呼吸机之基于肌电触发的呼吸机控制板开发

只看该作者 · 2018-10-12 12:26

呼吸机已经普遍被用于麻醉及各种原因所致的呼吸衰竭，大手术期间呼吸管理及急
救复苏等场合，因此它在现在医学领域占有十分重要的地位，但随着呼吸机在临床的广
泛应用，越来越多的缺陷也就暴露出来了，诸如人机对抗、呼吸不同步，呼吸机肺等。
我们知道隔肌肌电信号是人体主要呼吸肌泪扁肌所产生的微弱电信号，它出现得比气道
的压力和流量变化早，并且能很好地反映呼吸中枢的吸气和呼气的时间以及呼吸努力程
度，因此利用隔肌肌电信号触发呼吸机，可达到更高的人机同步性，从而研究一款高精
度、高舒适度、高可靠性的基于隔肌机电信号触发的呼吸机有非常大的医用意义。
本课题首先从呼吸的基本原理出发，在呼吸机的触发模式上采用隔肌肌电触发模式
为主，多种触发模式并存的方式，这样更进一步的解决了现行呼吸机的缺陷。为了实现
良好的数据采集和呼吸辅助控制，高性能的处理器和巧妙的系统架构必不可少，在本系
统中，我们运用了浮点数运算能力出色的ARM处理器。在数据运算方面，主要负责隔
肌肌电采集方面和处理;在ARM方面，一方面是设计一个良好的界面，方便接口通信
和数据管理;另一方面是设计一个控制可靠的呼吸机控制板，作为呼吸机的核心动作控
制单元。本论文主要介绍控制板电路部分。
在具体的硬件方面，我们考虑到控制板所需要达到的稳定性和高速响应，以及众多
的外设资源，我们采用ST公司出品的STM32F407单片机，在其周围配套有气体压力传
感器电路、SPI通信电路、USART通信电路、马达驱动电路等。通过实际验证，证明了
控制板电路设计的合理性和可行性。

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呼吸机是一种用来代替、控制或改变人的正常生理呼吸的辅助性呼吸医疗器械，它
的工作机理主要是依靠增加肺部的通气量从而改善使用者的呼吸功能，以此减少其呼吸
消耗，达到降低心脏负荷的效果[fll，在现代医疗器械中它占据了很重要的位置，是一种
预防和治疗呼吸疾病，减少手术期间并发症和手术后后遗症的关键性装置。随着人们对
呼吸机提出了越来越高的要求，已不再停留在过去能用的地步，还要求使用者在使用呼
吸机的过程中尽可能地减少人机不协调，以提高使用体验，得益于人体呼吸机理领域的
不断进步，科学家们对呼吸机的工作模式和触发机制提出了新的方案，并且现代电子技
术和控制理论处于不断进步和完善过程中，因此，研制出一款高可靠性、高人机交互性、
高度智能化、高实时性的功能强大的新型呼吸机成为了现代医疗的一个重要课题[f2l

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在最早的传统机械呼吸机出现之前，辅助呼吸都是靠人力来完成的，有记录的人工
辅助呼吸是在1530年，Paravelsus将导气管的一端伸入患者口中，另一端接在呼吸气囊
处，使用人工挤压呼吸气囊的方式，成功进行一些原始的辅助呼吸。经过两个多世纪的
不断探索，人们了解到了更多种类的辅助呼吸方式，其中包括1833年D alziel研制出“铁
肺”呼吸机，这是第一部由机械而非人力驱动的传统机械呼吸机，从而开创了机械通气
史上新的里程碑，以后又有各种各样的改进型“铁肺”呼吸机面世。当时在人体表面施
加负压的呼吸辅助机械主要分为三类:“铁肺”呼吸机、压差式呼吸机和胸甲呼吸机，
但是这几类呼吸机基本都只能用在试验中，很难在临床上得到广泛应用，因为其只能够
提供短期的替代人工的辅助性呼吸，低下的可靠性和极差的病患使用感受约束了它们的
应用场合。直到1946年才诞生了第一台能在临床上得到比较好效果的间歇正压呼吸机，
其采用了全新的气控一气动压力限制驱动模式，在接下来的一段时间里这种驱动模式成
为了呼吸机的主流工作模式，但它并不是完美的，它依然存在不能够保证有效的潮气量
等缺陷。虽然如此，间歇正压呼吸机还是揭开了呼吸机的发展序幕，在随后的发展过程
中，呼吸机的结构变得越来越复杂，众多呼吸模式的逐步加入，呼吸机所具备的功能也
越来越多，呼吸机的进入了蓬勃发展的阶段。

只看该作者 · 2018-10-12 12:29

从20世纪_5 0年代开始，外科手术技术得到了蓬勃的发展，医护人员在临床上更多
地认识到了呼吸机所带来的积极作用，因此大量科研人员投入到新型呼吸机的探索与研
制中来，并且取得了丰厚的成果:其中包括19_51年世界上首台基于气体容量控制的呼
吸机研制成功;1953年世界上首台引入了闭环控制的呼吸机面世，从此使得呼吸机与病
人之间的联系不再是单向的，而是建立在病人同时也在向呼吸机反馈信息的双向联系，
成为了呼吸机领域的又一次突破;在此闭环反馈的呼吸机理论基础上，各大医疗器械厂
商纷纷开发出自己的新型呼吸机，在临床上使用最广泛的是Morch，鸟牌呼吸机，
Stephenson和Bennett等四种类型的呼吸机;1967年研制成功的Bennett MAI呼吸机从
根本上颠覆了过去呼吸机的机械运动模式，呼吸机开始从单纯的机械模式向电子与机械
相结合的混合模式，随着20世纪70年代科学技术的突飞猛进，新型的呼吸机引入了许
多尖端技术，尤其是电子技术，与此同时，呼吸机通气模式的探索也有了众多的理论研
究作为支撑，从而使得呼气末正压、持续气道正压、间歇指令通气等多种通气模式迅速
的应用到临床中，呼吸机相关的研究工作再上到新的台阶;20世纪80年代随着微机技
术的蓬勃发展，微机无处不在影响着人们的生活，也开始进入到医疗行业，而新一代基
于微机的呼吸机也应运而生，得益于微机的高效率和稳定性，基于微机的呼吸机功能更
加完善，性能也变得更加强大，具备了自动检测、自动报警、自动记录等这些以往需要
花费大量人力物力还不能很好实现的功能;到了20世纪90年代，各种微处理器慢慢在
各个领域里开始取代庞大繁琐的微机发挥着重要的作用，随着微处理器性能越来越强大、
功能越来越完善、可靠性和稳定性越来越高、并且微处理器还有着微机不可能具有的低
功耗特性，结合微处理器，未来的嵌入式呼吸机将向着人性化、智能化、轻便小型化、
互联互通化的方向发展。

只看该作者 · 2018-10-12 12:30

传统的机械呼吸机不但体积笨重，而且在通气模式和通气控制上存在着很多的缺陷，
主要问题体现在:(1)呼吸机给病人的通气时刻点和通气时间很难把握。根据病人的生理
状况和呼吸状况选择一个合适的时间点进行辅助吸气和呼气对协助病人进行自主呼吸
或者辅助呼吸都是很重要的，时间点选择不好或者辅助吸气呼气的时间长短控制不好，
都会严重影响到病人的生命安全，因此为保障病人的生命安全和呼吸的舒适度，还需要
考虑气路工作的频率、气体流速、压力控制等因素，而这些都是传统呼吸机无法完成的。
(2)潮气量和气体压力不能确定。潮气量和气体压力不够，不足有支撑病人的顺畅呼吸，
若过量又会影响到病人呼吸道和肺部的承受能力，传统的呼吸机很少与病人呼吸道和肺
部之间建立闭环反馈，因此不能根据病人的个体化差异进行呼吸机工作模式的切换。(3)
呼气末正压值不能确定。选择一个良好的呼气末正压水平，可以保障病人能有效地避免
肺泡由于气压的不同导致出现塌陷膨胀，最大程度保障呼吸机不会对病人造成生理上的
伤害。以上这些问题往往导致人机不协调，增加病人呼吸肌肉的负荷，导致不必要的呼
吸肌肉疲劳。根据Thille等人的研究成果可知，若是病人与呼吸机之间的越不协调，则
辅助病人呼吸所需的通气时间就越长，若是用于有创呼吸场合，需要切开的呼吸道越大，
对病人的伤害越多，因此应该想办法降低人机不协调。此外人机不协调还有众多副作用，
比如:引起病人睡眠质量差、加大辅助药品的使用、抑制病人的自主呼吸等。这些年来
围绕呼吸机相关的嵌入式技术、检测技术和呼吸相关理论取得了很大的突破，新型呼吸
机在呼吸理论上得到了充足的验证，并且完善了呼吸机与病人之间闭环反馈相关的理论，
新一代的呼吸机不应该再是被动的工作，相反，应该是主动侦测病人的呼吸状况来主动
引导病人进行呼吸，而要实现这里的主动侦测，基于隔肌肌电信号进行的神经电活动辅
助通气方式就是一种非常理想的选择。

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说明：

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新型呼吸机辅助人体呼吸的工作示意图：

只看该作者 · 2018-10-12 12:33

本论文描述研究的呼吸机的控制系统采用了加强浮点型运算能力的ARM芯片作为
核心控制芯片，其中浮点运算主要用于关键的高速数据处理，ARM部分用于高可靠性
和友好的人机交互界面，使得研发出来的呼吸机具备有与国外先进呼吸机同等的质量和
性能。传统呼吸机的通气模式一般是控制呼吸气道中气体的压力、容量和流量，也就是
所谓的定压模式、定容模式和恒流模式，这些呼吸模式导致的结果是不能与病人的实时
身体状态结合起来，不能根据病人的实际需求进行气体的供给和排泄，导致的后果是人
机不协调。随着科学家成果的不断推陈出新，发现隔肌肌电信号非常接近于神经信号，
能够高相似度地反映病人的呼吸活动，所以可以根据隔肌肌电信号，辅以告诉的呼吸机
处理器，在病人想吸的时候及时送气，在病人想呼的时候及时排气，以此来达到高度的
人机同步性。

只看该作者 · 2018-10-12 12:33

本文所设计的呼吸机在工作模式上，不但要有现有的基于压力和流量的两种触发模
式，而且还将加入基于隔肌肌电信号的触发模式。采用基于隔肌肌电的触发模式为主工
作模式，其余两种以热备份方式工作模式，在物理架构上，采用带有强大浮点运算的
ARM微控制器，其中浮点运算部分负责隔肌肌电信号、气道压力和流量信号的采集，
并对采集到的肌电信号进行相关处理，同时ARM能通过电机驱动电路控制气道压力和
流量，实现呼吸过程的切换和实时压力控制。
本文主要介绍在控制板部分的设计与实现。这部分主要目的是设计一个安全可靠的
呼吸机控制板，用来处理采集板传输过来的各种数据，诸如隔肌肌电信号、气体压力信
号等，控制板与采集板之间的通信是通过串口实现的;同时，控制板还需要实时监测各
种气压信号，包括外界大气压力和呼吸机气管内部压力，为呼吸机的工作提供气压参考
数据;还有，控制板需要与面板通信，把各种数据实习传输到面板控制器，把病人和呼
吸机的各种参数实时显示在面板上，供病人和医生查看;最后，呼吸机的工作是通过驱
动气泵电机来实现的，所以这也是控制板一个最为重要的功能，通过各种算法，实现不
同的呼吸机工作模式，满足不同状况下的病人需求。从以上功能来看，控制板是整个呼
吸机系统的神经中枢，也是连接信号采集板和显示面板的纽带，因此设计并制作出一款
安全稳定可靠的控制板，决定着能否设计出一款性能优良的呼吸机。

只看该作者 · 2018-10-12 12:34

这个** 感觉还是干货比较多或者比较新颖！

值得共享给大家！

只看该作者 · 2018-10-12 12:34

本文主要介绍了基于隔肌肌电触发的呼吸机控制板的设计与开发。该控制板通过获
取隔肌肌电信号、辅助气压气流信号，从呼吸的基本原理出发，充分利用ARM的强大
处理能力上的优势，从本质上解决目前普遍使用的机械式呼吸机辅助呼吸滞后、患者使
用舒适度差等相关问题。本文的内容安排如下:
第一章介绍了国内外呼吸机的发展历程、国内外在隔肌肌电信号提取与分析方面的
研究、现行呼吸机存在的弊端、未来呼吸机的发展趋势等。
第二章介绍了呼吸机控制板所采用的架构和关键芯片的选型，并介绍了再控制板上
所需要用到的单片机资源的类型，该章节作为整套系统的基础，对系统每一部分的关键
选型，都直接决定了未来开发的难易程度以及系统的性能。
第三章介绍了控制板硬件电路的设计与开发。通过在第二章选型基础，确定了核心
器件之后，主要针对具体的细节电路进行功能和性能的论证，通过巧妙的外围器件和参
数计算，使得各部分硬件模块足够胜任呼吸机整机的要求。
第四章主要是各部分硬件电路驱动程序的编写与验证，通过软件与硬件的配合，以
良好的性能和稳定性满足呼吸机的要求。
第五章主要是运用数字万用表、数字示波器等实验器材对呼吸机控制板的性能进行
测试与设计验证。
最后就对呼吸机控制板已经实现的部分进行了简要总结，对于已经实现的功能提出
更好的优化方案，未实现的功能做出未来发展的趋势设想。

只看该作者 · 2018-10-12 12:35

2.1呼吸机整机系统的组成
随着科技的发展，人们对医疗设备提出了越来越严格的要求，在保证医疗设备能够
正常使用的前提下，人们还希望将来的医疗设备能越来越智能化，可靠，安全，舒适，
人性化等，而得益于嵌入式技术的发展和微处理器性能的大幅度提升，嵌入式解决方案
现在逐渐替代传统的微机方案，成为医疗电子领域的首选。在本系统我们采用前最主流
的带有强大浮点数运算能力的ARM芯片作为本系统的嵌入式处理器，发挥ARM在控
制方案和外设的优势以及其浮点运算能力在信号采集和处理等方面的优点。
整套系统的架构如图2-1所示。