基于自適應控制策略的醫用呼吸機控制器設計

馮嘯天

摘要??? 本文基于自適應控制策略對醫用呼吸機的控制原理、控制規則以及控制器核心硬件的相關設計問題進行了詳細分析，結果表明醫用呼吸機控制器模糊自適應推理過程中常常遇到實時性差的問題，通過離線數據處理能夠有效解決，運用最大隸屬度法可以對模糊的輸出量快速進行去模糊計算。

【關鍵詞】醫用呼吸機 自適應控制 控制器設計

1 醫用呼吸機的結構及工作原理

臨床醫學研究技術手段的不斷進步使得醫用呼吸機的設計生產種類越來越具有多樣化的發展趨勢，而在醫學領域，對其進行類別的劃分最主要的渠道就是通過其結構和工作方式來分類。這些呼吸機有些需要依賴病人的自主呼吸，有些則適用于一些呼吸暫停等狀況之中，分別為不同患者提供了與之病情相適應的醫療服務。而目前雖然在用的醫用呼吸機種類繁多，但由于作用和功能的一致性，其基本結構和主要的工作原理也大致相同，一般情況下，呼吸機的組成可分為氣路單元及電子單元兩部分。

1.1 氣路部分

對于醫用呼吸機而言，氣路單元是整個結構的核心，是發揮機器設備效用的最關鍵部分。在呼吸機氣路部分中，其主要組成單元可分為：氣路反饋系統、吸氣和呼氣控制閥、呼吸導管以及流量和壓力傳感器幾個方面。其工作過程原理如下：

（1）流量和壓力傳感器對呼吸導管內的氣體數值進行實時測量;

（2）測量結果與參考數值相比對;

（3）氣路反饋系統針對數值比對差異對氣體供給情況進行反饋，給出調節指令;

（4）吸氣和呼氣控制閥通過相應指令完成氣體供給的調節控制;

（5）實現穩定、持續的氣體供給。1.2電子單元控制部分

如果說氣路單元是呼吸機的心臟，那么電子單元的地位則可比喻為呼吸機的大腦，它是氣路單元包括整個呼吸機設備的主控平臺，只有通過設計完備的電子單元才能實現整臺設備的運行操控，而該單元也是由一系列部件共同組成，具體組成情況如下：

（1）基準電平，主要作用是實現與輸入端的參數校對功能，提供設置的基準值;

（2）吸氣和呼氣調整單元，根據相應程序設定實現閥門控制功能;

（3）監測告警單元，即將各類傳感器的傳感信號與給定參數進行比對，一旦出現異常則產生告警;

（4）輸出和輸入控制部分;即外部接口，實現信息數據交換;

（5）電源和時鐘單元，實現設備供電及時間統一、同步控制。

2 模糊自適應PID控制器設計

2.1 總體設計

模糊自適應PID控制器的關鍵輸入量是呼吸機所接受的壓力變量和流量變量，該變量是由兩個偏差量組成的，分別是E和EC，其中一個是偏差量，一個是偏差變化量。該自適應控制器在經過模糊自適應推理后會得到一個輸出量，這個輸出量即為模糊自適應輸出量H，這個輸出量H是一種模糊自適應決策，這個模糊自適應決策的過程即是PID控制器進行變量趨勢判斷以及自適應決策的過程。通過多個步驟的非模糊化處理，H會轉變為h（t）從而實現輸出量的在線調整。

2.2 模糊推理設計

大量的實驗經驗表明，醫用呼吸機的壓力控制情況存在一定的規律性，經過歸納我們總結出該壓力呼吸機的控制規則。我們在進行偏差量和偏差變化量進行模糊自適應處理后首先要進行的工作就是查詢模糊自適應控制規則表，對模糊自適應控制規則表的查詢是醫用呼吸機實時自動控制的關鍵環節。實時進行模糊化自適應推理的運算規則是對偏差量和偏差變化量進行自適應模糊化，通過對本文所述的模糊自適應控制規則表的查詢結果獲取輸出量的自適應模糊值，而后對自適應模糊值進行精確化處理，即完成了模糊自適應推理的過程。從表述上來看模糊自適應推理的過程相對來說比較復雜，在進行模糊化和精確化的過程中浪費了大量的時間并占用了較多的運算空間，雖然能夠起到模糊控制的作用并實現自適應控制的功能，但該醫用呼吸機控制系統的實時性就會大打折扣，鑒于醫用呼吸機是一種需要實時性很強的醫用設備，因此我們考慮采用離線處理的思路來解決實時性問題。

離線進行醫用呼吸機自適應控制的模糊過程和精確過程無疑會減少沒有意義的控制過程時間消耗，相對于在線處理來講離線方式能夠更加實時的對數據進行分析處理，實現醫用呼吸機自適應實時控制的目的。

去模糊計算的過程中最關鍵的步驟是算法的選擇，我們選擇最大隸屬度法開展計算過程，這種算法是從模糊子集中選取控制量，所選取的元素是被選子集中隸屬度最大的元素。如果出現醫用呼吸機自適應模糊控制輸出量隸屬度函數的極值不唯一，控制量則按照多個極值求平均數的方法來計算。

3 呼吸機控制系統硬件設計

本節主要對前向通道、后向通道以及微處理器電路接口的關鍵設計問題進行研究，其中前向通道設計針對數據采樣電路開展相關工作，因此呼吸機控制系統硬件設計中前向通道硬件主要包含傳感器和A/D轉換電路。163PC01D48和163PC01D36為Honeywell公司生產的差壓型傳感器，同屬于160系列，差別較小，均為帶放大、溫度補償直插式差壓傳感器。

對A/D轉換電路的硬件進行選擇時應該綜合考慮多種因素，主要依據轉換的位數和速率，工作電壓和基準電壓等方面，該轉換電路的選擇依據和功能性原則是在能夠完成預定功能的前提下使電路盡可能簡單并且可靠。

本文所述的醫用呼吸機需要采集的信號分為氣道壓力信號和流量差壓信號兩種，所涉及兩種信號的傳感器輸出電壓都在1V到6V之間，由于本系統測量信號屬于壓力信號，變化較慢，但系統設計要求需較高的采樣率，考慮到需要兩路信號，因此選用多路模擬開關AD7501和A/D轉換器AD571結合來完成采樣。

在進行微處理器單片機選擇時，確保程序存儲器不必擴展的情況下，另外考慮能兼容MCS-51指令系統和具有程序監控復位功能的硬件看門狗電路，本系統選用ATMEL公司的AT89C51RC單片機作為數據處理與控制芯片。

參考文獻

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