CN1035245A - 呼吸机的微机控制器 - Google Patents

Abstract

呼吸机的微机控制器，包括吸气流量传感器、吸气阀、压力传感器、呼气流量传感器、呼气阀、PEEP阀、显示报警板、前面板和微机控制板，构成可以实现多种呼吸功能和监测功能的病人呼吸回路的流量、压力闭环自动控制***，且呼吸机的驱动回路的高压气体的控制与病人回路的低压气体控制相对独立。本发明用统一的硬件回路配以不同的软件程序功能块完成了控制***的定时、控制回路、监控三个分***的任务，体积小、结构简单、成本低廉、功能多、临床使用方便，安全可靠，便于维护。

Description

本发明属于将介质输入人体内的一种医疗器械的控制装置，特别涉及一种呼吸机的微机控制器。

世界上的呼吸机多种多样，典型的有美国的鸟牌呼吸机，但这种呼吸机由于不能适用于危重病人，操作调整也不方便，目前已很少使用;七十年代的电动电控呼吸机，美国和欧洲有许多呼吸机以及中国畅销的绍兴仪表厂生产的呼吸机，都属于这类产品，这类呼吸机结构虽然比较简单，但精度不高;1983年之后世界上已出现了微机控制的呼吸装置，例如美国专利US4，637，385、US4，726，366、英国专利GB2101895等，但这些呼吸机的被控对象-气路***的伺服机构差别很大，实现的控制方案也不同，且结构复杂、选价高;当前世界上畅销的气动、复杂电控多功能呼吸机，例如西门子900系列呼吸机，具有独立的高压驱动压缩机和复杂的控制***，气路***和控制***各有一个组合机箱，其中气路***比较简单，控制***却相当复杂，控制***的体积和成本均为气路***的两倍，控制***又分为定时、控制回路、监控三个分***，采用了许多模拟器件来实现，结构复杂、选价高、不易扩充功能。

本发明的目的是为了提供一种呼吸机的微机控制器，它使呼吸机的控制***结构更加简单、选价低、体积小、功能多，使用这种微机控制器的呼吸机操作自动化、性能价格比较高，便于扩充功能，移动灵活、使用方便，更加适合用户需求。

本发明的目的是以如下方案实现的：把吸气流量传感器、呼气流量传感器、压力传感器、吸气阀、呼气阀、PEEP阀都安装在呼吸机的呼吸气路***中，这些传感器件和伺服阀在气路中用金属管、硅橡胶件和塑料管相连接，吸气流量传感器插在吸气路中间，吸气阀与步进电机用机械传动装置相连接，压力传感器通过塑料管连接到吸气路上，呼气流量传感器、呼气阀、PEEP阀依次安装在呼气路中间，呼气阀与驱动呼气阀的电磁控制器用机械传动装置相连接，显示报警板固定在前面板上;微机控制板与吸气流量传感器、步进电机、压力传感器、呼气流量传感器、电磁控制器、前置放大器、显示报警板、前面板上的调节旋钮及显示器件和电源开关之间的电联接采用扁平电缆相连接，构成可以实现七种呼吸功能和监控功能的病人呼吸回路的流量、压力的闭环自动控制***，这样就做成了呼吸机的微机控制器，且呼吸机的驱动回路的高压气体的控制与病人呼吸回路的低压气体控制相对独立;微机控制板可以完成定时、控制回路和监控三个分***的任务，微机控制器所采用的微机控制板可采用8位或16位CPU芯片或单片机，内存为24K字节，七个并行接口，八个A/D输入接口，一个D/A输出接口;吸气阀采用步进电机驱动的剪刀阀，呼气阀采用电磁控制器驱动的剪刀阀;吸气流量传感器、压力传感器和呼气流量传感器采用高精度传感器，前面板上的调节旋钮供七个呼吸功能共用，取消了一般呼吸机专用容量和压力上下限报警调节旋钮，其功能由微机控制板根据容量或压力设定值乘以上下波动系数自动确定，微机控制器可以与呼吸机的气路***合装在同一个组合箱体中，组合箱体可以和空气压缩机分别放在带有轴轮框架的上下层上，组装成为一个一体化的整体。

本发明用统一的硬件电路、配以不同的软件程序功能块实现了控制***的定时、控制回路、监控三个分***的任务，加以微机数字化电路集成度高，硬件电路大为减少，固之体积大为减小，从而使呼吸机的微机控制器与呼吸机的气路***可以合装在同一个箱体中，结构简单、成本低廉，而且使呼吸机的功能及精度等技术指标均列世界前茅;呼吸机由于采用了这种微机控制器，提高了呼吸机的精度，因而减少了危重病人肺顺应性和气道阻力变化的影响;面板上取消了一般呼吸机专用报警上下限设定旋钮，以防由于误设定引起报警而误认为机器出故障，当发生压力上限报警时，能使机器自动关闭吸气阀、开呼气阀，以免过压伤肺对临床使用非常方便，安全可靠、便于维护。

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为呼吸机的微机控制器原理示意图

图2为呼吸机的微机控制器结构平面示意图

图3为前面板结构示意图

图4为微机控制板的硬件框图

图5为微机控制板的软件功能框图

在图1中，1为吸气流量传感器、2为吸气路、3为吸气阀、4为压力传感器、5为呼气流量传感器、6为呼气路、7为呼气阀、8为PEEP阀、9为步进电机、10为电磁控制器、11为前置放大器、12为微机控制板、13为显示报警板、14为前面板

在图2中，21为微机控制器与呼吸机的气路***的组合箱体、22为空氧混合器、23为氧浓度测量装置、24为需求和单向阀、25为细菌过滤器、26为贮气囊、27为安全闭、28为稳压电源

在图3中，30为设定值数码显示，31为频率、潮气和告警显示，32为告警指示灯，33为实测参数数码显示，34为三位实测值显示选择琴键开关，35为触发压力旋钮，36为气道压力旋钮，37为分钟通气量旋钮，38为空氧混合器调节旋钮，39为氧浓度显示，301为气道压力表，302为七位呼吸功能选择琴键开关，303为静音两分钟按钮，304为复位按键，305为电源开关，306为屏气时间旋钮，307为吸气时间旋钮，308为呼吸频率旋钮，309为三位设定值显示选择琴键开关

在图4中，40为CPU，41为控制逻辑，42为Eprom，43为RAM，44为D/A接口，45为A/D接口，46为显示锁存和驱动器，47为缓冲和锁存器，48为专用并行口和阀门驱动器，49为定时器

在图5中，50为初始化，51为采样和存贮，52为呼吸功能转换，53为控制模块，54为计时，55为计算和处理，56为显示，57为报警，58为自检

参照图1、图2和图3，把吸气流量传感器1、呼气流量传感器5、压力传感器4、吸气阀3、呼气阀7和PEEP阀8都安装在呼吸机的病人呼吸气路***中，这些传感器件和伺服阀在呼吸气路中用金属管、硅像胶件和塑料管相连接，吸气流量传感器1插在吸气路2中间，吸气阀3与步进电机9用机械传动装置相连接，压力传感器4通过塑料管连接到吸气路2上，呼气流量传感器5、呼气阀7、PEEP阀8依次安装在呼气路6中间，呼气阀7与驱动呼气阀7的电磁控制器10用机械传动装置相连接，在前面板14的上方固定显示报警板13（在显示报警板13上安装设定值数码显示30，呼吸频率、潮气量和告警显示31，告警指示灯32，实测参数码显示33）;在前面板14上还装有一个七位呼吸功能选择琴键开关302（IPPV、SIGH、SIMV（ (f)/2 ）、SIMV（ (f)/4 ）、MMV、CPAP、PSV）、两个三位选择互锁琴键开关（设定值显示选择琴键开关309、实测值显示选择琴键开关34）、六个设置呼吸参数的旋钮（呼吸频率旋钮308、吸气时间旋钮307、屏气时间旋钮306、分钟通气量旋钮37、气道压力旋钮36、触发压力旋钮35）、空氧混合器调节旋钮38、氧浓度显示39、气道压力表301、静音2分钟按钮303、复位按键304和电源开关305;前面板14上的调节旋钮供七个呼吸功能共用，取消了一般呼吸机专用容量和压力上下限报警调节旋钮，在客控状态下，容量限可根据客量设定值乘以上下波动系数，由微机控制板12自动确定，而压力限调节则用气道压力调节旋钮36代替;在压控状态下，压力限可由压力设定值乘以波动系数，由微机控制板12自动确定，而容量限调节则用分钟通气量调节旋钮37代替;吸气流量传感器1、压力传感器4和呼气流量传感器5采用高精度传感器;吸气阀3采用步进电机9驱动的剪刀阀，通过步进机9运动的方向、步数的变化来控制吸气阀3开和关张角的大小，从而控制通气量的大小;呼气阀7采用电磁控制器10驱动的剪刀阀，通过电磁控制器10有电无电来控制呼气阀7的开或关，以控制呼气;微机控制器所采用的微机控制板12可采用8位或16位的CPU芯片或单片机，如：Z80、8085、8088、8051或8098构成的微机***，内存为16K以上字节，七个以上并行接口，8至16个A/D输入接口，一个D/A输出接口;A/D输入接口输入的呼吸模拟量参数包括实测通气参数（压力、流量）、设定通气参数（每分钟通气量、气道压力、角发压力），设定定时参数（呼吸频率、吸气时间、屏气时间），数字输出接口输出吸气流复位、步进电机四相开关和电磁控制器开关信号，微机控制板12可以完成定时、控制回路和监控三个分***的任务，微机控制板12与吸气流量传感器1，步进电机9、压力传感器4、呼气流量传感器5、电磁控制器10、前置放大器11、显示报警板13、前面板14上的调节旋钮及显示器件和电源开关之间的电联接可采用扁平电缆相联接，构成可以实现IPPV间断正式呼吸、SIGH叹气、SIMV（ (f)/2 ）同步间断强制呼吸、SIMV（ (f)/4 ）同步间断强制呼吸、MMV强制每分钟通气、CPAP持续正压呼吸、PSV压力支持七种呼吸功能和监控功能的病人呼吸回路的流量、压力闭环自动控制***，这样，就做成了呼吸机的微机控制器;且使呼吸机的气体驱动回路的高压气体的控制与病人吸呼吸回路的低压气体控制相对独立，微机控制器与呼吸机的气路***可以合装在同一个组合箱体21中，组合箱体21可以和空气压缩机分别放在带有轴轮框架的上下层上，组装成为一个一体化的整体。

该微机控制器呼吸功能选择是由前面板14上的呼吸功能选择琴键开关302产生的选择开关信号经微机控制板12的数字接口输入给微机控制板12，指令微机控制板12输入执行相应的呼吸功能程序;呼吸功能的实现是由前面板14上呼吸参数设定调节旋钮将设定值经A/D接口输入给微机控制板12;压力传感器4、吸气流量传感1和呼气流量传感器5所测得实测参数也经A/D输入接口输入给微机控制板12，利用微机控制板12计算、实测参数和设定参数的比较，吸气流量传感器1和步进电机9曲线的修正和补偿、滤波等数字信号处理，由数字接口输出相应控制信号，控制吸气阀3和呼气阀7的张角，从而实时调整呼吸流量、实现容量或压力的闭环自动控制;为尽量简化微机控制器的硬件和软件，把呼吸模式分为机械通气（客控或压控），自主呼吸（CPAP或PSV）以及混合通气（SIMV、MMV）三种基本类型，对于混合通气尽量采用复用机械通气或自主呼吸的软硬件，在执行一些特别处理后即转入相应机械或自主呼吸模式的处理;在机械控制通气状态下，微机控制板12根据设定的呼吸时间参数控制吸气阀3和呼气阀7的开关时间;在自主呼吸状态下，微机控制板12根据实测压力和触发压力的比较来开启吸气阀3和关闭呼气阀7，根据实测压力与规定压力上限（CPAP模式）或实测流量与规定的流量下限（PSV模式）的比较来关闭吸气阀3和打开呼气阀7，从而控制呼吸时间;在辅助机械通气状态下，吸气的启动与自主呼吸相同，吸气停止则与控制机械呼吸相同。呼吸参数的显示是由微机控制板12将呼吸功能实现过程中测定的呼吸参数经显示报警板13的显示驱动电路输出给数码管显示，为节省数码管，将临床常用参数，如呼吸频率和潮气量用专用数码管显示，其它则通过前面板14显示选择开关，经数字接口输入给微机控制板12，选择相应参数显示之。报警信号处理是由微机控制板12将呼吸功能实现过程中测得的流量和压力实测值与报警上下限值比较;若超限，则输出相应报警信号，可由显示接口输出，用一位数码管显示不同数字来区分不同报警信号，也可由一般数字接口输出，由各自指示灯显示。该微机控制器的成本只用了同档产品的四分之一，经医院临床使用，非常方便，且还能抗高频手术刀的电磁干扰。

Claims (8)

1、一种包括吸气流量传感器1、吸气阀3、驱动吸气阀3的步进电机9、压力传感器4、呼气流量传感器5、呼气阀7、驱动呼气阀7的电磁控制器10、PEEP阀8、前置放大器11、显示报警板13、前面板14的呼吸机的微机控制器，其特征是所述控制器还包括能够完成定时、控制回路和监控三个分***任务的微机控制板12，构成可以实现七种呼吸功能和监控功能的病人呼吸回路的流量、压力的闭环自动控制***，且呼吸机的驱动回路的高压气体的控制与病人呼吸回路的低压气体控制相对独立；该微机控制器的感受流量和压力的传感器件和控制吸气、呼气流量的伺服阀都安装在呼吸机的呼吸气路***中，传感器件与伺服阀在气路中用金属管、硅橡胶件和塑料管相连接，吸气流量传感器1插在吸气路2中间，吸气阀3与步进电机9用机械传动装置相连接，压力传感器4通过塑料管连接到吸气路2上，呼气流量传感器5、呼气阀7、PEEP阀8依次装在呼气路6中间，呼气阀7与驱动呼气阀7的电磁控制器10用机械传动装置相连接，显示报警板13固定在前面板14上，微机控制板12与吸气流量传感器1、步进电机9、压力传感器4、呼气流量传感器5、电磁控制器10、前置放大器11、显示报警板13、前面板14上的调节旋钮及显示器件和电源开关之间的电联接可采用扁平电缆相联连。

2、如权利要求1所述的微机控制器，其特征是微机控制器所采用的微机控制板12可采用8位或16位CPU芯片或单片机，内存为16K以上字节，七个以上并行接口，8至16个A/D输入接口;一个D/A输出接口。

3、如权利要求1所述的微机控制器，其特征是所述的微机控制器与呼气机的气路***可以合装在同一个组合箱体21中，组合箱体21可以和空气压缩机分别放在带有轴轮框架的上下层上，组装成为一个一体化的整体。

4、如权利要求1所述的微机控制器，其特征是所述的前面板14上装有供七个呼吸功能共用的调整节旋钮，取消了一般呼吸机专用上下限报警调节旋钮，其功能由微机控制板12根据容量或压力设定值乘以上下波动***自动确定。

5、如权利要求1所述的微机控制器，其特征是呼吸功能选择是由前面板14上的呼吸功能选择琴键开关产生的选择开关信号经微机控制板12的数字接口输入给微机控制板12，指令微机控制板12输入执行相应的呼吸功能程序;呼吸功能的实现是由前面板14上呼吸参数设定调节旋钮将设定值经A/D输入接口输入给微机控制板12;压力传感器4、吸气流量传感器1和呼气流量传感器5所测得的实测参数也经微机控制板12的A/D输入接口输入给微机控制板12，经微机控制板12计算，实测参数和设定参数的比较，吸气流量传感器1和步进电机9的曲线的修正和补偿、滤波等数字信号处理，由微机控制板12的D/A输出数字接口输出相应控制信号，控制吸气阀3和呼气阀7的张角，从而实时调整呼吸流量、实现容量或压力的闭环自动控制，在机械控制通气状态下，微机控制板12根据设定的呼吸参数控制吸气阀3和呼气阀7的开关时间，在自主呼吸状态下，微机控制板12根据实测压力或流量参数控制吸气阀3和呼气阀7的开关时间，在辅助机械通气状态下，吸气启动与自主呼吸相同，吸气停止则与机械控制呼吸相同。

6、如权利要求1或5所述的微机控制器，其特征是该微机控制器把呼吸模式分为机械通气（客控或压控），自主呼吸（CPAP或PSV）以及混合通气（SIMV、MMV）三个基本类型，混合通气复用机械通气或自主呼吸的软硬件，在执行一些特殊处理之后即转入相应机械或自主呼吸模式。

7、如权利要求1或5所述的微机控制器，其特征是呼吸参数的显示是由微机控制板12将呼吸功能实现过程中测定的呼吸参数的显示报警板13的显示驱动电路输出给数码管显示，其它则通过前面板14的显示选择开关，经A/D输入数字接口输入给微机控制板12，选择相应参数显示之。

8、如权利要求1和5所述的微机控制器，其特征是报警信号处理是由微机控制板12将呼吸功能实现过程中测得的流量和压力实测值与报警上下限值比较，若超限，则输出相应报警信号，可由显示接口输出，用一位数码管显示不同数字来区分不同报警信号，也可由一般数字接口输出，由各自指示灯显示。

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