基于方舱医院大规模应急呼吸监护系统的设计

基于方舱医院大规模应急呼吸监护系统的设计

陈仲会 王鑫 （通讯作者）

重庆市黔江中心医院 重庆 409000

摘要：现如今，呼吸机已经成为医学领域不可缺少的一项器械。本文从系统总设计、模拟电路、电源电路、系统检测过程四个不同角度探讨了方舱医院大规模应急呼吸监护系统的设计，对病人呼吸信号的实时、连续监测起到促进作用。同时电路结构不断优化，信号抗干扰能力与灵敏度更强。

关键词：方舱医院；应急呼吸监护系统；设计

医院对病人监测呼吸情况时需要通过呼吸机监护仪进行。为此，本次研究在全面了解国内外呼吸监护仪原理后设计了可以实时监控与预测呼吸相关指标的系统，这对医护人员及时给予患者有效的治疗提供依据。

1系统总设计

1.1压力传感器

设计人员选用压力传感器时可以选用含有单晶硅片的半导体材料，这是因为该材料制成工艺为集成电路，表面扩散电阻受到外力作用影响时期压力与阻值都会受到压力变化影响发生该病^[1]。这种压阻元件主要以半导体材料为基础，选择组值与外界压力成正比的扩散电阻。

1.2呼吸检测系统原理

方舱医院使用了较高性能的呼吸监测系统，主要组成结构为压力传感器、流量传感器及单片机系统。该系统能耗少、价格低、效率高。系统的内部有一个微小的限流孔，呼吸气流流过时就会产生压力差，并将其向压力传感器传递，之后通过压力传感器测量并计算呼吸道中的气体流量^[2]。工作人员使用呼吸监护仪时需要将让病人呼吸道、流量传感器与呼吸机连接，两路呼吸气流呼吸一路很容易被各项仪器监测，通过压力传感器测量输出的压力，而后发送信号，在放大与滤波处理后信息转变为数字化状态，最后截至相关程序识别计算与波形特点，最后构成相应的曲线与客观参数。

2模拟电路

2.1放大电路设计

检测并传递信号是流量传感器的主要任务。流量传感器内部含有限流装置，可以对呼吸道内的气流压差与呼吸道内的微弱进行及时检测。后续借助该型号对滤波起到放大的作用，从而获得噪声低的呼吸生理信号。为了降低对模干扰，还需要做好阻抗匹配工作，此时可以采用放大器结构的系统采用仪。

仪用放大器组成结构为输出级与输入级，两个部分都是独立的结构，总输出失调电压=输入失调×效益+输出失调^[3]。虽然可以通过外部将初始失调电压调整为零，但是无法通过调整消除。和一般运放的失调电压有一定的相似之处，仪用放大器的失调电压漂移同样由输出与输入两个部分构成。无论哪一个部分都会影响总效益，但是提高效益时输入的部分的失调漂移还能成为主要的误差，因此可以忽略输出部分的影响。

差动放大器是仪用放大器的基础，在此基础上逐步发展从而构成了完善的放大器。通过分析已经成型的仪用放大器，其主要构成内容有精密电阻、三个运放，识别与计算人体呼吸信息、后端数字信号的过程中低声噪的放大低电平信号发挥相当重要的作用。该结构对称，功率高、性能高，在系统中发挥相当重要的促进作用，比如说具有良好的温度稳定性与抗干扰能力。

2.2滤波电路设计

目前，国内外常用的源滤波器容量低、价格高，缺乏成熟的大容量硅阀技术，还需要设计人员在设计的过程中选择滤波电路时以无源低滤波电路为主。控制其截止频率为 ，以此达到滤除各类高频干扰的目标，放大倍数A≈1。无源滤波工作原理为：将非线性用户设备产生的高次谐波进行滤除后对电压波形与电流起到改善作用，电能质量显著提高，降低电网与用户受到谐波源的影响。这不仅可以对用户无功电力进行补偿，而且可以提高设备的可靠性、安全性与稳定性。可以合理利用无源滤波其降低因谐波电流导致的无功或有功电能损耗，节约资源，合理利用了设备容量，提升了经济效益。具体来说，务工滤波的优势可以表现在几个方面，如滤波的范围较为较广、源滤波器结构简单、成本不高，运行可靠性强等，因此在谐波治理方面的应用相当广泛^[4]。

3电源电路

通过分析压力传感器的输出可知，其是电流驱动类型的模拟信号，本设计主要采用滞留稳压电源，其可以为负载提供稳定直流电源的电子装置起到促进作用。而这一电源中主要以交流电源为主，若交流供电电源的负载电阻或电源电压发生变化，此时可以控制稳定器直流输出电压处于稳定状态。随着电子设备的变化，直流稳定电压逐步变得稳定性、精度及可靠性，但无疑提高对供电电源的要求。

4系统检测过程

吸气期是呼吸系统检测前期，增加了气道内的气体压力，为流量传感器提供了第一个信号。其气体主要通过呼吸道或腔室流向肺泡，导致肺泡内气压高于大气压。呼吸的过程中呼吸机管道和外界大气连接，之后被动呼气，气体从高压向抵押流失，直至肺内气压与大气压相等^[5]。目前，简单结构风叶是市场上常见的钟表式容量计传感器的主要结构。呼气气流推动风叶后其被动转动，以风叶转速对每次通气量进行计算。这个系统中风叶是电子呼吸容量计的传感器，但是该仪器主要借助红外线对风叶转速进行探测，并在各类电子系统处理后将每分钟通气量与潮气量通过图形或数字显示，对患者身体情况与呼吸情况进行反馈。气体通过流量传感器之后给压力传感器转换生理信号，此时单片机系统可以对血氧饱和度A/D转换进模拟。在红外探测电子呼吸容量计后对气流流速、压差、潮气量等进行计算，通过液晶屏显示相关指标。

结束语

新型呼吸机监护系统的硬件部分构成为流量传感器、模拟传感器、压力传感器等。可通过该系统放大硬件完成时的滤波、信号、峰值压力与长期量等，实现实时检测呼吸力学参数的目标，为医护人员提供更多可以借鉴的数据。这一系统的应用可以强化医护人员监护患者的呼吸情况，及时了解患者动脉血气与肺呼吸功能，合理地选择治疗方案。这一系统的开发难度不高，成本低，可以大规模使用与生产，降低资金流入，改善了医疗条件。

参考文献：

1. 刘怡昕, 安晓峰, 王宇飞. 基于方舱医院大规模应急呼吸监护系统的设计[J]. 电子制作, 2021(24).

2. 杨佳锋, 童基均, 蒋路茸,等. 非入侵式睡眠呼吸监测系统的设计与实现[J]. 计算机工程与应用, 2022.

3. 冯鹏, 吴萌萌, 赵青,等. 呼吸康复对方舱医院新型冠状病毒肺炎患者心理健康状况的影响[J]. 中国康复医学杂志, 2021, 36(11).

4. 任宝凯, 程进, 邹小平,等. 应急自动复苏呼吸机装置设计[J]. 传感器世界, 2021, 27(1).

5. 王伟, 洪范宗, 苏秋玲,等. 呼吸机运行状态监控系统的设计[J]. 中国医疗设备, 2015, 30(3).