基于MC9S08QG4的便携式自动呼吸控制系统的设计

概述

所有的组织都通过血管来供氧，以帮助组织生长和修补组织损伤。通常身体依靠红细胞中血红蛋白的化学特性，通过自身调节在细胞外液体中保持一定的氧气浓度。

然而，对多数外科手术而言，医生们必须使用一定量的麻醉剂，这会抑制肌力，使病人呼吸减弱。当手术过程中血液流失时，会使病人供氧不足，从而导致体内缺乏足够的氧气。这时就必须使用麻醉呼吸机和测量血液中氧气饱和度的仪器（脉动血氧定量计）来调节麻醉剂和氧气的混合比例。

传统的机械式呼吸设备将一个外部设备直接连接到病人，通过人工方式进呼吸气体的交换。机械呼吸设备被用来维持足够的气体交换，尤其是在呼吸频率减小并且心肌能力减弱的时候，它可被用来在呼吸机能减弱的时候获得足够的肺扩张，同时使麻醉镇静剂和肌肉放松类药物正确结合，以稳定胸壁。

呼吸机可以分为五类，这取决于吸入气体的过程是如何被终止的。压力周期呼吸设备：当设定的压力达到时，中止吸入气体；体积周期呼吸设备：当设定的体积达到时，中止吸入气体；时间周期呼吸设备：吸气和呼气被程序化，类似于气焊助焊剂的工作方式；溢流周期呼吸设备：当吸入的溢流低于一个预定水平时，中止吸入气体；混合呼吸设备：结合了其它设备的特性，被最广泛使用。

内科医生能够设置血氧容量的限制，当血氧饱和度过低时，呼吸设备可以从手动模式转换到自动模式，帮助病人获得足够的血氧饱和度。当血氧达到正常水平时，系统就退出自动模式。

如何为儿科病人选择合适的呼吸设备

新生儿具有较高的新陈代谢水平，这使氧气消耗增加（5-8ml/kg）。体重少于1600 克、怀孕周期小于37 周的早产儿患有视网膜发育不全的风险很高，这是由高压氧气传送导致的氧气中毒和肺部发育不良所引起的。自动呼吸系统在这些病例中起着至关重要的作用，它保证了新生儿不会接收100%氧气浓度的空气。

在新生儿中，压力限制的持续溢流设备和时间周期呼吸设备使充分的自主呼吸不受任何限制。在学龄儿童和年龄大于12岁的儿童中，脉搏-溢流呼吸设备被用来控制体积和压力。新一代的体积呼吸设备使溢流体积达到20ml，结合传感器的作用，呼吸设备能够周期性地工作。医生可在2~3千克的婴儿中使用这一设备。

电路

电路是机械呼吸设备和病人之间的接口。它有三种类型：新生儿型（11mm直径），儿童型（15 mm直径）和成人型（22 mm直径）。一些电路配备可以伺服控制温度湿度的电热丝，虽然比较昂贵，但可使儿科病人获得更舒适的湿度和温度。这些设备轻便、灵活，具有安全连接的吸收阻抗和最小的溢流阻抗，标准尺寸为15–22mm。

系统如何工作

自动呼吸系统根据血氧水平反馈来为婴儿提供安全可控的呼吸设备。主要性能包括：

接收和处理血氧计发出的动脉血氧饱和度数据的能力；

便携性，可用于偏远地区；

在血氧计和MCU之间通过串型接口（SCI）通讯的能力；

能根据设置的呼吸频率和压力的参数提供精确设备控制的步进电机。

通过MCU可以实现自动化呼吸控制系统，重要的数据可以被处理并贮存，以确保特定身高和体重病人的合适的呼吸量。程序只需改变患者的参数，而无需更改系统其他方面的参数。图1说明了自动呼吸控制的实现。

图1 自动呼吸控制系统示意图

选择合适的MCU

有很多MCU可以满足这个系统的要求。飞思卡尔的 MC9S08QG4 （S08QG）设备既可以满足系统所需的特性，同时在价格上也有优势。MC9S08QG4特性见图2。该处理器将飞思卡尔S08核的优势延伸到了低引脚数、小封装的领域。S08QG设备是低功耗产品，可以在低至1.8 V 的供电电压时对片上闪存进行擦写操作，它具有所有S08 MCU 的标准特性，包括等待模式和多种停止模式，以及模拟外设能力、串行通讯能力、片上温度传感器和较多的内存选项。

图2 MC9S08QG8/4特性

系统的功能描述

脉搏测氧法是一种非介入技术，它使用光波来测量病人血液中氧气的饱和度。这一过程采用了一种叫做脉搏血氧定量计的设备，这是一种可携带的、低成本的设备，它包括一个Spo2传感器和可通讯DB-9接头。在Spo2 Y 型传感器一端有两个发光二极管（LED），在另一端有一个光探测器。这个传感器通常被连接在指尖，这样光就能完全穿过组织到达光探测计。

从LED发出的光线有两种波长传播：660nm （红光）和 915nm（红外光），它们分别对应氧血红蛋白和总血红蛋白。探测计捕捉到从LED发出的光，脉搏血氧定量计处理红光和红外光之间吸收率的差异。测量仪内的MCU能测出动脉脉搏读数并计算出氧气饱和度。

从脉搏血氧计读出的Spo2值能通过连接到S08QG的串行接口（SCI）被传递到自动呼吸系统，该系统使用了标准的串行协议，它由一种商业化血氧计的规格所定义。从脉搏血氧计出来的数据通过SCI接口被连续传送到呼吸系统。

数据由S08QG处理，根据处理的结果通过控制步进电机来控制氧气呼吸设备的运转。

针对不同种类步进电机的控制软件是基于不同频率或压力流来进行控制的：

不同频率从时间脉冲中获得信息来控制希望的步数；

压力流控制意味着电机能进行复杂的运转步，具有大力矩的运转步（双步），改变方向和不改变位置的运转步（抑制步）。

图3展示了一个简单的方法，通过S08QG来实现步进电机控制。

图3 通过S08QG实现步进电机控制

步进电机的一个显著特性是最大电流损耗为20mA。电机提供的力矩并不大，最大静态力矩是4mNm，最大动态力矩是1.3 mNm。但是它的力量足够运转标准化的计量器。S08QG MCU的驱动电流达到25mA，所以很适合这种应用。电机被直接连接到MCU的端口A 或端口B，基于先前的条件，只需要很小的外接电路（见图1）。系统需要VCC，GND和电机控制信号，不需要附加外部的电子元件。

氧气呼吸设备有三个简单的控制手柄，他们控制吸入的气流和每分钟的呼吸次数。一个手柄根据病人的身材和体重控制适当的呼吸，第二个手柄控制每分钟所需要的呼吸次数，第三个手柄控制氧气流的压力。在这个特殊的系统设计中，第二和第三个手柄是由步进电机自动控制的。

软件程序根据由脉搏血氧计通过SCI接口传来的氧气饱和度计算步进电机的运动。氧气饱和度数字为医生提供了必要的信息来进行一系列比较，从而得出安全的范围，如表1所述。频率规定了每秒钟的电机步数，这决定了电机旋转有多快。电机的物理限制决定了它们的运行频率。一些电机因为应用于特殊用途，在10Hz 到 500Hz 之间运行，而另外一些能够在千赫兹的范围内运行。对于这个系统而言，最大频率是 100Hz，但为了在手术中更容易被医生使用，它被设定为 50Hz。

表1 氧气饱和度安全范围

结论

自动化呼吸控制系统是一个低成本的对人工呼吸控制的可选方案，它以最小的人为干预为婴儿和手术中的其他病人提供了可靠的呼吸机制。这个概念很简单：脉搏血氧计依靠SCI串行接口提供氧气饱和度数据，系统完成其余的所有工作。它使医生能集中精力于病人的护理上，可被用于通用外科手术、儿科和新生儿护理，甚至兽医门诊。