呼吸信号检测方法的研究毕业论文(编辑修改稿)

呼吸信号检测方法的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

广泛使用。 流量传感器是用来检测气体或液体在单位时间里流过某一固定横截面积的流体速度， 流速与管道横截面积的乘积等于流量。 用于测量流量的传感器很多，目前主要有测压式、热丝式和超声式三种， 基本都是专门设计用于医用仪 器的探测部件， 在临床呼吸机的应用已经有近 20 年历史 [10]。 这类流量传感器主要包含两种：一种是压差式流量传感器。 但是这类传感器在很低流量的范围内检测曲线呈非线性，需要根据检测范围配置软件校正来提高使用范围。 另一种是压力应变感应式流量传感器， 它是在呼吸回路中分出一个很小的并行支气路，利用此通道进行压力测量。 这种流量传感器制造工艺相对复杂一些、成本高。 呼吸声音检测 该方法是将一个微型的拾音器放置在呼吸道 附近或喉上对声音的变化进行监测，然后通过频谱分析估计出呼吸声音的大小。 有研究者通过记录呼吸时鼻腔声音的变化来监护婴儿的睡眠呼吸暂停综合征。 Corbishlev 等提出了一个微型的、可穿戴的呼吸监测系统，该系统将拾音器放置在衣领处获取呼吸声音。 由于呼吸声音比较小，通过该方法检测呼吸容易受其他不相关声音的干扰，如梦呓、吞咽、咳嗽及鼾声等，因此需要从强背景下提取弱信号。 呼吸信号检测的研究 5 由心电获得呼吸信号 由心电获取呼吸信号是目前仍在探索的一种方法 [9]。 由于呼吸运动能够引起心电图中的心率和 QRs 波群发生周期性波动，可通过分析心电信息和心电向量图来获得呼吸信息，而呼吸频率是从对呼吸信号的功率谱分析中估算出来的。 国内外研究现状 发展历程 第 1 代源于 19～ 20 世纪中叶，结构和功能均较简单，如铁肺、胸甲呼吸机和压差室呼吸机。 第 2 代上世纪 60 年代后，电子技术开始渗入呼吸机，使其有了较好的同步功能、通气 方式及报警功能，如纽邦 E100 型呼吸机等。 第 3 代上世纪 80 年代后，尤其是进入 90 年代以来，计算机技术的应用使呼吸机的性能得到进一步的完善，使之具备了全面的报警功能及各种监测和显示系统，如 SIEMENS300、 Bird8400、 Bear1000、 DragerEvita2 等呼吸机 [3]。 国内研究现状 我国呼吸机的研制起步较晚， 1958 年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。 1971年制成电动时间切换定容呼吸机。 直到 20 世纪 90 年代 中末期开始，国产呼吸机的开发力度才有所加大，质量得到了普遍提高。 目前，国产呼吸机在技术上大多数还处于借鉴和模仿国外产品技术，在功能质量方面，尤其是在可靠性上落后于国外发达国家。 目前大部分关键元部件还是以 “ 拿来主义 ” 的方式为主。 通气模式为常用的基本通气模式，基本上能够满足临床使用要求。 国内的呼吸机主要有北京航天长峰股份有限公司的 ACM803 呼吸机、浙江绍兴三五仪表厂的 KTH型系列呼吸机、扬州市宁泰医疗设备厂的 HVJ 型系列呼吸机、江苏凯泰医疗设备有限公司的 HVJ880C 呼吸机、由南昌飞机制造公司飞机设计研究 所研制的 XHCIA 型程控双向喷射呼吸机和 XHYIA 型仙鹤牌应急喷射呼吸机、江西特力麻醉呼吸设备有限公司的 TPR4000 电脑多功能呼吸机、上海医疗器械厂的 SC 型系列呼吸机，以及山东淄博科创电子有限公司的 KCH606 型系列呼吸机 [4]。 国内的呼吸检测仪器 江西特力麻醉呼吸设备有限公司 TPR4000 电脑多功能呼吸机 呼吸信号检测的研究 6 图 14 TPR4000 电脑多功能呼吸机 它采用了国外先进呼吸设备的伺服呼气阀的技术，使呼气切换灵敏，阻力甚小，减少了呼吸气过程中机械死腔。 技术参数： （ 1）间歇正压通气频率： 6～ 60 次 /分 （ 2）呼吸比值： 1： 1～ 1： 3 （ 3）潮气量： 100～ 1500ml/次 （ 4）输出气体氧浓度： 40%～ 76%可调 （ 5）吸气时间显示： ～ 2s （ 6） IPPV吸气流量： ～ 深圳 迈瑞公司 SynoVent E3 呼吸机 SynoVent E5 呼吸机 呼吸信号检测的研究 7 图 15 SynoVent E3 呼吸机 图 16 SynoVent E5 呼吸机 气道阻力、顺应性及呼吸功等参数的测定，充分监测病人呼吸力学的变化，为治疗方案的制定、治疗效果的评定提供了更完善的依据。 实 时描记各种呼吸曲线、呼吸环，且每个呼吸环可存储、对比，帮助医生判断病情发展的治疗效果。 可配备呼气末 CO2模块，连续、动态地显示 EtCO2的数值及波形，实时观察患者呼吸功能状况和动态变化。 技术参数： （ 1）潮气量 252500ml （ 2）峰流速 3150L/min(1BW24kg)、 360L/min(1BW 24kg) （ 3）吸气压力 590cmH2O （ 4）吸气时间 秒 （ 5）吸呼比 149： 11： 249 奥利科公司 PF300 型呼吸机质量检测仪 功能： PF300 集成 最精确的传感器技术，采用人性化的界面设计，提供全功能的图形化分析功能，旨在为呼吸机、麻醉机、流量表、压力表类设备提供可靠和精确的测量，从而有效规避风险的发生。 PF300 具备双向流量、压力、温度、湿度和氧气浓度测量能力。 图 17 PF300 型呼吸机质量检测仪 呼吸信号检测的研究 8 测试软件 FlowLab 提供全参数数值监测、图表式精细化分析以及趋势记录功能。 主机内置温度传感器、湿度传感器，自动测量气体温度、湿度，并实现温度、湿度的自动补偿，确保证流量测量的高精度，尤其是小流量、小压力的稳定测量，是 PF300 的突出优势。 CITREX H4 呼吸机 /麻醉呼吸机质量检测仪 功能： 图 18 CITREX H4 呼吸机 小巧、便携、触摸式彩屏设计，智能化操作。 快速预热设计，准确完成呼吸机/麻醉呼吸机双向压力、流量、容积、呼吸频率、湿度、温度、氧浓度等参数的测量。 主机内置温度传感器，自动测量气体温度，实现温度自动补偿，保证流量测量精度。 测试软件 Webserver 提供全参数数值监测、图表式精细化分析以及趋势记录功能。 目前国内监护仪呼吸参数监测多采用阻抗法 ，只能测量呼吸频率，不能反映呼吸通道的流量、压力和病人呼吸的气体容积等生理参数，对于在机械辅助通气过程中可能给病人造成气压伤、容积伤和肺膨胀不全等不良作用的气道状态不能进行有效的实时监测 [5]。 国外研究现状 国外呼吸机专业厂商主要有美国 Puritan Bent 公司、 Bear Medical systems 公司、 3M Bird 公司、 Respironics 公司和 Newport 公司、西德 Siemens 公司、法国 Taema公司、德国的 Drager 公司等。 国外的呼吸检测仪器 美国泰科公司研制的 PB760 呼吸机 呼吸信号检测的研究 9 图 19 Puritan Bent™ 760 呼吸机 其具有标准化的流量触发及精确的气体传输，采用先进的无摩擦伺服阀作为气体输送系统，使呼吸机系统响应速度快，并且操作界面直观方便。 所以，从研发至今 10 多年仍在国内大、中型医院中被广泛应用。 组成及结构原理： PB760 呼吸机主要由气路系统和电路系统 2 部分组成。 进气子系统、活塞 /汽缸子系统、吸气管路子系统和患者管路子系统的作用是为患者提供空气和氧气的吸入和呼出通道，提供压力过高气体排放通道，对吸入通道和呼出通道进行切换，并且对患者吸氧浓度及潮气量进行控制和检测； PEEP 子系统主要由储气箱和 PEEP 泵构成，主要作用是产生用户设定的 PEEP；呼气子系统包括呼气单向阀组件、呼气加热器组件、呼气温度传感器组件、呼气阀组件、呼气流量传感器组件等，其作用是提供呼出通道，并且监测呼出潮气量和呼出气体温度 [6]。 电路系统的作用 是接受用户对呼吸参数的输入，控制气路系统的工作和监测患者的呼吸参数。 缺点：氧浓度监测不准确。 当氧浓度设置为 21%时，监测显示为 18%；当氧浓度设置为 50%时，监测显示为 42%。 氧浓度越往上调，偏差越大。 德国西门子公司研制的 900C 呼吸机 呼吸信号检测的研究 10 图 110 900C 呼吸机 900C 呼吸机以控制精确度高、性能稳定、故障率低而闻名，因而在各大医院应用也较为广泛。 主 要由气动单元、电子单元两大部分组成。 气动单元由压力传感器、流量传感器、空气混合器等精密的元器件组成。 主要元件的工作原理：流量传感器上有两通道，大的通道为主通道，小的通道为测量孔。 在主通道上加有金属网，这样当有气体流过时，就会产生一定的阻力迫使部分气体通过测量孔，产生一定的压力，从而使晶体倾斜，引起晶体两端电阻偏移。 根据晶体两端的电阻变化，可得到相应的压力信号，由压力信号再换算成流量信号。 900C 呼吸机内有呼气流量传感器及吸气流量传感器。 这是为了防止病人呼出气体中的水汽在呼气流量传感器上凝结，影响测量的准 确度，因而呼出流量传感器在使用过程中，加热电阻被通电加热。 而通过吸气流量传感器的空氧混合气体，是干燥气体，其加热电阻没被通电，所以就不会有热的感觉 [7]。 美国纽邦 150 型呼吸机 呼吸信号检测的研究 11 图 111 150 型呼吸机 其结构紧凑、可移动、操作简单、功能多、应用范围广、易于维护等特点，深受临床医务人员的喜欢，在临床上有着大量的使用。 技术参数： （ 1）峰压： 080cmH2O （ 2）潮气量范围： 53000ml （ 3） PEEP（呼气末正压）： 045 （ 4）吸 /呼比： 1： 994： 1 Taema 公司的 Taema Horus 呼吸机 呼吸信号检测的研究 12 图 112 Taema Horus 呼吸机 技术参数： （ 1）潮气量： 201500 毫升 （ 2）峰值流量： 250 升 /分钟 （ 3）呼吸频率 480 次 /分钟 （ 4）吸气时间呼吸周期的 2080% （ 5）吸气平台吸气时间的 060% 近年来，呼吸力学是以工程学的观点和方法研究呼吸生理学中呼吸系统的力学问题。 研究呼吸系统的力学问题，是希望能有助于对呼吸生理和病理的了解，因此研究的重点 就在于呼吸力学参数的测量。 呼吸力学参数的测量是肺功能评价和手术病人麻醉过程中对呼吸功能评价的重要方法，也是对呼吸机当前的状态提供动态监测的方法，这些在临床上都具有重要的实际意义 [8]。 国外采用呼吸力学测量技术的公司主要有 DatexOhmeda、 GE、 Hamilton、Philips 等，而能以 OEM 方式提供呼吸力学模块的生产公司主要有 CPT、NOVAMETRIX 等。 国产监护仪中还没有采用这项技术，如能开发完成呼吸力学模块并应用到监护仪中将可以提升监护仪的性能，实现监护仪的多参数化，就可以弥补国 内在这项技术开发方面的不足，缩小与跨国医疗公司监护产品的距离。 虽然国内呼吸机从诞生到现在已经有了很大的发展，但是目前还存在一些不足之处，具体有以下几点： （ 1）都是在消化吸收国外先进呼吸机的基础上，结合我国国情设计生产的一系列高、中、低档呼吸机，然而高档呼吸机很少； （ 2）基本功能齐全，操作简单明了 [9]。 呼吸信号检测的研究 13 第二章 系统总体设计 硬件部分 硬件电路系统组成 图 21 呼吸信号硬件总体框架图 本文设计的呼吸信号检测硬件系统，具有准确性较高、成本低、体积始终的特点。 该系统通过对呼吸压力和频率信号的采集，经过初级和次级放大电路放大后由单片机内部 A/D 将其转换为数字信号，然后再通过串口通信方式经由 RS485 模块将数据输入到 PC 机中进行 进一步的处理。 本论文中硬件部分使用 Protel 99 SE 软件设计，下面是对次软件的简单介绍。 Protel 99 SE 简介 Protel 99 SE 主要由两大部分组成。 一部分是电路图设计，另外一部分则是电路仿真和 PLD设计。 电路图部分是比较常用的一部分，主要包括电路原理图的绘制、电路板设计和 PCB 的自动布线器这三大模块。 在这些模块中包含了原理图编辑器、元器件库编辑器、相应报表生成器、电路板编辑器、元器件编辑器、电路板组成管理器等。 在电路仿真和 PLD 设计模块中主要应用于设计电路的仿真模拟，也可用于可编程器件的设计，还可以进行高级信号完整性分析。 操作简单还拥有如此强大的功能使得 Protel 99 SE 软件满足了绝大多数电子电路设计者的需求。 呼吸信号检测的研究 14 软件部分 软件模块 图 22 系统软件结构图 本系统中软件部分主要实现串行通讯、数据传输、波形显示、报警、数据保存等功能。 系统软件的结构框图如图 22 所示。 首先用户调好模拟单片机串口的端口，点击测量，系统开始采集数据，显示波形。 经过处理的数据由 LabVIEW 的实时趋势图控件（ WaveformChart）显示出信号曲线。 除此以外我们还。