呼吸机开发&stm32_I

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呼吸机开发&stm32_I
呼吸机电路气路设计
与风机控制方案研究

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行员罹患阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（Obstructive Sleep Apnea Syndrome, OSAS）
会严重影响飞行操作能力，对航空安全造成威胁。呼吸机能够有效完成 OSAS 的监测、
预防与治疗任务。目前国内呼吸机，尤其是高端智能呼吸机的研发工作尚处于起步阶段。
本文基于呼吸机研发项目，为智能呼吸机的实现设计了一种控制电路与气路结构，并提
供了一种无位置传感器的风机控制方案。
以功能要求为导向，以功能模块为单位，综合安全性、电磁兼容性、散热性、可测
试性与成本等因素，设计了以 STM32F405 为核心的呼吸机控制电路。提出了包括参数
测量气路、医疗波纹管和面罩在内的完整气路设计方案。在参数测量模块，采用压差传
感器配合多孔节流装置代替一体式流量传感器对气路参数进行测量。通过有限元数值模
拟验证了参数测量气路设计的合理性并通过实验标定出压差与流量转换公式。该设计结
构简单，原理正确。针对呼吸机应用环境提出了风机的选型方案，采用基于 Luenberger
观测器的磁场定向控制伺服调速模型对选定风机进行控制研究，并通过 Simulink 仿真获
得了 PID 先验参数。在设计的电路中完成了风机控制程序的实现，采用开环启动方法实
现了电机无位置传感器自启动，克服了 Luenberger 观测器在低速环境下不可靠的缺陷。
实验结果表明，呼吸机控制电路电气连通性完好，电源设计合理，外设驱动成功，
能够长时间稳定工作；节流气路流量测量结果符合预期设计，能够满足测量精度；风机
控制方案具有压力调节速度快，稳定风压波动小的特点，能够满足风机控制的工程指标。

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展潜力。
目前，呼吸机市场基本被国外垄断，同时关键技术遭到封锁，导致市面上的主流呼
吸机价格十分昂贵。国内厂家对于呼吸机的研制工作尚处于起步阶段，特别是在治疗舒
适度、噪声水平、智能性等方面距离国外品牌具有一定的差距[
10]。
本课题依托于天津市某医疗企业设立的呼吸机研发项目，以期实现呼吸机的控制电
路、气路以及风机控制方案的设计，为智能无创便携式呼吸机的实现提供平台基础。

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呼吸机是一种辅助或代替人体换气的医疗设备，其思想最早起源于罗马帝国时期，
其发展主要经历了四个时期：萌芽期，此时的呼吸机使用使用人力为驱动与控制手段，
以典型的“风箱-导管”结构为主；探索期，此时呼吸机出现了很多的结构变革，例如
“铁肺”呼吸机[
11]，首次采用了无创式体外负压通气治疗，并且使用了电动马达与机械
传动系统，解放了人的双手，再如气动限压呼吸机[
12]，将控制的理念引入了呼吸机治疗；
发展期，随着自然科学的进步，正压呼吸机开始蓬勃发展，例如世界上第一台单变量闭
环控制呼吸机与第一台完全电控制呼吸机的诞生[
13]，标志着现代呼吸机精密控制的思想
登上历史舞台；现代发展时期，现代呼吸机呈现出一种轻便化、智能化和高效化的发展
态势，呼吸机的应用领域大大拓宽，不仅使用于临床医疗，在军事、家用保健、航空医
疗与应急救援等方面均有应用。

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中央处理模块用于调动呼吸机软硬件资源，处理交互数据，并对所有任务进行控制、
统筹与规划，是控制电路的核心模块，也决定了控制电路的整体控制性能。
电源模块主要对接入的外部电源进行滤波、稳压与电压转换，并且通过合理的设计
保障电路工作的安全与可持续性。电源模块设计的合理性是控制电路运行乃至持续工作
的基础。
人机交互模块是患者与呼吸机会话的接口，包括输入设备与输出设备，其设计原则
在于保障人机交互数据安全性与有效性的基础上，创造简便、快捷、清晰、智能的用户
体验。人机交互模块的设计是影响用户对商品选择的最直观的因素。
传感模块用于采集呼吸机气路参数，包括压力和流量。而压力和流量参数是呼吸机
通气控制算法的核心控制参数，因此传感模块元器件的选择与外围电路设计是影响呼吸
机通气质量的重要因素。
电机接口模块用于将中央处理模块给出的脉宽调制控制信号转化为电机定子磁势
信号，并采集电机运转过程中各相的电流量反馈给中央处理模块，完成电机的转子位置
观测与闭环控制。电机接口模块设计是控制电路设计的难点与重点，是影响呼吸机通气
质量的另一重要因素。
故障告警模块主要负责监控电路软硬件参数，不但能保护电路芯片，减少电路板维
护成本，而且是实现呼吸机通气治疗异常告警的必要载体，是呼吸机安全稳定工作的保
障。

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