呼吸机开发&stm32_IV

只看该作者 · 2018-10-11 12:34

呼吸机作为各大医院必备的医疗器械之一，在临床急救和辅助治疗中发挥着极其重要
的作用。我国对呼吸机的需求量是相当大的，但由于国内呼吸机产品在研发实力和产品稳
定性上与国外差距甚大，以致目前各大医院所用的中高档呼吸机中绝大部分都用的进口产
品。深入研究呼吸机嵌入系统式开发及对呼吸机系统外围各检测及控制模块的设计，对提
高国内呼吸机产品的技术水平和市场竞争力，具有十分重要的理论和现实意义。
本设计基于 S TM32F 107系列的ARM芯片以及uCOSII嵌入式操作系统进行开发，保
证了系统的实时性和稳定性，同时，对呼吸机外围的检测模块(气压传感器，压差式流量
传感器，氧浓度传感器)、控制模块(电子PEEP电路，比例阀控制电路，电源切换电路)、
声光报警电路进行了设计和优化，保证了系统的精确性和可靠性，最后，基于640*320彩
色液晶触摸屏设计了良好的人际交互界面(GUI)以及几种常用智能呼吸控制模式，提高
了系统的操作性和智能性。
通过搭建原型机系统进行测试，结果表明该系统工作可靠，稳定性好，参数测量精确，
人机交互界面优良，满足呼吸机应用的各类需求和指标，此外对该系统的进一步优化和完
善提出了建议。

只看该作者 · 2018-10-11 12:34

呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功
能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的重要医疗设备，在急救和抢救中扮演着重要
角色。
随着机械技术以及电子技术的迅速发展，呼吸机产品的功能和性能口益完善，同时，
随着国内医疗标准及人民医疗健康水平的不断提升，医院及家庭对于呼吸机的数量和质
量上的需求也得到了迅速的增长。

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1.1.3现代呼吸机发展简史
现代呼吸机的发展可追溯至1915年，随后便有越来越多的呼吸机相继面世，服务
于医疗和军事行业，其发展主要经历了以下几个阶段:
1、机械控制阶段
19世纪末20世纪初，由于人工气道技术的完善和喉镜直视下气管插管方法的建立，
正压通气方法在外科和麻醉学科领域得到较为迅猛的发展。之后的一段时期内，气控-
气动压力限制型呼吸机一度成为正压通气机的主流形式。但由于这些早期的呼吸机采用
的是活塞、风箱等气控、气动机械性技术，灵敏性不高，监测功能不完善。
2、电子控制阶段
到19世纪60至70年代，随着物理学的发展，电子技术被引进到呼吸机的设计中，
通过电子设备控制的呼吸机开始兴起，灵敏性以及监测报警功能上相比于气动机械式呼
吸机有了长足的进步，同时也使呼吸机的报警和监测功能得以实现，对临床实践的帮主
有了大幅度提升。此外，一些新的机械通气观念和技术也得以发展和应用。
3、微处理器控制阶段
二十世纪80年代起，随着微型计算机技术的迅猛发展，呼吸机的发展也进入了一
个新的时代。采用微处理器控制的新一代呼吸机具备了很多以往不可能实现的智能化和
人性化功能，进入90年代，呼吸机的不断向智能化发展，功能越加齐全，性能越加先
进。
总结起来，呼吸机的发展概括起来是从机械控制到电气控制再到微处理器控制的过
程，也是从简单到复杂，从功能单一到功能全面的过程，而且发展的速度和广度也越来
越快。

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1.1.4呼吸机国内外发展现状
我国呼吸机的研制起步较晚，直到20世纪末，国产呼吸机产品的开发力度才有所加
大，质量得到了显著提升。但直到目前而言，国产呼吸机主要还处于借鉴和模仿国外产
品的阶段，大部分关键元部件还是以“拿来主义”的代工生产方式为主，在功能质量方
面，尤其是在可靠性上落后于国外发达国家。国内生产的呼吸机型大多是中低档的呼吸
机，只能满足普通使用需求，且通气模式也较为粗糙和单一，尤其在可靠性方面没有强
大的说服力，所以很难占据高端市场。

只看该作者 · 2018-10-11 12:37

(1)深入研究嵌入式操作系统的核心技术，以及呼吸机系统的控制要求，实现嵌入
式操作系统在呼吸机系统中的移植与应用
(2>研究基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器的特性与开发环境
(3)研究呼吸机各种智能控制模式的工作原理
(4)研究比例电磁阀的控制算法
(5)研究气压传感器的特性及应用
C6)研究压差式流量传感器的特性与气流量测量算法

只看该作者 · 2018-10-11 12:37

感觉比较有含金量的还是第六部分：

研究压差式流量传感器的特性与气流量测量算法

只看该作者 · 2018-10-11 12:38

  (1>针对呼吸机系统的实时性与可靠性需求，采用ARM微处理器及嵌入式实时操作
系统技术，实现了功能丰富，人机交互友好，稳定可靠的呼吸机系统设计。
  (2>针对比例电磁阀的磁滞现象及长时间工作后电磁线圈温度变化带来的误差效应，
采用了基于PID控制的设计思想以及PWM驱动方式，设计了一种比例电磁阀闭环反馈
控制电路设计方案，并针对该硬件方案提出了相应的软件控制策略，有效抑制了电磁阀
的磁滞效应并提高了比例阀长时间工作时的控制精度。
  (3)针对常用涡轮式气体流量检测精度不高的问题，提出了一种基于压差式流量传
感器的气体流量检测设计方案，并针对这种硬件方案提出了相应的软件优化算法，是气
体流量检测的误差从37%缩小到5%以内。
  (4)针对呼吸机气道压力检测的温漂现象，提出了一种基于仪用运放的放大调理电
路的一系列解决措施，有效抑制了压力传感器的温漂及时漂现象，经过长时间及不同温
度下测试，气压的漂移量小于1hPao
  (5)针对呼吸频率测算及分钟通气量累计计算误差较大的现象，提出一种基于队列
思想的呼吸频率及分钟通气量测算算法，使测量误差从27%减小到10%0

只看该作者 · 2018-10-11 12:38

只看该作者 · 2018-10-11 12:38

只看该作者 · 2018-10-11 12:39

在嵌入式系统中，系统的实时性并不等同于快速性，实时性是一个量的比较关系，
即能否满足Ts(实际响应时间)v Ta(需求响应时间)的要求。因而，快速系统不一定
能满足系统的实时性要求，而某些情况下满足实时性要求时，系统的运行速度并不高。
例如，满足温度采集实时性要求的嵌入式系统，其处理器运行速度要求并不高，采用低
速的单片机就可满足要求;而一些运行速度很高的处理器，如高速D SP未必能满足某
些视频数据采集和处理的实时性要求。因此，根据系统的实时性要求选用合适得处理器
即可，避免因为一味追求高处理速度而提高了系统的成本，甚至影响了系统的抗干扰性
以及可靠性。
呼吸机系统的实时性需求主要体现在以下几方面:

只看该作者 · 2018-10-11 12:40

呼吸机系统的实时性要求较高，当系统的实时性得不到保证，轻则影响系统界面的
美观性及操作的舒适性，重则危及病人的生命安全，因此，对系统设计的实时性设计
本系统设计中主要通过选用选用占用CPU资源小的外设，高速的处理器芯片、采用
嵌入式实时操作系统合理分配任务及优先级这三个方面来提升。

只看该作者 · 2018-10-11 12:41

开始干货部分吧!

不知道以上部分的说法有无根据……

感觉没有说服力！

只看该作者 · 2018-10-11 12:41

系统架构和处理速度方面来说，S 3 C2440的性能优于S TM32F 107，但是在医疗仪器
方面STM32有着更多的成功案例及解决方案，如心电图机、多参数监护仪、B超、血
糖仪、注射泵、输液泵、生化分析仪、麻醉呼吸机、以及其他一些医疗产品都有基于
STM32的案例，因此，从系统的可靠性以及性价比等方面的综合考虑，本系统选用
S TM3 2F 107作为核心微处理器进行开发设计工作。

只看该作者 · 2018-10-11 12:42

只看该作者 · 2018-10-11 12:43

这里算是干货！

只看该作者 · 2018-10-11 12:44

通过对上述四种基本的切换方式的分析可以看出，每一种切换方式都有各自的优缺
点，为了提高呼吸机使用的舒适性和安全性，实际的工作方式往往是上述几种基本切换
方式的改进模式或者几种基本切换方式的组合。例如常见的呼吸机工作模式有机械控制
通气(clvlv >、同步(辅助)控制通气(AcIVIV >、同步间歇强制通气(snvlv >、压力支
持通气(Psv>、容量支持通气(vsv>、比例辅助通气((PAV >、压力调节容量控制通气
(PRVC、适应性压力通气(APV>、分钟指令通气(MVV)、气道压力释放通气(APRV ),
反比通气(IRV)等等。
本文设计的呼吸机系统在硬件上加入了气压传感器，压差式流量传感器，电子PEEP
控制器，比例阀控制器等国外中高档呼吸机使用的传感器和控制部件，通过软件配合，
可以实现绝大部分通气工作模式。针对呼吸机的应用需求，本系统采用了以下几种通气
模式:

只看该作者 · 2018-10-11 12:45

3、针对呼吸较为微弱的患者一同步间歇指令通气(SIMV >
SIMV模式是机械控制通气与病人自主呼吸同步的控制方式，该通气模式可以根据
病人的自主呼吸程度来设定附加的指令通气周期，即先根据预设的时间激活触发装置，
同时开启自主呼吸触发同步呼吸，采用时间起动、吸气触发并用的切换方式，这种控制
方式可以有效减小病人呼吸做功。此外，为了提高安全性，在此模式基础上也加入了电
子PEEP功能。
4、针对特殊情况及特殊患者一手动控制模式(MANU
手动供气适用于特殊情况下，由经验丰富的医生或医护人员通过按键手动控制潮气
量、吸气时间、通气频率等。

只看该作者 · 2018-10-11 12:45