新型医用呼吸气体监护仪的研制

1万 · 2019-6-20 15:24

新型医用呼吸气体监护仪的研制
对二氧化碳、氧气等呼吸气体的浓度的监测可以紧密监测病人的生理状态和呼吸机
的通气故障以指导医生采取相应的治疗方法，因而提高了手术的安全性、减少医疗事故
的发生，为病人的生命安全保驾护航【‘’。当前，国内对气体测量技术的研究还很少，
因此气体监测模块价格十分昂贵，这就导致气体测量监护仪更是少之又少。
本文采用国产气体测量模块研制了一套成本低廉、性能稳定可靠的医用气体监护仪。
硬件采用STM32F2系列MCU，搭配LCD驱动控制芯片完成常规监护参数和气体测量参
数的数据采集、存储和显示。软件采用}C/OS系统，上层软件通过} C/O S多任务处理，
完成各个功能部分;底层软件采用MICRIUM公司提供的ST版本的系统内核完成多任
务处理，GUI内核完成界面显示和菜单功能。
在设计过程中充分考虑各项参数的专用标准、医疗电子设备电气安全标准和电磁兼
容(EMC)标准，并进行了相关的临床验证。经过各项验证测试，本文研制的监护仪性
能稳定可靠、符合各项专用标准。

1万 · 2019-6-20 15:29

在过去的一二十年里，我国的医疗器械行业取得了很大的进展，技术逐步成熟，产
品质量也越来越高。但是，我们与国外的差距仍然比较大。究其原因，一方面是社会经
济发展的差距带来的行业上的差距;二是高端医疗设备行业是一个多学科交叉，集研发
与生产制造为一体的高精尖行业，对于机械、数学、物理、精加工都有很高要求。生命
信息监护产品方面，长期以来，以飞利浦代表的外资企业一直处于领导地位，特别在
国外市场、高端市场。近十年来，国内涌现出像迈瑞这样的佼佼者，开始奋起直追。在
国内，我们本土的企业在市场占有率方面己经超过了外资企业。
高端的气体参数监护测量模块市场几乎被国外公司垄断，产品价格虚高，检修维护
十分不便，导致就医成本居高不下【21。然而我们又是一个人口大国，高昂的就医成本
威肋、着经济社会的发展，带来一系列社会问题。为了提高国内的高端监护设备的技术水
平，国内众多公司、高校进行了不断的努力，从无创压、脉搏氧饱和度、心电图等常规
监护参数到医用二氧化碳、有创压、心输出量、呼吸力学等高端监护参数，监护设备的
研发、生产水平进步十分明显。
我国幅员辽阔、人口众多，需要庞大的医疗卫生服务体系支撑。各地区、各级别医
院医疗条件相距甚远，大城市集中了先进的设备和高水平医疗从业人员，而小城市的医
院难以满足广大人民群众的看病需要，这就导致了大医院人满为患，看病贵、就医难的
问题仍然没有得到很好的解决。这所有的一切的根源仍然是医疗设备价格太高导致。作
为医疗设备中的一个重要的组成部分，生命信息监护相关的设备现状亦如此。
为了将研究成果产业化，让欠发达地区、低级别的医院也能用上功能齐全、性能稳
定可靠的设备，本文提出研制一种高性价比的气体监护仪，它能够监测二氧化碳、氧气
等呼吸气体。

1万 · 2019-6-20 15:29

多参病人监护仪实时监测病人的心电图、血压、体温、呼吸频率、脉搏氧饱和度等
人体功能指标，为临床医生提供准确的病人状态信息，并实时监督、报警和数据存储与
运输。以上所说的都是比较常规的配置，一般的监护仪都基本配备。
功能齐全的多参数监护仪一般会配备如下的测量项目:二氧化碳、有创血压、心输
出量(心排量)、呼吸力学。其中，有创血压、心排量等参数近十年来有好多国内监护
仪公司陆续开发出来，技术难度不大。但二氧化碳、氧气等气体监护，国内鲜有公司掌
握相关技术。
在气体监测模块的开发方面，主要集中在欧洲和美国等地区。截止到2007年以前，
我们国内还没有拥有自主知识产权的医用多气体监测技术。迈瑞公司收购了Artema公
司之后成为国内目前唯一一家拥有自主知识产权气体监测技术的公司。其它的监护设备
厂家在气体监测方面，都是采购国外公司的模块，如Grager，Phasein，价格相当昂
贵，维护也十分不便，应用推广受到限制。

1万 · 2019-6-20 15:30

为积极推广气体监测技术，让更多的医院早日用上气体监测模块。我们经过两年的
探索、开发，集成上述的气体模块技术，研制了一种低成本、非常实用的气体监护仪。
该监护仪能够监测常规的监护参数如心电波形、无创血压、脉搏氧饱和度、体温，外加
二氧化碳、O:监测。电源的适应性方面，采用质量可靠的AC-DC电源模块，宽电源输
入范围，100-240VAC;配备高容量铿电池，续航时间4小时以上;采用七寸彩色TFT
液晶显示屏，分辨率达800*480，背光亮度可调节;支持声(喇叭)、光(报警指示灯)
报警，报警条件、报警级别(高中低三档)可设置;具有波形(心电、血氧)打印功能;
整机结构紧凑，小巧，便于携带、转运;带四线电阻触摸屏。

1万 · 2019-6-20 15:36

为积极推广气体监测技术，让更多的医院早日用上气体监测模块。我们经过两年的
探索、开发，集成上述的气体模块技术，研制了一种低成本、非常实用的气体监护仪。
该监护仪能够监测常规的监护参数如心电波形、无创血压、脉搏氧饱和度、体温，外加
二氧化碳、O:监测。电源的适应性方面，采用质量可靠的AC-DC电源模块，宽电源输
入范围，100-240VAC;配备高容量铿电池，续航时间4小时以上;采用七寸彩色TFT
液晶显示屏，分辨率达800*480，背光亮度可调节;支持声(喇叭)、光(报警指示灯)
报警，报警条件、报警级别(高中低三档)可设置;具有波形(心电、血氧)打印功能;
整机结构紧凑，小巧，便于携带、转运;带四线电阻触摸屏。

1万 · 2019-6-20 15:36

图1为人体呼吸过程示意图。人体的呼吸过程包括肺通气、肺换气和血液与组织细
胞之间的气体交换，这三个过程相互衔接并且同时进行。外界空气与肺泡之间以及肺泡
与肺毛细血管血液之间的气体交换，这称为外呼吸;气体在血液中的运输，一方面把肺
部摄取的氧及时运送到组织细胞，另一方面又把组织细胞产生的二氧化碳运送到肺毛细
血管以便排出体外。

1万 · 2019-6-20 15:37

二氧化碳是人体的新陈代谢产物，通过血液循环，运输至肺部与氧气进行交换，排
除体外，氧气吸入体内进行新陈代谢。临床上常通过监测动脉血气交换和呼气末二氧化
碳分压来了解肺功能的状态，同时对氧气进行监测，可以实时监a}n」肺对氧气的吸收能力，
了解呼吸机的供氧能力。呼吸中二氧化碳浓度的监测则是中高端监护仪的必备测量参数
之一，是麻醉和呼吸代谢系统患者的重要监测指标。
呼末二氧化碳浓度是判断气道梗阻、通气状况最灵敏的参数，它己被美国麻醉医师
协会(AsA)列为术中常规监测项目之一，可以作为心脏骤停病人产生有效心肺复苏时
产生有效心输出量的无创指标【51。适用的科室有:ICU、急诊科、手术室/麻醉科、术
后恢复室、亚急诊科以及转运途中。
正常的PETCO:波形如图2所示。

1万 · 2019-6-20 15:40

1万 · 2019-6-20 15:41

比尔朗伯定律主要是针对物质对特定波长红外光吸收作用的强弱与该物质的浓度、
厚度(可以理解为物质的吸收光程)之间关系，依靠以上关系，测得二氧化碳气体浓度。
气体检测的技术应用中，按照气体的采样方式可以分为两类一一主流式和旁流式。

1万 · 2019-6-20 15:41

只看该作者 · 2019-6-20 15:51

很不错哦

1万 · 2019-6-20 16:48

1万 · 2019-6-20 16:53

在目前检测氧浓度的方法中，有很多的方法都可以检测到氧气浓度，比如氧化错法、
超声波法、电化学法、顺磁氧法。
氧化错测氧法原理:稳定氧化错在高温下呈现的离子导电现象。在氧化错电解质
(Zr0:管)的两侧面分别烧结上多孔铂(Pt)电极。
检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化错检测室，再通过加热元件把氧化错
加热到工作温度(7_500C以上)。氧化错一般采用管状，电极采用多孔铂电极。其优点
是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量
这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。其缺点是反应时间慢;结构复杂，容易影响
检测精度;加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。
超声波流量浓度原理:在充满流体的管道内，超声脉冲经流体传播，在顺流方向和
逆流方向有不同的传播时间，气体流速不同逆流和顺流的时间差就不同，通过时间差就
能检测到气体的流速。浓度的检测也是用同样的超声波脉冲，在二元气体的组分下，两
种组分的浓度比不同，超声脉冲在气体中的传播速度也不同。
电化学原理:电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电
信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成，并由一个
薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，最终到达电极表
面。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测
量该电流即可确定气体浓度。
顺磁氧法:利用氧气的顺磁性，即当氧气穿过一定强度的磁场环境中，该磁场的磁
场强度会被增强，从而改变位于磁场环境中的一个转子的旋转角度，利用角度不同造成
的反射光强度不同，实现氧气测量的目的。

1万 · 2019-6-20 16:54

完整的医疗器械产品包括电子机械、硬件和软件系统，包括信号输入部分和输出部
分以及人机交互设计，本论文主要探讨硬件系统和软件系统。
为了体现出本设计的特色，设计时尽可能紧凑、小巧、精致，高度集成，又不会降
低性能、减少功能。
在生理参数监测方面，配置自主研发常规监测参数心电、血压、血氧饱和度、体温，
加上自主研发的旁流二氧化碳(或主流二氧化碳)，另外搭配仕富梅公司(Servomex )
氧传感器模块。
所有的参数测量结果、波形以及系统菜单都会显示在一个七寸LCD彩屏上面，配
四线电阻触摸屏，方便用户输入。设置六个操作按键(菜单、波形冻结、报警暂停/停
止、打印、血压启动/停止)和一个旋转编码器，这些都属于人机交互的范围。
接口方面，配置USB接口(用于软件升级以及数据存储)，RJ4_5网路插座(用于
有线网路连接)和RS2犯串口插座，用于连接PC机用于开发上层PC
电源适应性方面，适用交流电源范围为110-240 V。配各铿电池，
软件。
在不插交流电的
情况下，仍可继续使用四小时以上。
在结构设计、硬件设计上，充分考虑EMC的要求以及安规方面的要求。

1万 · 2019-6-20 16:54

1万 · 2019-6-20 16:55

主控板处于整个系统的核心位置，电源变换电路位于主控板上。整机可以用
AC-DC电源模块供电，也可以用铿电池单独供电。电源开关板负责开机、关机管理。人
机交互方面，可以通过按键、飞梭和触摸屏这三种方式。按键板上有如下_5个按键:菜
单、波形冻结、报警暂停、打印、血压测量。可以旋转飞梭，将光标选到需要的功能界
面上按下飞梭即可。也可以通过触摸屏，在屏幕相应的位置点击屏幕即可弹出相应的菜
单或执行相应的动作。
4个监护参数测量模块(基本参数心电、血压、血氧加二氧化碳模块)和打印控制
板通过串口分别与主控板通讯，并由主控板提供电源。
风扇和喇叭的控制电路也位于主控板上。
通讯接口板上有RJ4_5插座、DB9调试插座、USB接口插座。网络插座用于有线网
络通讯、DB9串口调试插座，可通过串口与PC连接，调试程序或者下载程序，也可以
通过USB接口进行程序升级。
LCD的驱动部分也位于主控板上，LCD液晶屏直接与主控板连接;四线电阻屏也
与主控板直接连接。
CPU芯片采用业界广泛采用的ST公司STM32系列主控芯片，搭载uCos系统。
STM32系列MCU在电子业界使用相当普遍，究其原因主要是除了性价比高、技术支
持相对容易之外，还有以下一些在架构方面固有的优点:
低功耗，STM32系列产品一共有四种低功耗模式，最低电流消耗仅为两个uA;
接口方面，不同型号的STM犯采用标准的接口，增加了共用性，让开发人员在不
同的产品设计中可以采用相同的软件代码;甚至，只要封装相同而性能不同的STM32
芯片引脚仅需做很少的调整即可兼容，大大提高了软件开发的效率;
STM32的串口普遍较多，这在监护仪系统中非常实用，因为监护仪需要搭载多个
生理参数监测模块，不同的模块都用串口与STM犯通讯;
在软件开发方面，STM32采用库函数的方式，软件只需调用库函数即可实现寄存
器的读写，这样就不需要操作底层的寄存器，从而使得代码可读性大大增强，程序升级
也更方便【s}。

1万 · 2019-6-20 16:55

1万 · 2019-6-20 16:56

1万 · 2019-6-20 16:57

1万 · 2019-6-20 16:57

为保证产品的性能，顺利通过EMC测试，在设计初期阶段就要充分考虑EMC的
问题。解决EMC的问题，需要牢牢抓住这几个方面的内容:接地、屏蔽(屏蔽在本设
计中用得不是很多，本文不做赘述)和滤波。

新型医用呼吸气体监护仪的研制

经常做客

技术新星奖章