孫 煥 許新建 湯棟生

呼吸機做為常見的急救醫(yī)療設備，在改善和替代患者外呼吸、降低呼吸做功上具有重要作用，被廣泛用于患者呼吸功能不全、呼吸衰竭、呼吸肌肉和神經(jīng)等不可逆損壞的替代治療過程中[1]。呼吸機采用的氧源通常為制氧機或者是液氧，患者在治療過程中，根據(jù)其實際情況設定相應的氧濃度，而呼吸機的氧濃度設置一般取決于患者的動脈氧分壓的目標水平和血流動力學狀態(tài)，患者在吸入氧濃度的選擇上，不但須考慮高濃度的肺損傷作用，還應考慮氣道和肺泡壓力過高對肺的損傷作用[2]。因此，呼吸機的氧濃度不準確存在著嚴重的安全隱患。目前，呼吸機對于氧濃度的監(jiān)測多采用氧傳感器(氧電池)進行各自監(jiān)測，當病房有數(shù)十臺呼吸機同時使用時，由于呼吸機距護士站較遠，不能時刻關注到每一臺呼吸機的氧濃度情況，當呼吸機發(fā)生氧濃度異常時，有時不能及時調(diào)整參數(shù)或者治療方案，使患者治療存在安全隱患[3]?；诖?，本研究設計一種呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)，對各臨床科室不同品牌、不同型號的所有呼吸機，只需在每臺呼吸機上安裝氧濃度采集模塊和無線發(fā)射模塊，在護士站的中央監(jiān)測軟件上，即可實現(xiàn)所有呼吸機的氧濃度監(jiān)測，并可記錄每位患者在治療中設定的所有階段氧濃度參數(shù)，便于醫(yī)務人員關注患者病情，為其他治療方案提供參考依據(jù)[4]。本系統(tǒng)已獲兩項國家實用新型專利。

1 呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)設計

呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括氧濃度監(jiān)測模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊以及采集模塊等；軟件系統(tǒng)包括氧濃度采集子程序、無線傳輸子程序、顯示子程序以及報警子程序等。每臺呼吸機可以鑲嵌一個氧濃度監(jiān)測模塊，再將所有氧濃度監(jiān)測模塊采集的氧濃度集中顯示在中央監(jiān)測軟件上，其系統(tǒng)結構如圖1所示[5]。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

1.1.1 氧濃度采集模塊

氧濃度采集模塊采用AT89C51主控制芯片，是一款低電壓、高性能CMOS的8位微處理器，4 k字節(jié) Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部隨機存儲器(random access memory，RAM)，32個I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結構，1個全雙工串行通訊口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，AT89C51芯片可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式[6]。空閑方式停止中央處理器(central processing unit，CPU)的工作，但允許RAM定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的內(nèi)容等，其電路部分包括電源模塊、晶振電路模塊、復位電路模塊、氧濃度采集模塊、液晶顯示(liquid crystal display，LCD)顯示模塊、無線傳輸模塊(如圖2所示)。

(1)主控制電路。本系統(tǒng)采用的主芯片為AT89C51，其供電電壓為3.3 V，其XTAL1腳和XTAL2腳連接電容C1、電容C2，并在電容C1、電容C2并聯(lián)Y1晶振，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的晶振電路[7](如圖3所示)。

圖3 主控制電路圖

(2)氧濃度采集電路。系統(tǒng)氧濃度監(jiān)測采用KE-25傳感器，其不受外界CO2、CO、H2S、NOX等氣體影響，而且信號輸出穩(wěn)定，無需外部電源，不需要加熱等優(yōu)點。氧濃度監(jiān)測傳感器的檢測范圍為0～100%，精度為±1%，工作溫度為5 ℃～40 ℃，響應時間為(14±2)s，壽命可達5年[8](如圖4所示)。

圖4 氧濃度采集模塊電路圖

圖1 中央氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖

圖2 控制電路系統(tǒng)框圖

圖4顯示，氧氣傳感器將呼吸機內(nèi)的氧濃度轉換為微弱的電壓信號，通過運放放大芯片SGM8551將采集的電壓信號進行放大，再到主控制芯片AT89S51的P1.7腳，最后把采集的電壓信號進行數(shù)模轉換成氧濃度顯示在LCD顯示模塊上。運放放大芯片SGM8551的+INA腳和-VS腳連接氧氣傳感器，其通過匹配電阻R1、R2后，通過輸出端OUTA腳輸出放大電壓信號[9]。

1.1.2 無線傳輸電路

系統(tǒng)采用的無線傳輸模塊為NRF24L01，該無線模塊支持2.4 GHz的ISM頻段，最高傳輸速率2 Mbps；功耗低，等待模式時電流消耗僅22 μA；傳輸距離可達25 m，可以滿足呼吸機氧濃度的遠程監(jiān)測。在傳輸采集氧濃度數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由串行外圍設備接口(serial peripheral interface，SPI)寫入NRF24L01緩沖區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10 μs，延時130 μs后發(fā)射數(shù)據(jù)，若自動應答開啟，那么中央顯示系統(tǒng)的NRF24L01立即進入接收模式，接收答應信號，則通訊成功[10](如圖5所示)。

圖5 無線傳輸電路圖

圖5顯示，該無線傳輸模塊采用+5 V供電，其工作模式選擇CE腳連接主芯片的P1.0腳、芯片的片選信號CSN腳連接P1.1腳、SCK腳連接P1.2腳、MOSI連接P1.3腳、MISO連接P1.4腳、IRQ連接P3.2腳。

1.1.3 顯示電路

系統(tǒng)的氧濃度采集模塊將采集到的氧濃度不僅可以直接顯示在LCD上，還可以通過無線傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測系統(tǒng)上。系統(tǒng)采用的液晶顯示為TH839S，工作電壓為3 V，其液晶模塊的接口跟AT89C51的P0.0～P0.7、P2.0～P2.5腳進行數(shù)據(jù)通信。整個顯示模塊可以時時顯示采集到的氧濃度值，當采集到的氧濃度值大于報警值時，氧濃度值會出現(xiàn)閃爍狀態(tài)，提示醫(yī)務人員氧濃度異常。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，顯示模塊也會顯示錯誤代碼等信息[11](如圖6所示)。

圖6 液晶顯示模塊電路圖

1.2 系統(tǒng)軟件設計

氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)開機會首先進行系統(tǒng)的初始化，LCD全亮2 s，并讀取存儲在EEPROM中的氧濃度校正參數(shù)進行校準。進入系統(tǒng)后，會自動進行按鍵掃描，接著可以設置氧濃度報警限值，當檢測到的氧濃度異常時，會進入報警程序，提示醫(yī)務人員呼吸機氧濃度異常[12]。本系統(tǒng)具有無線傳輸功能，可以根據(jù)醫(yī)務人員的需求開啟無線傳輸功能。當病房多臺呼吸機都安裝氧濃度監(jiān)測模塊時，可以同時開啟無線傳輸功能，將每臺呼吸機監(jiān)測的氧濃度都傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測系統(tǒng)上，便于醫(yī)務人員集中觀察多位患者的氧濃度情況(如圖7所示)。

圖7 氧濃度監(jiān)測模塊主程序流程圖

2 呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)臨床應用

2.1 氧濃度監(jiān)測模塊與測試

圖8 氧濃度監(jiān)測模塊連接圖

表1 氧濃度監(jiān)測模塊氧濃度與呼吸機監(jiān)測對比

(1)氧濃度監(jiān)測模塊的連接。系統(tǒng)可以根據(jù)醫(yī)務人員的要求，同時監(jiān)測多臺呼吸機的氧濃度，醫(yī)務人員在值班過程中，只需觀看安裝在護士站的中央監(jiān)測系統(tǒng)，就可以查看所有呼吸機的氧濃度一段時間內(nèi)氧濃度波動曲線，更加確切的了解患者在治療過程中的吸氧情況。系統(tǒng)的氧濃度監(jiān)測模塊只需將氧氣傳感器連接在呼吸機集水杯放入氧濃度傳感器接口上，再把整個模塊放置呼吸機側邊，即完成氧濃度監(jiān)測模塊的安裝(如圖8所示)。

(2)氧濃度監(jiān)測模塊系統(tǒng)指示。監(jiān)測界面不僅可以顯示當前的氧濃度，還可以顯示最近一日最大的氧濃度示值和最小的氧濃度示值，并且可以顯示當前的電量(如圖9所示)。

圖9 氧濃度監(jiān)測模塊系統(tǒng)指示界面圖

2.2 氧濃度監(jiān)測模塊與呼吸機監(jiān)測對比

安裝好氧濃度監(jiān)測模塊后，打開監(jiān)測模塊進行氧濃度監(jiān)測，通過呼吸機設定氧濃度分別為21%、40%、60%和80%的4個氧濃度點進行監(jiān)測，每個測試點測試3個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)測試30 min，通過對呼吸機自身的氧濃度監(jiān)測和無線氧濃度監(jiān)測模塊的對比， 呼吸機氧濃度檢測值與無線氧濃度監(jiān)測模塊在低濃度時誤差較小，在氧濃度監(jiān)測模塊較高時誤差較大，但是其重復性較好，數(shù)據(jù)準確性也比較穩(wěn)定，氧濃度監(jiān)測模塊值與呼吸機氧濃度檢測值相比，最大誤差只為±3%[13](見表1)。

3 結論

呼吸機氧濃度監(jiān)測對于患者安全用氧具有重大意義[14]。呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)針對傳統(tǒng)的每臺呼吸機只有各自的氧濃度監(jiān)測情況，設計呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)，將臨床所有呼吸機的氧濃度監(jiān)測集中到中央監(jiān)測系統(tǒng)上，不僅便于醫(yī)務人員集中關注所有呼吸機的氧濃度情況，還可以記錄每臺呼吸機氧濃度監(jiān)測的波動曲線。整個呼吸機氧濃度中央監(jiān)測系統(tǒng)使用簡單、穩(wěn)定性高且監(jiān)測精度準確，對于時時關注患者呼吸過程中氧濃度具有較大的意義[15]。同時，對于呼吸機的其他參數(shù)的中央監(jiān)測，如潮氣量、吸呼比和呼氣末正壓等參數(shù)，有待于下一步研究和增加監(jiān)測內(nèi)容。