【作 者】刘茹涵，汪国有

1 华中科技大学软件学院，武汉市，430074

2 华中科技大学自动化学院，武汉市，430074

呼吸机长管独立温控器的研制

【作 者】刘茹涵1，汪国有2

1 华中科技大学软件学院，武汉市，430074

2 华中科技大学自动化学院，武汉市，430074

现行呼吸机大多数使用湿化器对送入管道前的气体加温加湿，少数双加热型呼吸机使用长管和湿化器一体化加热加湿，这使得已购买呼吸机的病患依然面临困扰。对此该文提出一种新方法，通过在线加装独立呼吸机温控器来保证气体温湿度。该温控器由硅胶加热线和单片机控制装置构成，经实验验证可适用于多种呼吸长管较为精准地控制进入人体的气体温湿度。

在线加热；呼吸机改造；单片机

0 引言

在湿化器的使用过程中，研究者们发现存在着病人面部不适及口鼻干苦的问题，特别是在温差较大的环境中，这个问题尤为明显。不仅如此，由于气体经过了湿化器的加湿含有大量水分，这就导致了新问题的产生：面罩内积水。针对这些未解决的问题，研究者们也通过深入的思考，提出了全新的改进方法。研究者们发现经由湿化器加湿加热的气体，在通过保温保湿能力较差的呼吸长管的过程中，由于温度的下降，会出现冷凝的现象。这不仅使得进入人体的气体并不能达到人体真正的要求，而且这也是面部凝水出现的主要原因。于是针对冷凝现象产生的原因，格雷厄姆.PK，加西亚.EA以及西姆斯.DJ提出了双加热呼吸机的方法[1]，通过增加针对呼吸长管的加热设备来保证高湿气体顺利地通过管路。他们设计制造的双加热呼吸机[2]是由呼吸机、湿化器以及专用螺旋加热长管构成，其中螺旋长管的加热控制电路连接在呼吸机的电路板上与呼吸机和湿化器形成一体。它通过补充的长管加热装置与现有的呼吸机及湿化器一起，成功地解决了气体冷凝的问题[3]。但在我们在进一步的临床试验中，发现了该种方法的两个不足：第一，在系统设计[4]上，他们有着认识上的缺陷，他们在呼吸长管上添加加热设备是为了解决气体在长管中冷凝的问题，然而他们仍然认为口鼻处干苦的主要原因[5]是湿度不够，而对于温度只需提高到将近室温(20～25oC)即可。然而我们研究发现，在呼吸机的使用过程中，呼吸机送出的高压气体通过呼吸长管，最后将直接送入病人的口鼻腔或气管。在我们的常规呼吸状态下，鼻黏膜中血供动脉终末分支形成毛细血管，引流入静脉窦，构成静脉性勃起组织(Venous Erectile Tissue)，主要分布于下鼻甲的前端和鼻中隔。当血窦充盈时，可通过传导、对流和辐射等方式提高吸入气体的温度。血流的方向与气体流动的方向相对，从而保证了热量的充分交换，使吸入气体从鼻孔处的20oC左右，升至鼻咽部的31oC ，到达气管时为35oC。然而在呼吸机的高压状态下，没有办法保证鼻腔内气体的充分热量交换，所以温度在自身的生理特性[6]影响下，无法实现由室温加热到所需温度，因此可知对温度的控制是应该得到重视的。第二，他们设计制造的加热设备是一体化的，这对于已经购买呼吸机的病人以及各个型号的呼吸机而言是没有普适意义的。所以针对当下仍然存在的问题，我们提出一种新的方法，设计并实现了一种高普适性的独立外加温控装置，不仅实现对温度的较精准控制，而且适用于各种型号各个品牌。

在设计温控器上，加热控温方法采用双温度传感器共同检测温度和硅胶加热线放置在管路中央进行加热，双温度传感器分别置于加热线两端，一个放置在加热线上测量线上温度，一个放置在离加热线一段距离的呼吸长管面罩口用于测量气体温度，双温度器的温度测量值经过耦合分析通过单片机程序的控制实现矛盾的最小化；而硅胶加热线则是通过其自身的特性，在管内加热减小了管外加热的能量损耗。而针对我们的独立设备可能导致的与呼吸机不同步而产生的高温气体凝滞烧毁导管的问题，我们也通过软硬件设计对长管进行了保护。通过我们的系统设计，较好地避免了为了提高加热温度从而提高加热功率而导致的呼吸长管管壁被烧毁的问题。

1 系统结构框架

系统结构原理如图1所示。利用双温度传感器构成的耦合检测系统，通过温度采集电路将温度值转换成对应的电信号，经过温度信号调理后变成符合A/D芯片规范的信号，控制单元对输入的温度信号处理后得到控制温度信号和相应的显示值；利用合金加热线和包裹它的硅胶包皮，通过控制单元的信号变化对长管进行加热控制。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of the system

2 系统的硬件设计

图2 单片机功能设计框图Fig.2 Block diagram of the function of microcomputer

本温控器的单片机[7]功能设计框图如图2所示，其使用STM8S003F3P6芯片，通过对单片机的结构设计和软件编程，使得单片机能通过温度传感器的A/D变换电路读取实时温度值，通过扫描键盘判断是否有人为改变加热状态的情况；将读取的数据分析之后，还可以通过加热控制电路控制加热线的加热，通过LED显示电路控制LED数码管显示温度值。

用于给呼吸长管加热的加热线采用的是硅胶加热线，由合金电热线在外包裹硅胶包皮组成。该硅胶加热线一端连接在温控器上，而剩下的部分放置在呼吸长管中，实现对呼吸长管的加热。

温度传感器选用的是电阻模式的温度传感器，其利用线性热敏电阻与不变电阻的分压对温度值进行测量。

由于人体温湿度的舒适范围较广，所以我们采取两个温度传感器来实现较为精准的温度控制，一个放置在距加热线一定距离的呼吸长管面罩端的管口处测量管口温度，一个放置在硅胶加热线上测量加热线线温。

LED显示器由三个8 bit LED数码显示管组成，用来显示温度传感器1所测量的呼吸长管面罩端口的气体温度，温度值精确到0.1oC。由单片机控制完成数据的显示工作。

该温控器设有的三个按键各有其控制功能：“确定键”：长按该键LED数码管出现闪烁，此时显示的温度为管口上限温度，闪烁表明管口温度上限为可调状态，待调好温度后再长按该键表明温度已设置完毕；“升高键”：当LED数码管闪烁时，每次按下该键，管口上限温度升高0.5oC；“降低键”：使用方式同“升高键”，每次按下该键，温度则降低0.5oC。

3 系统的软件设计

本单片机控制的温控器的软件系统主要包括主程序框图（图3）、按键处理具体流程图（图4）、定时器中断程序框图（图5）三个关键部分的程序框图。

图3 主程序框图Fig.3 Block diagram of main program

图4 按键处理具体流程图Fig.4 Flow chart of keystroke handing

图5 定时器中断处理程序框图Fig.5 Block diagram of interrupt processing

使用者可手动控制上限温度，通过“确认键”、“升高键”、“降低键”提供升高或降低管口上限温度的功能；使用者也可使用温控器自动控制加热的方式，即温控器在开机时自动检测室温，根据室温设定加热线上限温度和管口上限温度。而在加热过程中单片机会检测使用者是否使用了按键进行手动控制，调整加热管口上限温度。单片机还会使用定时器，实时监测两温度传感器的值，当室温达到病人适宜送气温度的最高值，停止加热，当温度低于该范围的最低值就启动加热，并且根据温度传感器2的值，控制硅胶加热线的线上温度不超过我们预设的加热线上限温度，即当线上温度超过加热线上限温度时停止加热，低于设定的最低值时再重新开始加热。

4 实验系统

4.1 实验目的

通过实验来证明我们所设计制造的新型独立在线温控器具有以下功能：

第一，未安装在线温控器的普通呼吸机在加装新型独立温控器之后，能够实现与双加热型呼吸机相等或更优的效果，即成功地保证达到病人呼吸道的气体有较高温湿度。第二，针对各个厂家的呼吸机，温控器可以做到较好的普适性。

4.2 实验方案分析

由于我们的独立在线温控是加装设备，所以其无法与呼吸机在同步性上完全匹配。这就导致出现呼吸机还未来得及启动，而加热器已经开始加热的情况出现，这会使得由于呼吸机还未送气，加热器提供的热量没法被带走，从而烧毁呼吸长管。所以我们需要测量停止送气而不关闭加热器时气体的温度，来确保呼吸长管安全。其次，为了保证温控器对温度的控制，还需多次测量稳定时的气体温度，以保证准确。

由于市面上长管种类繁多，我们选择市场份额较大的4种样品进行长管安全性的检测。

4.3 实验具体方案

本实验系统的主要结构是由一种自动控温的呼吸长管加热装置[8]及测温装置组成。

实验1：分别设定不同的设定温度值，在每一个设定的温度值下，分别3次测量稳定工作时气体温度，取平均值，再观察测量温度与设定温度的差；当呼吸机停止工作时再分别3次测量气体温度，取平均值，再观察测量温度与设定温度的差。

实验2：分别找来不同特征的厂家呼吸长管样品设定相同的测量温度，测量5次取平均值，再观察测量温度与设定温度的差。

4.4 实验的结果

在完成系统设计之后，分别针对两个方面对本实验系统进行了测试，在测试中对于各个设定温度，长管都能正常的工作，未出现烧毁长管现象；对于所选用的四个品牌(伟康、瑞斯迈、凯迪泰、怡和嘉业)呼吸机长管，也都能正常的工作，除了出现伟康、怡和嘉业长管出现微微发热现象外，其余品牌长管并没有异常。

5 结论

本文介绍由硅胶加热线以及单片机设计的温控装置构成的温控器。其采取双温度传感器进行较为精准地温度测量；采取硅胶加热线进行气流加热；采取单片机进行处理及分析，从而实现了较好的独立高适配性管路在线温控设计。经实验验证可适用于多种型号呼吸机并较为精准地控制进入人体的气体温湿度。经过实际应用认为本装置设计合理、操作简单、成本低、实时显示、实际解决病人不适问题。此装置在临床应用中有较好的发展前景。

[1] 格雷厄姆.PK, 加西亚.EA, 西姆斯.DJ. 医疗管和制造方法: 中国, 201280056229. [P]. 2012-10-12.

[2] 黄碧灵, 蓝惠兰, 覃铁和, 等. 双加热式呼吸机湿化管道系统的使用效果分析[J]. 中国护理研究, 2007, 12(6A): 1452-1453.

[3] 王剑. BiPAP呼吸机加用加热湿化器后无创通气治疗慢性阻塞性肺疾病合并Ⅱ型呼吸衰竭疗效评价[J]. 内蒙古医药, 2011, 30(11):55-56.

[4] 温红辉, 霍燕微, 许焕胜. 双加热式湿化管道系统在机械通气中的临床应用[J]. 实用儿科临床杂志, 2012, 27(18): 1450-1451.

[5] 闫贵明. 氧疗气体温度对呼吸系统疾病患者的影响[D]. 天津: 天津医科大学, 2009.

[6] 韩德民, 张罗. 鼻生理功能及其临床研究[N]. 首都医科大学学报, 2009-2, 30(1): 45-48.

[7] 刘海成, 叶树江, 郭强. STM8单片机原理与实践[M]. 北京航天航空大学出版社, 2013.

[8] 刘茹涵.一种自动控温的呼吸长管加热装置:中国, 2015202483529. [P]. 2015-04-23.

Development of an lndependent Heater for Ventilator Tube

【 Writers 】LIU Ruhan1, WANG Guoyou2
1 School of software Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074
2 School of Automatic Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074

online heating, transformation of ventilator, microcomputer

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.013

1671-7104(2016)01-0044-03

2015-08-17

刘茹涵，E-mail: 544509628@qq.com

【 Abstract 】Nowadays, normal humidifier is used to heat and humidify the gas before sending to ventilator tube. A new type of ventilator which offers both breathing tube with heater and humidifier is incorporate. In the light of this, patients already bought ventilator still confront this problem. Therefore, this paper mainly introduces a new manufactural method which is controlling the temperature and humidity of gas sent by breathing machine online by a temperature controller which consist of Silica gel hotline and microcomputer. As a matter of fact, the controller is adaptable in various types of breathing tube and can accurately control the humidity and temperature of gas sent into bodies.