張振，姚文欣，張明強(qiáng)，劉昊銘，何謙

（湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，長沙 410081）

0 引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，集中供氧的方式已在全國醫(yī)院普及。目前，傳統(tǒng)形式的醫(yī)用浮標(biāo)式氧氣吸入器被廣泛地應(yīng)用于臨床。醫(yī)護(hù)人員需要根據(jù)醫(yī)囑通過旋轉(zhuǎn)旋鈕設(shè)置供氧濃度，并按時(shí)作出調(diào)整，記錄患者吸氧的起止時(shí)間。這大大增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量，并且醫(yī)護(hù)人員由于工作繁忙常常會忘記患者的供氧進(jìn)度，沒有及時(shí)調(diào)控。

目前，改進(jìn)型氧氣吸入器主要有超聲波氧氣流量傳感計(jì)費(fèi)器、光電控制智能化吸氧計(jì)時(shí)器等。超聲波氧氣流量傳感計(jì)費(fèi)器通過超聲波氧氣流量傳感器進(jìn)行檢測，自動(dòng)感知氧氣流量并計(jì)時(shí)，同時(shí)借助液晶顯示屏顯示氧氣流量和吸氧時(shí)間[1]。光電控制智能化吸氧計(jì)時(shí)器利用光電技術(shù)探測氧氣流量計(jì)浮標(biāo)的位置，可累加計(jì)時(shí)，操作簡便，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確[2]。但是這些新型氧氣吸入器只是記錄了供氧信息，并未實(shí)現(xiàn)對氧氣吸入器的自動(dòng)控制[3-5]。為了解決上述問題，在傳統(tǒng)的墻式氧氣吸入器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種能夠通過人機(jī)交互自動(dòng)完成供氧過程的可控式墻式氧氣吸入器。

1 可控式墻式氧氣吸入器的控制和性能指標(biāo)

可控式墻式氧氣吸入器利用單片機(jī)的軟件控制功能，采用LCD液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)信息，利用矩陣按鍵作為數(shù)據(jù)輸入模塊建立起外界與單片機(jī)內(nèi)部的聯(lián)系，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板作為控制信號輸出模塊，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。該裝置能夠人為設(shè)定供氧濃度與供氧時(shí)長、實(shí)時(shí)顯示供氧狀態(tài)并在結(jié)束時(shí)自動(dòng)響鈴。操作簡單，計(jì)量精確，能減少醫(yī)護(hù)人員工作量，改善治療效果。其性能指標(biāo)為：輸入電壓為5.5～3.3 V、LCD顯示、氧氣流量為0～10 L/min、結(jié)束響鈴提醒、工作溫度范圍為-40～85℃，相對濕度<90%RH。

2 開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，可控式墻式氧氣吸入器是對現(xiàn)有的墻式氧氣吸入器進(jìn)行改進(jìn)，由墻式氧氣吸入器、聯(lián)軸器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、控制部分、殼體組成。將墻式氧氣吸入器的旋鈕取下，把露出的芯軸通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主軸連接，通過控制單元控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對供氧濃度和供氧時(shí)長的自動(dòng)控制。

圖1 可控式墻式氧氣吸入器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

墻式氧氣吸入器用于將供氧口處的氧氣輸送給病人。聯(lián)軸器將墻式氧氣吸入器中流量調(diào)節(jié)閥的芯軸與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主軸連接。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)利用脈沖信號通過聯(lián)軸器控制流量調(diào)節(jié)閥門開口大小，進(jìn)而控制供氧濃度。殼體用于固定和支撐裝置各個(gè)部件，保護(hù)內(nèi)部電動(dòng)機(jī)和控制單元不被損壞。

1）墻式氧氣吸入器。現(xiàn)有的墻式氧氣吸入器包括閥體、流量計(jì)、進(jìn)氣口、出氣口、流量調(diào)節(jié)閥、安全閥等。供氧流量和濃度通過醫(yī)護(hù)人員扭動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)閥口大小實(shí)現(xiàn)。先將墻式氧氣吸入器的旋鈕取下，把露出的芯軸通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主軸連接。

2）殼體。殼體分為后支撐殼體和前蓋兩部分，后支撐殼體中間的圓孔與調(diào)節(jié)閥螺母外螺紋處契合，同時(shí)靠近吸入器的一面向外延伸出與閥體直徑相同的弧線形狀的兩邊支撐腳與閥體外側(cè)貼合，且圓孔直徑在軸線方向上呈階梯式，在階梯交界處形成圓環(huán)面抵在螺母頭部，此結(jié)構(gòu)能夠讓殼體固定在裝置上而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)和脫落，前蓋為無蓋的長方體形狀的薄壁件，并在前面開有2個(gè)矩形通孔，以便于安置按鍵外套和顯示屏。

3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用28BYJ-48四相五線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力強(qiáng)、體型小巧、質(zhì)量較輕，并且直徑與氧氣吸入器流量調(diào)節(jié)閥的軸直徑大小相同，可以用統(tǒng)一直徑的彈性聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)結(jié)，該聯(lián)軸器同樣較為輕巧，并且能夠傳遞較大轉(zhuǎn)矩。

2.2 控制系統(tǒng)

控制單元，包括單片機(jī)模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板、LCD液晶顯示屏、按鍵等?？刂茊卧邮諒陌存I傳來的輸入信號，運(yùn)行程序輸出相應(yīng)的控制信號，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度。如圖2所示，主控電路主要包括單片機(jī)電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、蜂鳴器電路和顯示電路。

圖2 電路圖

1）單片機(jī)模塊。單片機(jī)模塊選用89C52單片機(jī)，其存儲空間和數(shù)據(jù)處理速度足夠，并且編程簡單方便、體積小巧靈活。單片機(jī)作為主控電路的核心，接收按鍵的輸入信號并利用程序進(jìn)行計(jì)算處理，將得到的輸出數(shù)據(jù)利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板對外控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)模塊選用ULN2003驅(qū)動(dòng)板，其具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)單片機(jī)的輸出信號向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)射一定量的脈沖信號，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。

3）液晶顯示模塊。LCD液晶顯示屏選用LCD12864液晶顯示屏，因?yàn)樗妷旱?、功耗低、價(jià)格低，適合本裝置使用。顯示屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)設(shè)定信息與供氧狀態(tài)信息，方便醫(yī)護(hù)人員設(shè)定供氧數(shù)據(jù)、觀察供氧情況和隨時(shí)作出調(diào)整。

4）按鍵模塊。按鍵選用4×4矩陣按鍵，穩(wěn)定性高，靈敏精確。按鍵作為建立外界與內(nèi)部之間聯(lián)系的模塊，選用3個(gè)按鍵作為LCD上時(shí)常顯示的功能按鍵，選用10個(gè)按鍵作為代表0～9共10個(gè)數(shù)字輸入的數(shù)字按鍵。

3 軟件設(shè)計(jì)

調(diào)查顯示，對于普通病人的供氧，一般供給固定的低濃度氧氣；而對于血氧濃度低于90%的病人則需要先供給較高濃度的氧氣一段時(shí)間后再供給低濃度的氧氣。所以，本裝置設(shè)有單時(shí)段供氧與雙時(shí)段供氧2種供氧模式。

圖3所示為本裝置工作程序圖，主程序包括按鍵讀取程序、液晶顯示程序、電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)程序、定時(shí)中斷程序等。

圖3 控制流程圖

具體操作方法和工作狀態(tài)介紹如下：裝置通電后自動(dòng)開機(jī)，選擇“單時(shí)段”或“多時(shí)段”的供氧模式，設(shè)置好每個(gè)時(shí)段供氧濃度與時(shí)長后，按下“開始”按鍵，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過設(shè)定濃度對應(yīng)角度調(diào)節(jié)閥門開口大小，進(jìn)行自動(dòng)供氧，在完成供氧后屏幕顯示“供氧完畢”狀態(tài)，同時(shí)蜂鳴器響鈴提示供氧完成，此時(shí)按下任意鍵返回首界面。

在設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，可隨時(shí)返回首界面或清除當(dāng)前設(shè)定數(shù)據(jù)；在供氧時(shí)，可隨時(shí)停止或重新開始供氧。由于在實(shí)際應(yīng)用中流量與時(shí)間精度要求并不高，一般為整數(shù)，所以本裝置所設(shè)計(jì)的輸入數(shù)據(jù)單位精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4 輸入輸出關(guān)系計(jì)算

由于本裝置是通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供氧過程的，所以需要求出醫(yī)護(hù)人員的手動(dòng)輸入量與吸入器自動(dòng)輸出量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即顯示屏輸入的供氧濃度與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度的關(guān)系。

如圖4所示，已知調(diào)節(jié)閥芯軸端部為一個(gè)大端直徑為2 mm、錐度為∠1∶15的細(xì)長圓臺，芯軸通過螺距p=0.5 mm的螺紋連接與固定在閥體上的螺母配合，通過旋轉(zhuǎn)芯軸利用螺紋配合將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)芯軸圓臺部分在閥體內(nèi)一直徑為2 mm、長度為6 mm的圓柱形孔內(nèi)來回移動(dòng)控制圓臺面與圓柱形孔面相互配合在軸線方向上投影形成的圓環(huán)面積，即控制開口面積。

圖4 調(diào)節(jié)閥螺母、芯軸與閥體配合截面示意圖

當(dāng)芯軸通過旋轉(zhuǎn)在軸線方向上移動(dòng)了一段距離時(shí)，圓環(huán)面積計(jì)算式為：

式中：A為軸線方向上投影形成的圓環(huán)面積，mm2；Δx為圓臺底面與圓柱形孔端面之間的距離，mm；n為芯軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；p為芯軸與螺母配合螺紋的螺距，取p=0.5 mm；θ為芯軸轉(zhuǎn)過的角度，rad。

將式（2）、式（3）代入式（1）得

式中：P1為吸入器輸入氣體壓強(qiáng)；v1為輸入氣體流速；P2為輸出氣體壓強(qiáng)；v2為輸出氣體流速；ρ為氣體密度；g為重力加速度；h為氣體與水平地面高度。

將式（5）整理得

其中：接于病房中心供氧終端使用的墻式吸入器的輸入端的工作壓力P1=0.4 MPa；輸出端工作壓力范圍為0.20～0.30 MPa，取P2=0.3 MPa；v1可由儀器測得；ρ可通過查閱相關(guān)資料[6]得到。

對于最常用的雙孔型鼻氧管，病人所需氧氣濃度的計(jì)算公式為：

根據(jù)式（4）、式（6）、式（9）與四相五線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性質(zhì)可得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需脈沖數(shù)與供氧濃度之間的關(guān)系。在編寫程序時(shí)根據(jù)上述關(guān)系建立以供氧濃度為自變量、脈沖數(shù)為因變量的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)供氧濃度的精確控制。

5 結(jié)論

氧氣對于患者的臨床醫(yī)療發(fā)揮著重要的作用。能否在治療過程中精確穩(wěn)定地供氧、對供氧狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對治療效果有著重要意義。該裝置具有如下特點(diǎn)：1）通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段、不同濃度的全自動(dòng)供氧，操作方便，減輕醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)量；2）能夠提供最常用的雙孔型鼻氧管供氧服務(wù)，涵蓋了大部分的吸氧患者，普適性好，易于推廣；3）在原有基礎(chǔ)上增設(shè)控制模塊，拆裝方便，結(jié)構(gòu)原件、電子器件簡單。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，認(rèn)為本裝置設(shè)計(jì)合理、計(jì)量準(zhǔn)確、操作簡單、成本低，將會在臨床應(yīng)用中有很好的發(fā)展。