呼吸機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識

本應(yīng)用說明概述了呼吸機(jī)系統(tǒng)，重點介紹了精確測量和可靠保護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計。它討論了氣動通風(fēng)系統(tǒng)的四個關(guān)鍵組成部分：供氣、氣流混合物、吸氣和呼氣系統(tǒng)。每個組件中都有各種傳感器，包括壓力、流量、濕度和溫度傳感器。這些傳感器提供反饋以精確控制電磁閥，以確保風(fēng)量、壓力和空氣-氧氣混合物以指定的時間間隔輸送給患者。系統(tǒng)設(shè)計中包括多種故障安全功能和警報，以確保在任何條件下可靠運(yùn)行。

介紹

現(xiàn)代呼吸機(jī)是一種機(jī)電設(shè)備，旨在以設(shè)定的間隔以指定的壓力和體積提供精確的空氣-氧氣混合物。呼吸機(jī)提供四種不同的模式來輔助和支持呼吸。這些模式的范圍從依靠呼吸機(jī)進(jìn)行生命支持的患者的受控強(qiáng)制通氣到可以獨(dú)立呼吸的患者的持續(xù)氣道正壓通氣?；灸Ｊ桨ǎ?/p>

Positive End-Expiratory Pressure (PEEP)

Continuous Positive Airway Pressure (CPAP)

Controlled Mandatory Ventilation (CMV)

Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation (SIMV)

為了以設(shè)定的體積和間隔提供精確數(shù)量的空氣-氧氣混合物，呼吸機(jī)系統(tǒng)需要精確測量四種模式中每一種的壓力、氣流和溫度。除了精確的氣流外，呼吸機(jī)還需要連續(xù)可靠地運(yùn)行。為此，呼吸機(jī)系統(tǒng)需要處理任何類型的系統(tǒng)故障。這包括電源故障、系統(tǒng)故障和天然氣供應(yīng)短缺。

本應(yīng)用筆記描述了四個子系統(tǒng)的呼吸機(jī)系統(tǒng)框圖，包括氣體輸送系統(tǒng)、氣動氣體混合系統(tǒng)、吸入系統(tǒng)和呼氣系統(tǒng)。

氣體輸送系統(tǒng)

氣體輸送系統(tǒng)由氧氣罐和空氣罐組成，并帶有用于對空氣罐加壓的可選壓縮機(jī)。使用壓力傳感器監(jiān)測各個儲罐壓力，以確保正確的氣體輸送。這需要針對精確的壓力傳感器讀數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的可靠信號鏈解決方案。外部組件為壓力傳感器測量提供了最大的靈活性和準(zhǔn)確性。例如，MAX11128是多通道12位SAR ADC，具有1Msps，與MAX4430低失真運(yùn)算放大器和MAX6126等低噪聲基準(zhǔn)配對，可提供非常精確的壓力測量。

該精密信號鏈可確保如果氣體供應(yīng)低于設(shè)定壓力，系統(tǒng)將發(fā)出警報以更換儲罐。對于帶有可選壓縮機(jī)的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以控制壓縮機(jī)將空氣罐加壓到指定壓力。參見圖1。

圖1.呼吸機(jī)氣體輸送系統(tǒng)。

氣動氣體混合系統(tǒng)

高壓氣體通過空氣調(diào)節(jié)器，將氣體壓力降低到系統(tǒng)規(guī)格?？諝庵械难鯕夂考s為21%。為了根據(jù)個體患者的需要增加氧氣含量，需要精確控制螺線管，以精確管理空氣-氧氣混合物的百分比。這需要高精度的12位DAC，如MAX5702。

空氣中正確的氧氣百分比是空氣制備的一個方面?？諝饣旌衔镆残枰訜岷图訚?，以最大限度地提高舒適度。必須使用溫度傳感器IC如MAX31875精確測量空氣溫度。參見圖2。

圖2.氣動氣體混合系統(tǒng)

吸氣和呼氣系統(tǒng)

連接到患者的雙管系統(tǒng)以及壓力傳感器用于檢測呼吸模式并測量吸氣和呼氣期間的壓力。 在吸氣過程中，壓力傳感器在患者呼吸時檢測負(fù)壓。這會激活電磁閥以設(shè)定的速率和壓力釋放空氣-氧氣混合物。如果患者在設(shè)定的時間間隔內(nèi)沒有呼吸，呼吸機(jī)將機(jī)械地提供呼吸。實時時鐘（RTC），如MAX31342，為計時提供精確的低功耗方案。

在呼氣過程中，呼吸機(jī)控制呼氣閥以控制呼氣過程中的壓力。通過使用傳感器讀數(shù)和電磁閥控制，該機(jī)構(gòu)生成呼吸機(jī)系統(tǒng)的四種基本模式。參見圖 3。

圖3.吸氣和呼氣系統(tǒng)。

呼吸機(jī)系統(tǒng)的四種基本模式

呼氣末正壓 （PEEP） – 在這種模式下，當(dāng)患者呼氣時通過控制閥門來維持呼氣壓力，以在呼氣結(jié)束時略微增加肺泡壓力。

持續(xù)氣道正壓通氣 （CPAP） – 在這種模式下，系統(tǒng)提供恒定的壓力，保持氣道暢通無阻，用于無需幫助即可呼吸的患者。

受控強(qiáng)制通氣 （CMV） – 在這種模式下，呼吸完全由呼吸機(jī)控制。以設(shè)定的間隔向患者提供設(shè)定的體積和壓力的空氣量。

同步間歇強(qiáng)制通氣 （SIMV） – 在這種模式下，呼吸機(jī)檢測到呼吸并向患者提供設(shè)定的體積和壓力。如果在設(shè)定的時間間隔內(nèi)未檢測到呼吸，呼吸機(jī)將自動為患者提供空氣。

除了測量和控制空氣輸送所需的高精度外，還需要故障安全系統(tǒng)來確保連續(xù)可靠運(yùn)行。

設(shè)計可靠的保護(hù)需要獨(dú)立的系統(tǒng)監(jiān)控。許多現(xiàn)代微控制器集成了多種保護(hù)功能，包括掉電檢測、看門狗定時器和其他類型的保護(hù)機(jī)制。然而，更可靠的方案部署外部監(jiān)控和看門狗定時器器件，如MAX16155，以獨(dú)立監(jiān)測電源軌并確保軟件正常工作。

通過使用外部基本模擬IC，設(shè)計人員可以構(gòu)建高精度和可靠運(yùn)行的呼吸機(jī)。當(dāng)今的醫(yī)用呼吸機(jī)系統(tǒng)需要精確測量壓力、氣流、濕度和溫度，以優(yōu)化四種基本模式：CPAP、PEEP、CMV 和 SIMV。此外，呼吸機(jī)還需要連續(xù)、可靠地運(yùn)行并處理任何類型的系統(tǒng)故障。為此，設(shè)計人員需要使用可靠的保護(hù)產(chǎn)品，包括監(jiān)控和看門狗產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷