應急自動復蘇呼吸機裝置設計

任寶凱 程進 鄒小平 劉寶宇 李光東 王駿琦 周子肖 余興 王一飛 李曉彤 王曉嵐

北京信息科技大學北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 引言

呼吸循環衰竭是臨床急診科中的多發性危急重癥。近年來的醫學統計數據顯示，該癥發病率呈現出逐年上升的趨勢，多發于中老年群體，同時，隨著溺水、中毒以及創傷等事件頻頻發生，呼吸循環衰竭病例也明顯增加。該病在病情上具有危急、變化快的特點，對搶救時間、效率均有著較高的要求。一般情況下，在患者發病初期（約4 min內），需立即對其進行心肺復蘇治療，并在復蘇后及時給予呼吸和循環支持，才能有效地提高搶救成功率[1]。針對這一情況，我們研制的應急自動復蘇呼吸機系統可自動對被施救人員進行機械式輔助呼吸，從而維持呼吸循環衰竭[2]人員的血氧含量，為其爭取寶貴的搶救時間。該裝置成本低、體積小巧、便攜，可靈活應對突發事件。主要的應用場所為家中、公共場所、游泳館、救護車、醫院等有事故隱患的地點。當遇到突發事件，有人需要緊急搶救時，可在附近找到該設備并對其進行自動、持續供氣，既避免了人工呼吸造成的衛生問題，又避免了使用手動復蘇面罩造成的人手疲勞、供氣不均問題。配合心臟復蘇機[3]一起使用，可節省大部分的搶救空間和時間，進而大大提高搶救效率和生還率。

此外，由于新型冠狀病毒[4-7]引起的肺炎肆虐全球，導致各國醫療物資嚴重匱乏，尤其是對呼吸機的需求很難得到滿足，導致很多肺炎患者不能得到及時輔助治療，而使疫情難以得到控制。由于目前醫用呼吸機的制造成本與技術等原因，這個缺口是很難補足的，所以設計一個簡易的醫用呼吸機[8]替代品是非常必要的。本文研制的應急自動復蘇呼吸機技術、結構簡單，可大批量生產，配合專業醫務人員的操作和使用，可在一定程度上滿足疫情導致的呼吸機需求。

1 系統設計

1.1 系統的總體框架

本系統分為6個模塊：電源模塊、控制模塊、驅動模塊、動力模塊、運動模塊、輸氣模塊。整個系統的結構框圖如圖1 所示，其中控制模塊采用STM32單片機；驅動模塊采用擋位切換式步進電機驅動器；動力模塊采用步進電機；運動模塊采用滾珠絲杠滑動平臺機構；輸氣模塊由手動復蘇面罩輸氣系統改進而來，面罩與氣囊間增加輸氣管以增加其工作半徑。

本呼吸機將擠壓和釋放氣囊的施力源改為電機驅動，滾珠絲杠滑動平臺為雙導柱—單滾珠傳動絲杠實現滑塊的直線往復運動，懸伸臂與滑塊相連接，通過滑塊帶動懸伸臂實現對氣囊的壓縮和釋放效果。此外，動力源為57步進電機[9]，配合TB6600步進電機驅動可調節懸伸臂壓縮和釋放氣囊的速度，從而控制輸氣模塊的出氣量。控制模塊采用STM32F103系列單片機[10]，該系列單片機性能穩定、功耗低，可實現對整個機電系統的穩定控制。根據各模塊的連接關系，繪制裝置三維建模圖如圖2所示。

1.2 系統硬件設計方案

1.2.1 控制模塊、驅動模塊和電源模塊

控制模塊、驅動模塊和電源模塊硬件連接如圖3 所示。

單片機采用STM32F103RCT6型號，TB6600步進電機驅動的使能負（EN-）、轉向負（DIR-）、脈沖端負（PUL-）共地，3個引腳接在單片機的GND。單片機的PC0引腳接驅動使能正端（EN+）、PC1引腳接驅動方向控制口正端（DIR+）、PB0引腳接驅動脈沖接收口正端（PUL+），同時，TB6600采用220～12 V直流電源供電。除此之外，A、B兩相的正負極分別對應接57步進電機的A、B相的正負極，單片機的PA0、PA1分別連接啟動和停止按鈕，方便操控。

TB6600步進電機驅動采用共陰極接法，控制57步進電機轉向與轉速方法如表1所示。

1.2.2 運動模塊

步進電機通過8～8 mm聯軸器與滾珠絲杠相連接。電機帶動滾珠絲杠從而帶動滑塊進行橫向滑動，同時雙導柱對滑塊起導向作用，從而使其平穩滑動。用于壓縮氣囊的懸伸臂與滑塊采用螺釘連接，通過滑塊的帶動懸伸臂壓縮和釋放彈性氣囊。滾珠絲杠平動滑臺的二維圖如圖4所示，系統二維裝配圖如圖5所示。

1.2.3 輸氣系統

輸氣系統由手動復蘇面罩改進而來，彈性氣囊頂部出氣口接入1 m長的PVC輸氣管，從而增加裝置的工作半徑。彈性氣囊底部與頂部都安裝有單向閥，通過滑塊帶動懸伸臂壓縮和釋放彈性氣囊，可實現氣體的單向傳輸。彈性氣囊底部設有輸氧口，可插入輸氧管，針對不同的情況進行選用。

表1 TB6600電機驅動控制57步進電機方法表

1.3 系統的軟件設計

1.3.1 系統工作流程設計

系統的軟件流程如圖6所示。工作時，當使用者按下啟動按鈕，懸伸臂裝置在步進電機的帶動下從初始位置向前行進壓縮氣囊。程序進入延時，經過延時4 s后驅動方向引腳置零，電機反轉，從而懸伸臂裝置在步進電機的帶動下從初始位置后退進行氣囊的釋放，再次進入循環程序，延時4 s后程序重新進行上述循環。當使用者按下停止按鈕，系統監測到低電平，便使裝置復位并停止工作。

1.3.2 系統軟件程序設計

2 系統功能的實現與驗證

首先要保證各引腳的連接是否牢固，開機觀察電源指示燈是否亮起，按動啟動開關，系統開始工作，伴隨著滾珠絲杠的轉動，帶動滑塊壓縮和釋放氣囊，同時檢查運動速度和出氣量，調節TB6600步進電機驅動的擋位，可調節步距角和工作電流，以輸出合適的功率。

確保輸氣系統暢通，氣閥的安裝方式無誤，測試氣壓是否符合醫用標準，醫用標準呼吸機氣壓標準值在10～30 cmH2O，經測試該裝置滿足要求。

連續工作測試：該裝置采用12 V/5 Ah鋰電池供電，要求系統可連續工作40～60 min左右才能保證被救人員被轉移至專業救助地點。經測試，系統工作時的最大電流為0.75 A，采用的鋰電池能夠可靠地保證1 h以上的連續工作時間。裝置工作情況如圖7所示，實物圖如圖8所示。

3 系統特點

（1）本系統改變傳統復蘇面罩的動力源為電機驅動，節省人力，提高搶救效率；

（2）本系統操控簡單，性能穩定，體積小巧、便攜，適用性強。

4 結束語

該應急自動復蘇呼吸機可節省大部分的搶救空間和時間，從而在很大程度上提高搶救效率。目前的趨勢就是要利用機電系統代替人力，同時也會提高工作效率。在醫療領域將機電系統與醫療器械合理地結合，從而達到高效穩定的目的。研發該系統可更靈活地應對突發事件，減輕救援人員的負擔，保障人們的人身安全，進而減少人員傷亡。本系統將嵌入式系統與醫療器械進行結合，節省了人力物力、提高了安全性，可以設置在任何存在隱患的場所，成本低，實用性強且需求量大。

本系統仍然存在一些不足之處：所用的材料為金屬材料，重量較大。可采用PVC材料代替，以增加裝置移動靈活性。除此之外，此裝置可與傳感器相結合，用傳感器采集氣壓、出氣量、被救者的生命體征指標等。