一種基于人工呼吸氣囊的電動簡易呼吸機設計研究

摘 要：呼吸機作為一項能人工替代自主通氣功能的有效手段，已普遍用于各種原因所致的呼吸衰竭、大手術期間的麻醉呼吸管理、呼吸支持治療和急救復蘇中。本文在人工呼吸氣囊的基礎上，創新性地采用正反牙滾珠絲桿雙螺母擠壓形式，設計一種低成本、平民化的便攜式簡易呼吸機。該簡易呼吸機采取可編程、可拆卸的機械裝置，按照人的呼吸頻率擠壓呼吸氣囊，幫助呼吸困難的人將空氣吸入肺部，可以成為自我救護的關鍵“武器”。

關鍵詞：人工呼吸氣囊;呼吸機;可編程;可拆卸設計

臨床上呼吸抑制、呼吸衰竭甚至呼吸停止等緊急情況時有發生。病情危急，來不及做氣管插管時，可利用人工氣囊按壓球囊直接給氧，使病人得到充分氧氣供應，改善組織缺氧狀態。恰當使用人工呼吸氣囊是院前處理緊急呼吸疾患的有效方法。但人工呼吸氣囊通常由急救醫務人員攜帶，使用過程中存在以下問題。首先，手部容易疲勞。在患者急救過程中，急救人員只能靠手動按壓呼吸氣囊維持患者通氣，而呼吸氣囊尺寸較大，遠大于一般人員的手形，從而造成呼吸氣囊使用費力，急救人員極易出現手部疲勞現象;其次，頻率不準確。人工按壓，難以保持較為準確的充氣頻率。時快時慢，容易損傷肺組織，造成呼吸中樞紊亂，影響呼吸功能恢復;再次，壓力不恒定。手壓力不恒定就會造成氣囊壓力變化，影響機械通氣效果或造成呼吸機相關性肺炎等并發癥;此外，不夠方便，由于急救人員只能手動按壓呼吸氣囊，該操作人員無法進行其他急救操作。

因此，研究自動化擠壓結構替代醫護人員的人工擠壓，解決上述人工呼吸氣囊的不足，同時解決呼吸機、醫務人員不足時的應急使用問題，非常有現實意義。

1 電動簡易呼吸機總體結構

如圖1所示，本文設計的電動簡易呼吸機由人工呼吸氣囊、擠壓機械裝置、單片機、電機、電氣驅動裝置和顯示裝置六部分組成。

系統由單片機編程模擬人體正常呼吸頻率，按照這個頻率用機械裝置擠壓氣囊向人體供氣，幫助恢復心肺功能達到急救目的。單片機控制信號通過電機驅動電機，從而控制機械裝置。根據急救對象的不同，系統通過按鈕控制不同模式已達到不同人群使用效果。LED顯示屏則用來實時顯示關鍵參數，確保正確使用。

本電動簡易呼吸機根據急救個體差異，設置成人、兒童和嬰兒三個使用檔位;按鈕設置有啟動、暫停、停止和復位功能按鈕，同時配備有可調面板，以根據需要進行微調。

2 電動簡易呼吸機機械結構部分

2.1 結構介紹

如圖2所示，機械機構主要由托架、兩塊夾板、絲桿電機、螺母和絲桿五個部件組成。托架將氣囊固定，夾板裝在兩側螺母上，絲桿和貫穿式絲桿電機相連，絲桿電機置于托架底部。控制信號控制絲桿電機工作，當接收向中間運動的信號后，絲桿電機帶動絲桿傳動，絲桿上螺母向中間移動，帶動兩個夾板向中間軸方向平移，則形成收緊擠壓動作，反之則形成松開動作。在機械裝置替代人工擠壓時，要考慮盡量保持氣囊軸線不動，不會產生位置上的變化，以利于機構的穩定和對急救不產生干擾。

2.2 參數與相關計算

2.2.1 氣囊機構

氣囊機構尺寸如圖3所示。

2.2.2 呼吸困難急救相關參數

成人：頻率10～15次/分鐘，潮氣量400～600ml;兒童：頻率14～20次/分鐘，潮氣量100ml;嬰兒：頻率20～40次/分鐘，潮氣量350ml。正常情況下，吸氣時間和呼氣時間比都是1∶1.5～2;重癥比如慢阻肺、呼吸窘迫綜合征患者吸呼時間比為1∶2～3。

2.2.3 關鍵部件選型

（1）絲桿。如圖3所示，根據氣囊徑向長度和雙向同步運動，選用SFU01605-4型正反牙滾珠絲桿，其軸徑為16mm、導程為5mm。它具有同步、高精度、高硬度、高轉速、壽命長、低噪音和性價比高的優點。絲桿總長度根據需要選擇300mm，配備的零部件為2個螺母、2個螺母座、兩端軸承座和一個聯軸器。螺母用與夾板連接，帶動夾板運動。

（2）馬達。擠壓量最大所需力矩也最大，因此根據氣囊的最大擠壓量需要的力矩來確定選用的馬達最大扭矩。已知成人可承受最大氣壓30cmH2O，最大潮氣量即氣囊擠壓量約600ml。假設擠壓3.5cm時，橫截面橢圓長半軸長為R1、短半軸長為R2，根據擠壓模擬可以估算擠壓長度R3為3.5cm，擠壓最大面積（橢圓面積）S=1/2*R1*R2*π=82.4cm2，則：

壓強：P=1g/cm39.830≈300Pa

單邊扭矩：M1=P*S*R3=300*82.46*3.510-6≈0.86Nm

最大扭矩：M=2*M1=1.72Nm

從留有一定余量的角度考慮，選用扭矩為2.3Nm的57步進電機。該電機具有性能穩定、高速精準、高速響應、壽命長、雙出軸的優點，以及強動力、低噪音等特點，相數為2，步距角為1.8°±5%。

2.3 結構設計

結構設計采用Creo6.0軟件設計，具備互操作性、開放、易用三大特點，還具體裝配管理的特點，界面友好，簡單易用，尺寸精確。

夾板模擬人手拳頭，采用外凸弧形結構，目的是增加擠壓力。弧形圓形高度略高于氣囊徑向圓心高度，目的是夾板在擠壓時，在向氣囊產生徑向擠壓力同時產生一點向下的壓力，有利于氣囊和整體機構的穩定;氣囊前后頸固定結構采用卡扣形式，方便操作，具體見圖4和圖5。

3 電動簡易呼吸機電氣結構部分

3.1 單片機即工控板PLC FX2N-14MT

工控板是電氣設備中控制設備正常運轉工作的電路板。通用的工控板，大多數可以編程，經過用戶二次開發后，完成特定的功能，在輸入輸出口接上用戶自己的器件。工程項目類的用機大多數是使用工控主板，具有相對應的穩定性，事故率也相對較低，相對穩定性較高，故障報修率也比較低。

本文設計選取三菱工控板，如圖6所示，其主要特點：原裝進口ARM高性能芯片;DC24V輸入，10路普通2路高速，可接AB相編碼器;輸出8路繼電器可帶模擬量;RS232通信、485通信;寄存器2500個;支持485ModbusRTU/ASCII主、從通信;掉電保持;支持在線監視、運行中下載;支持特殊加密方式。

3.2 電機驅動

DH556是新一代基于32位DSP技術的高性能數字式步進驅動器，電壓DC20～50V。采用類伺服控制原理，具有高精確度、平穩性佳、振動性能優越等特點。主要用于自動化設備，在用戶期望的低噪音、低振動、低發熱、高精度、大力矩輸出的設備中應用效果極佳。驅動器和連接線路圖分別見下圖8和圖9。

4 程序設計

4.1 總體架構

本文設計要實現的功能相對簡單，即通過單片機編程驅動馬達實現對電機轉速的不同控制，從而實現不同功能。常規功能為啟動、暫停、復位、停止;使用檔位為成人、兒童和嬰兒三檔以及液晶顯示。

4.2 實現方式

本文設計使用的是三菱PLC工控板，配套的是編程軟件是“MELSOFT系列GX Developer”。該軟件適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器;完全支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言程序設計，網絡參數設定，可進行程序的線上更改、監控及調試，具有異地讀寫PLC程序功能，簡單理解就是在電腦上用過該軟件編程后，通過電腦下載線下載到工控板中，讀寫成功后就可以運行了。編程后的工控機，可以按照一定的控制規律實時決策，產生控制指令，并通過板卡輸出，對生產過程直接進行控制，具有組成靈活、成本低等特點。

PLC編程：

（1）啟動軟件后，在根目錄底下創建一個工程文件;

（2）選擇PLC所屬系列和型號，即“FXCPU”和“FX2N（C）”，與所連接的PLC一致，確保程序能正確寫入;

（3）設置程序的類型，即梯形圖;

（4）設置文件的保存路徑和工程名稱;

（5）在主界面里編輯，按不同檔位編輯順控程序，設置軟元件注釋、參數等;

（6）將反復使用的順控程序的梯形圖塊轉化為FB部件;

（7）連接電腦線，在線下載程序、寫入;

（8）診斷。

為確保行程準確復位，本文設計在起始位安裝了傳感器，當夾板回退到這個點位時，自動發出信號停止回退。

程序設計流程示意圖具體如圖10所示。

各檔位技術指標由程序直接設定初始化寫入。為方便使用，程序設計可編輯界面，可由專業人員對相關參數進行調整。

5 便攜式外觀設計

應急狀態，一般是遠離電源，同時要方便攜帶，因此本文設計在外觀上進行了整合升級設計：

（1）將所有結構件整合在一個箱體里面，箱體上方在有軟把手，方便攜帶外出;

（2）把擬氣囊的位置上方做了個翻蓋，以方便更換氣囊;

（3）為方便維修，箱體做成可拆卸形式，需要拆卸時可旋開螺絲即可;

（4）從人體工學角度，LED屏幕和控制按鈕做到同一側面，方便使用者直觀和操作;

（5）為確保卡扣的穩定性，采用了快擰螺絲結構。

具體如圖11所示。

通過安裝調試，本文設計結構合理、穩定安全，檔位符合患者使用習慣，實物如圖12所示。

6 總結

本文設計與醫用呼吸機不同的是，本文設計的簡易呼吸機是基于人工呼吸氣囊設計的，它的本質和人工呼吸氣囊一樣在于院前急救用的，也適用了院前急救中可能無電源的特點;而我們常說醫用呼吸機，主要是用在醫院或家里，用于維持適當通氣量，改善氣體交換功能需要。醫院用的呼吸機可用于麻醉呼吸管理，可治療的疾病更廣，而家庭的主要是用于簡單的慢阻肺呼吸衰竭治療，還有一些鼾癥的治療，這些不僅需要有電源，而且使用時間相對較長，不只是急救性質。當然，本文設計也可以通過設定恒定的擠壓量來確保特定場合的長時間使用，但因為人工呼吸氣囊的局限性，使用性能和專業呼吸機有一定差距。

術業有專攻。本文設計采用了人工呼吸氣囊的優點，通過電動裝置設計彌補了人工氣囊的不足，最大效率地發揮了人工呼吸氣囊的急救作用，不失為一個很好的急救用品和應急儲備，具有很高的社會效益和現實意義。

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作者簡介：鄭潤哲（2004— ），男，漢族，福建永春人，福建省廈門第一中學，研究方向：機械電子創新。