機集水杯放入氧濃度傳感器接口上，再把整個模塊放置呼吸機側邊，即完成氧濃度監測模塊的安裝(如圖8所示)。

(2)氧濃度監測模塊系統指示。監測界面不僅可以顯示當前的氧濃度，還可以顯示最近一日最大的氧濃度示值和最小的氧濃度示值，并且可以顯示當前的電量(如圖9所示)。

圖9 氧濃度監測模塊系統指示界面圖

2.2 氧濃度監測模塊與呼吸機監測對比

安裝好氧濃度監測模塊后，打開監測模塊進行氧濃度監測，通過呼吸機設定氧濃度分別為21%、40%、60%和80%的4個氧濃度點進行監測，每個測試點測試3個數據，每個數據測試30 min，通過對呼吸機自身的氧濃度監測和無線氧濃度監測模塊的對比， 呼吸機氧濃度檢測值與無線氧濃度監測模塊在低濃度時誤差較小，在氧濃度監測模塊較高時誤差較大，但是其重復性較好，數據準確性也比較穩定，氧濃度監測模塊值與呼吸機氧濃度檢測值相比，最大誤差只為±3%[13](見表1)。

3 結論

呼吸機氧濃度監測對于患者安全用氧具有重大意義[14]。呼吸機氧濃度中央監測系統針對傳統的每臺呼吸機只有各自的氧濃度監測情況，設計呼吸機氧濃度中央監測系統，將臨床所有呼吸機的氧濃度監測集中到中央監測系統上，不僅便于醫務人員集中關注所有呼吸機的氧濃度情況，還可以記錄每臺呼吸機氧濃度監測的波動曲線。整個呼吸機氧濃度中央監測系統使用簡單、穩定性高且監測精度準確，對于時時關注患者呼吸過程中氧濃度具有較大的意義[15]。同時，對于呼吸機的其他參數的中央監測，如潮氣量、吸呼比和呼氣末正壓等參數，有待于下一步研究和增加監測內容。