基于MC9S08QG4的便攜式自動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(bǔ)組織損傷。通常身體依靠紅細(xì)胞中血紅蛋白的化學(xué)特性，通過自身調(diào)節(jié)在細(xì)胞外液體中保持一定的氧氣濃度。

然而，對(duì)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(huì)抑制肌力，使病人呼吸減弱。當(dāng)手術(shù)過程中血液流失時(shí)，會(huì)使病人供氧不足，從而導(dǎo)致體內(nèi)缺乏足夠的氧氣。這時(shí)就必須使用麻醉呼吸機(jī)和測量血液中氧氣飽和度的儀器（脈動(dòng)血氧定量計(jì)）來調(diào)節(jié)麻醉劑和氧氣的混合比例。

傳統(tǒng)的機(jī)械式呼吸設(shè)備將一個(gè)外部設(shè)備直接連接到病人，通過人工方式進(jìn)呼吸氣體的交換。機(jī)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(shí)候，它可被用來在呼吸機(jī)能減弱的時(shí)候獲得足夠的肺擴(kuò)張，同時(shí)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(jī)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(dá)到時(shí)，中止吸入氣體；體積周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的體積達(dá)到時(shí)，中止吸入氣體；時(shí)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(gè)預(yù)定水平時(shí)，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(shí)，呼吸設(shè)備可以從手動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到自動(dòng)模式，幫助病人獲得足夠的血氧飽和度。當(dāng)血氧達(dá)到正常水平時(shí)，系統(tǒng)就退出自動(dòng)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(xiǎn)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(dòng)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(huì)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(shí)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(dá)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(jī)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(dòng)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(jì)發(fā)出的動(dòng)脈血氧飽和度數(shù)據(jù)的能力；

便攜性，可用于偏遠(yuǎn)地區(qū)；

在血氧計(jì)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(jìn)電機(jī)。

通過MCU可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)呼吸控制的實(shí)現(xiàn)。

圖1 自動(dòng)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(gè)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(shí)在價(jià)格上也有優(yōu)勢(shì)。MC9S08QG4特性見圖2。該處理器將飛思卡爾S08核的優(yōu)勢(shì)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(shí)對(duì)片上閃存進(jìn)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(xiàng)。

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(jì)的設(shè)備，這是一種可攜帶的、低成本的設(shè)備，它包括一個(gè)Spo2傳感器和可通訊DB-9接頭。在Spo2 Y 型傳感器一端有兩個(gè)發(fā)光二極管（LED），在另一端有一個(gè)光探測器。這個(gè)傳感器通常被連接在指尖，這樣光就能完全穿過組織到達(dá)光探測計(jì)。

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(duì)應(yīng)氧血紅蛋白和總血紅蛋白。探測計(jì)捕捉到從LED發(fā)出的光，脈搏血氧定量計(jì)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(dòng)脈脈搏讀數(shù)并計(jì)算出氧氣飽和度。

從脈搏血氧計(jì)讀出的Spo2值能通過連接到S08QG的串行接口（SCI）被傳遞到自動(dòng)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(jì)的規(guī)格所定義。從脈搏血氧計(jì)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(jìn)電機(jī)來控制氧氣呼吸設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

針對(duì)不同種類步進(jìn)電機(jī)的控制軟件是基于不同頻率或壓力流來進(jìn)行控制的：

不同頻率從時(shí)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(jī)能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)步，具有大力矩的運(yùn)轉(zhuǎn)步（雙步），改變方向和不改變位置的運(yùn)轉(zhuǎn)步（抑制步）。

圖3展示了一個(gè)簡單的方法，通過S08QG來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制。

圖3 通過S08QG實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特性是最大電流損耗為20mA。電機(jī)提供的力矩并不大，最大靜態(tài)力矩是4mNm，最大動(dòng)態(tài)力矩是1.3 mNm。但是它的力量足夠運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)量器。S08QG MCU的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到25mA，所以很適合這種應(yīng)用。電機(jī)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(jī)控制信號(hào)，不需要附加外部的電子元件。

氧氣呼吸設(shè)備有三個(gè)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(gè)手柄根據(jù)病人的身材和體重控制適當(dāng)?shù)暮粑诙€(gè)手柄控制每分鐘所需要的呼吸次數(shù)，第三個(gè)手柄控制氧氣流的壓力。在這個(gè)特殊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，第二和第三個(gè)手柄是由步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制的。

軟件程序根據(jù)由脈搏血氧計(jì)通過SCI接口傳來的氧氣飽和度計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。氧氣飽和度數(shù)字為醫(yī)生提供了必要的信息來進(jìn)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(jī)步數(shù)，這決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)有多快。電機(jī)的物理限制決定了它們的運(yùn)行頻率。一些電機(jī)因?yàn)閼?yīng)用于特殊用途，在10Hz 到 500Hz 之間運(yùn)行，而另外一些能夠在千赫茲的范圍內(nèi)運(yùn)行。對(duì)于這個(gè)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(dòng)化呼吸控制系統(tǒng)是一個(gè)低成本的對(duì)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(jī)制。這個(gè)概念很簡單：脈搏血氧計(jì)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(hù)理上，可被用于通用外科手術(shù)、兒科和新生兒護(hù)理，甚至獸醫(yī)門診。