基于遠程數字傳輸技術的智能家用呼吸機研究

高寧寧

（北京睿德康醫療器械有限公司，北京 100062）

呼吸機是現代臨場醫學必備的一種呼吸支持醫療設備，它能增加患者的肺通氣量，改善患者的呼吸功能，在手術、急救等方面有著重要應用。隨著醫療技術的發展和市場需求的增加，家用呼吸機的價格不斷下降、功能日益完善、體積更加小巧，逐漸走向了千家萬戶，讓那些存在換氣障礙的病人可以居家治療。近年來，在物聯網、人工智能等技術的支持下，現代家用呼吸機逐漸朝著智能化、便攜化、人性化方向發展。其中，基于遠程數字傳輸技術的家用智能呼吸機，具有數據實時交互性強、系統響應速度快、患者使用舒適度好等一系列優勢，具有良好的市場發展潛力。

1 基于遠程數字傳輸的智能家用呼吸機硬件設計

1.1 智能家用呼吸機的硬件組成及功能

智能家用呼吸機的硬件部分主要包括過濾器、加濕器、流量傳感器、微控制器、面罩等組成，具體結構如圖1所示。

圖1 智能家用呼吸機硬件組成框圖

智能家用呼吸機的主要功能模塊有電源模塊、通信模塊、人機交互模塊、時鐘同步模塊、微控制器模塊等。現選擇其中的微控制器、壓力和流量檢測電路、濕化器控制電路3 部分介紹如下：

1.1.1 微控制器是智能家用呼吸機的核心元件，本文設計的智能呼吸機采用STM32F407 微控制器，內嵌32為ARM，主頻為170MHz，指令處理能力最高可達240DMIPS。另外，該為控制器內置A/D 轉換模塊，因此外部電路中不需要單獨安裝A/D 轉換器，簡化了硬件電路。提供16 組I/O 端口和15 個通信接口，以及1 個全速USB 接口和1 個以太網通信接口，保證了強大的信息傳輸與處理能力。微控制器及其外部電路的設計如圖2 所示。

圖2 微控制器及其外部電路

1.1.2 壓力和流量檢測電路。實時采集呼吸機運行時的前端信號也是保證智能控制功能實現的關鍵。本文設計中采用HSC 型壓力傳感器和HAF 型流量傳感器，前者為硅壓阻壓力傳感器，壓力更新頻率為2KHz，后者為數字式壓差傳感器，響應速度不足1ms。兩種傳感器都具有較強的抗干擾能力，保證采集到的壓力信號和流量信號足夠精確。壓力和流量檢測電路設計如圖3 所示。

圖3 壓力和流量檢測電路

1.1.3 濕化器控制電路。該電路由濕度調節、溫度調節和檢測保護3 部分構成。其中，濕度調節是讓空氣穿過裝滿純凈水的容器達到增加空氣濕度的效果。濕化器內有濕度傳感器，只有當空氣濕度達不到既定標準時才進行濕度調節，直到濕度達標后停止加濕。溫度調節則是將MOS 管通電、使其發熱，然后使氣體溫度升高。同樣的，內置溫度傳感器檢測到空氣溫度達到預設值后停止加熱。檢測電路的作用是維持濕度、溫度在預設范圍之內。濕化器控制電路設計如圖4 所示。

圖4 化器控制電路

1.2 家用智能呼吸機的硬件運行流程

呼吸機通電啟動后，從外部吸收空氣并進入過濾裝置，完成空氣清潔、過濾后進入到風機中。在無刷直流電動機的帶動下，風機將吸入并過濾的干凈空氣經過橡膠軟管送入蜂窩狀微孔結構。該結構的功能有兩個，其一是進一步凈化空氣，其二是利用內置的敏感元件采集壓力信號、流量信號。凈化后的空氣通入到加濕器中，根據氣體當前濕度判斷是否需要對氣體進行加濕處理；同時，加濕器還連接了加熱檢測模塊，根據空氣溫度判斷是否需要對氣體進行加熱處理。保證空氣的濕度和溫度適宜，提高智能家用呼吸機的使用體驗。采集到的壓力、流量信號經過濾波、降噪、放大等一系列處理后，傳輸至微控制器中。微控制器自動分析信號，然后結合ANN 算法計算出轉速調節量，生成相應的調控指令，發送給前端的控制器，改變電動機轉速從而調節空氣的輸入量和輸入速度。如果面罩從患者面部脫落，可以利用面罩上的壓敏元件及時檢測到脫落信息，然后進行報警。

2 基于遠程數字傳輸的智能家用呼吸機軟件設計

2.1 系統主程序設計

系統程序采用Keil MDK 8.0 軟件開發環境，將μC/OS 操作系統植入STM 單片機中，實現程序的在線編輯和燒錄。其中，系統主程序的功能包括操作系統及時鐘同步等功能模塊的初始化，以及創建起始任務和應用事件等。主程序流程為：（1）操作系統初始化。當呼吸機通電運行后，主程序自動對μC/OS 操作系統的運行環境進行初始化，全局變量復位或歸零。（2）創建起始任務，對各個功能模塊進行初始化。如存儲器初始化、電動機初始化、PVD 中斷初始化等。（3）創建應用任務。如潮氣量檢測控制任務，在人機界面設置潮氣量的范圍，該程序可實時檢測實際潮氣量是否在該范圍之內，如果超出范圍立即調整；ANN 算法任務，基于ANN 算法決策，生成調速指令，并由控制器完成電機轉速的調控，達到調節進氣壓力和氣體流速的效果。除此之外還有加濕器檢測任務、面罩脫落檢測任務等等。

2.2 流量測量程序設計

該程序通過計算當前的流量和潮氣量，判斷患者的實時呼吸狀態，然后把流量值反饋給微控制器。由微控制器的ANN 算法單元進行處理后生成壓力調整指令，實現對家用呼吸機進氣流量和潮氣量的動態調整。

結合圖5 可知，系統執行流量測量任務后，微控制器會同步讀取HAF（流量傳感器）的測量數據，在相關算法的計算下獲取當前呼吸機管道中氣體的流動速度。然后執行一個判斷程序“是否開始呼吸控制”，如果此時未檢測到呼吸控制指令，則直接結束當前程序，進入待機狀態。如果判斷結果為“是”，繼續計算得出呼吸機管道氣體當前的潮氣量，同時執行“是否面罩脫落”的判斷程序。如果潮氣量超出既定的安全閾值，說明面罩脫落，判斷結果為“是”，設備報警提醒患者或監護人員，同時待機處理，直到人為操作結束報警；如果判斷結果為“否”，進入到呼吸過程判斷階段，啟動“是否有呼吸動作”的判斷程序。如果判斷結果為“是”，利用相關算法計算呼吸周期、呼吸比等相關參數；如果判斷結果為“否”，則要進一步檢查是否出現了呼吸暫停、低通氣等異常情況。若檢測到此類情況，則將異常信息保存到SD 卡中，以便于微控制器智能分析和調整控制策略。

圖5 流量測量程序流程圖

2.3 以太網通信程序設計

系統執行數據傳輸任務后，微控制器首先接收以太網數據幀，并對其做CRC 校驗。除了驗證格式是否正確外，還要判斷目標設備地址與本機地址是否一致，以及指令代碼是否符合通信協議等。如果任意一項驗證未通過，則不允許數據發送。若CRC 校驗通過，則正常接收從以太網發送過來的數據，并且根據數據來源、類型、發送時間等將其分類存儲。呼吸機除了接收外部數據外，也會主動發送數據。可以自定義數據發送周期，需要發送的數據內容包括呼吸報警信息、治療參數等。主治醫師可以通過這些數據隨時掌握患者的治療情況，以便于提供跟蹤式醫療服務。

3 基于遠程數字傳輸的智能家用呼吸機性能測試

3.1 潮氣量控制測試

智能家用呼吸機的基本性能測試內容有壓力控制測試、呼吸頻率控制測試、潮氣量控制測試等。現以潮氣量為例，對呼吸機的控制效果進行驗證。呼吸機的初始潮氣量為100ml，每次增加150ml，逐級增加至1300ml。同時將氣體分析儀的氣體收集裝置放在面罩處，對潮氣量進行測量。期間每10 分鐘變化一次潮氣量的設定值，每一個設定值下記錄4 次數據，測量結果如表1 所示。

表1 家用智能呼吸機潮氣量測量結果

目前不同國家執行的呼吸機標準存在差異，就呼吸機的潮氣量指標而言，我國現行的《醫療電氣設備：重癥護理呼吸機的基本安全和基本性能專用要求》（GB9706.212-2020）中規定為：潮氣量控制精度≤2%。結合表1 數據，當設定值在1300ml 時，實測平均值1310.25ml，有最大誤差，為0.79%，該值小于國家標準，說明家用智能呼吸機的潮氣量控制效果良好。

3.2 以太網通信功能測試

家用智能呼吸機以太網通信功能測試包括系統參數查詢測試、治療參數設定測試、治療數據監控測試等。現以治療數據監控為例，設備運行時人機界面上的壓力、時間等治療數據如圖6 所示。

上述數據每3 秒刷新一次，并通過以太網將該數據同步反饋給主治醫師，實現了對患者治療狀態的遠程監控，為專家在線診斷和調整治療方案提供了必要的依據。

4 結論

近年來家用呼吸機的使用越來越普遍，為患有呼吸系統疾病的患者進行居家治療提供了方便。本文設計的一種基于遠程數字傳輸技術的智能家用呼吸機，除了具備常規的輔助呼吸等功能外，還可以自動調節潮氣量，智能檢測面罩是否脫落，以及支持主治醫師遠程監測患者治療情況等，為患者提供了更加人性化的治療體驗。下一步，家用智能呼吸機還需要在遠程數字傳輸方式上繼續進行完善，例如支持WiFi 傳輸，以及與其他智能設備聯合構建更加完善的物聯網信息管理系統等，從而更好發揮其實用功能。