基于MC9S08QG4的便攜式自動呼吸控制系統(tǒng)的設(shè)計

概述

所有的組織都通過血管來供氧，以幫助組織生長和修補組織損傷。通常身體依靠紅細胞中血紅蛋白的化學(xué)特性，通過自身調(diào)節(jié)在細胞外液體中保持一定的氧氣濃度。

然而，對多數(shù)外科手術(shù)而言，醫(yī)生們必須使用一定量的麻醉劑，這會抑制肌力，使病人呼吸減弱。當(dāng)手術(shù)過程中血液流失時，會使病人供氧不足，從而導(dǎo)致體內(nèi)缺乏足夠的氧氣。這時就必須使用麻醉呼吸機和測量血液中氧氣飽和度的儀器（脈動血氧定量計）來調(diào)節(jié)麻醉劑和氧氣的混合比例。

傳統(tǒng)的機械式呼吸設(shè)備將一個外部設(shè)備直接連接到病人，通過人工方式進呼吸氣體的交換。機械呼吸設(shè)備被用來維持足夠的氣體交換，尤其是在呼吸頻率減小并且心肌能力減弱的時候，它可被用來在呼吸機能減弱的時候獲得足夠的肺擴張，同時使麻醉鎮(zhèn)靜劑和肌肉放松類藥物正確結(jié)合，以穩(wěn)定胸壁。

呼吸機可以分為五類，這取決于吸入氣體的過程是如何被終止的。壓力周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的壓力達到時，中止吸入氣體；體積周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的體積達到時，中止吸入氣體；時間周期呼吸設(shè)備：吸氣和呼氣被程序化，類似于氣焊助焊劑的工作方式；溢流周期呼吸設(shè)備：當(dāng)吸入的溢流低于一個預(yù)定水平時，中止吸入氣體；混合呼吸設(shè)備：結(jié)合了其它設(shè)備的特性，被最廣泛使用。

內(nèi)科醫(yī)生能夠設(shè)置血氧容量的限制，當(dāng)血氧飽和度過低時，呼吸設(shè)備可以從手動模式轉(zhuǎn)換到自動模式，幫助病人獲得足夠的血氧飽和度。當(dāng)血氧達到正常水平時，系統(tǒng)就退出自動模式。

如何為兒科病人選擇合適的呼吸設(shè)備

新生兒具有較高的新陳代謝水平，這使氧氣消耗增加（5-8ml/kg）。體重少于1600 克、懷孕周期小于37 周的早產(chǎn)兒患有視網(wǎng)膜發(fā)育不全的風(fēng)險很高，這是由高壓氧氣傳送導(dǎo)致的氧氣中毒和肺部發(fā)育不良所引起的。自動呼吸系統(tǒng)在這些病例中起著至關(guān)重要的作用，它保證了新生兒不會接收100%氧氣濃度的空氣。

在新生兒中，壓力限制的持續(xù)溢流設(shè)備和時間周期呼吸設(shè)備使充分的自主呼吸不受任何限制。在學(xué)齡兒童和年齡大于12歲的兒童中，脈搏-溢流呼吸設(shè)備被用來控制體積和壓力。新一代的體積呼吸設(shè)備使溢流體積達到20ml，結(jié)合傳感器的作用，呼吸設(shè)備能夠周期性地工作。醫(yī)生可在2~3千克的嬰兒中使用這一設(shè)備。

電路

電路是機械呼吸設(shè)備和病人之間的接口。它有三種類型：新生兒型（11mm直徑），兒童型（15 mm直徑）和成人型（22 mm直徑）。一些電路配備可以伺服控制溫度濕度的電熱絲，雖然比較昂貴，但可使兒科病人獲得更舒適的濕度和溫度。這些設(shè)備輕便、靈活，具有安全連接的吸收阻抗和最小的溢流阻抗，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為15–22mm。

系統(tǒng)如何工作

自動呼吸系統(tǒng)根據(jù)血氧水平反饋來為嬰兒提供安全可控的呼吸設(shè)備。主要性能包括：

接收和處理血氧計發(fā)出的動脈血氧飽和度數(shù)據(jù)的能力；

便攜性，可用于偏遠地區(qū)；

在血氧計和MCU之間通過串型接口（SCI）通訊的能力；

能根據(jù)設(shè)置的呼吸頻率和壓力的參數(shù)提供精確設(shè)備控制的步進電機。

通過MCU可以實現(xiàn)自動化呼吸控制系統(tǒng)，重要的數(shù)據(jù)可以被處理并貯存，以確保特定身高和體重病人的合適的呼吸量。程序只需改變患者的參數(shù)，而無需更改系統(tǒng)其他方面的參數(shù)。圖1說明了自動呼吸控制的實現(xiàn)。

圖1 自動呼吸控制系統(tǒng)示意圖

選擇合適的MCU

有很多MCU可以滿足這個系統(tǒng)的要求。飛思卡爾的 MC9S08QG4 （S08QG）設(shè)備既可以滿足系統(tǒng)所需的特性，同時在價格上也有優(yōu)勢。MC9S08QG4特性見圖2。該處理器將飛思卡爾S08核的優(yōu)勢延伸到了低引腳數(shù)、小封裝的領(lǐng)域。S08QG設(shè)備是低功耗產(chǎn)品，可以在低至1.8 V 的供電電壓時對片上閃存進行擦寫操作，它具有所有S08 MCU 的標(biāo)準(zhǔn)特性，包括等待模式和多種停止模式，以及模擬外設(shè)能力、串行通訊能力、片上溫度傳感器和較多的內(nèi)存選項。

圖2 MC9S08QG8/4特性

系統(tǒng)的功能描述

脈搏測氧法是一種非介入技術(shù)，它使用光波來測量病人血液中氧氣的飽和度。這一過程采用了一種叫做脈搏血氧定量計的設(shè)備，這是一種可攜帶的、低成本的設(shè)備，它包括一個Spo2傳感器和可通訊DB-9接頭。在Spo2 Y 型傳感器一端有兩個發(fā)光二極管（LED），在另一端有一個光探測器。這個傳感器通常被連接在指尖，這樣光就能完全穿過組織到達光探測計。

從LED發(fā)出的光線有兩種波長傳播：660nm （紅光）和 915nm（紅外光），它們分別對應(yīng)氧血紅蛋白和總血紅蛋白。探測計捕捉到從LED發(fā)出的光，脈搏血氧定量計處理紅光和紅外光之間吸收率的差異。測量儀內(nèi)的MCU能測出動脈脈搏讀數(shù)并計算出氧氣飽和度。

從脈搏血氧計讀出的Spo2值能通過連接到S08QG的串行接口（SCI）被傳遞到自動呼吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議，它由一種商業(yè)化血氧計的規(guī)格所定義。從脈搏血氧計出來的數(shù)據(jù)通過SCI接口被連續(xù)傳送到呼吸系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)由S08QG處理，根據(jù)處理的結(jié)果通過控制步進電機來控制氧氣呼吸設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

針對不同種類步進電機的控制軟件是基于不同頻率或壓力流來進行控制的：

不同頻率從時間脈沖中獲得信息來控制希望的步數(shù)；

壓力流控制意味著電機能進行復(fù)雜的運轉(zhuǎn)步，具有大力矩的運轉(zhuǎn)步（雙步），改變方向和不改變位置的運轉(zhuǎn)步（抑制步）。

圖3展示了一個簡單的方法，通過S08QG來實現(xiàn)步進電機控制。

圖3 通過S08QG實現(xiàn)步進電機控制

步進電機的一個顯著特性是最大電流損耗為20mA。電機提供的力矩并不大，最大靜態(tài)力矩是4mNm，最大動態(tài)力矩是1.3 mNm。但是它的力量足夠運轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的計量器。S08QG MCU的驅(qū)動電流達到25mA，所以很適合這種應(yīng)用。電機被直接連接到MCU的端口A 或端口B，基于先前的條件，只需要很小的外接電路（見圖1）。系統(tǒng)需要VCC，GND和電機控制信號，不需要附加外部的電子元件。

氧氣呼吸設(shè)備有三個簡單的控制手柄，他們控制吸入的氣流和每分鐘的呼吸次數(shù)。一個手柄根據(jù)病人的身材和體重控制適當(dāng)?shù)暮粑诙€手柄控制每分鐘所需要的呼吸次數(shù)，第三個手柄控制氧氣流的壓力。在這個特殊的系統(tǒng)設(shè)計中，第二和第三個手柄是由步進電機自動控制的。

軟件程序根據(jù)由脈搏血氧計通過SCI接口傳來的氧氣飽和度計算步進電機的運動。氧氣飽和度數(shù)字為醫(yī)生提供了必要的信息來進行一系列比較，從而得出安全的范圍，如表1所述。頻率規(guī)定了每秒鐘的電機步數(shù)，這決定了電機旋轉(zhuǎn)有多快。電機的物理限制決定了它們的運行頻率。一些電機因為應(yīng)用于特殊用途，在10Hz 到 500Hz 之間運行，而另外一些能夠在千赫茲的范圍內(nèi)運行。對于這個系統(tǒng)而言，最大頻率是 100Hz，但為了在手術(shù)中更容易被醫(yī)生使用，它被設(shè)定為 50Hz。

表1 氧氣飽和度安全范圍

結(jié)論

自動化呼吸控制系統(tǒng)是一個低成本的對人工呼吸控制的可選方案，它以最小的人為干預(yù)為嬰兒和手術(shù)中的其他病人提供了可靠的呼吸機制。這個概念很簡單：脈搏血氧計依靠SCI串行接口提供氧氣飽和度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)完成其余的所有工作。它使醫(yī)生能集中精力于病人的護理上，可被用于通用外科手術(shù)、兒科和新生兒護理，甚至獸醫(yī)門診。