王亞林，張　廣，吳太虎

一種便攜式呼氣末CO2監(jiān)測儀的研制

王亞林，張廣，吳太虎

目的：研制一種便攜式呼氣末CO2監(jiān)測儀，用于現(xiàn)場急救及轉(zhuǎn)運過程中患者的生理監(jiān)測。方法：以單片機作為控制核心，與呼氣末CO2檢測模塊、SD存儲模塊進行串口通信，同時由供電模塊進行電源管理，并設計相應的軟件系統(tǒng)。結果：該監(jiān)測儀性能穩(wěn)定，軟、硬件工作正常，可靠性高，相應的報警和顯示正常。結論：該監(jiān)測儀基本達到了預期的設計指標，可廣泛應用于傷員轉(zhuǎn)運及現(xiàn)場急救中對患者的安全監(jiān)測。

呼氣末CO2；監(jiān)測儀；急救

0　引言

美國麻醉醫(yī)師協(xié)會和英國與愛爾蘭麻醉師聯(lián)合會在2011年修訂了規(guī)程，要求所有的麻醉過程中都必須監(jiān)測患者通氣狀況[1-3]。呼氣末CO2監(jiān)測儀可以無創(chuàng)、持續(xù)地監(jiān)測患者呼吸周期內(nèi)的CO2壓力或體積分數(shù)，并可以通過數(shù)字和波形顯示[4-5]。呼氣末CO2值不僅能直觀地反映肺的通氣效率，還可以為人體的循環(huán)功能提供參考，已成為麻醉患者和重癥患者非常重要的監(jiān)測指標之一[6-8]。為普及呼氣末CO2監(jiān)測技術并降低高昂的進口設備的使用成本，造福廣大國內(nèi)患者，我們決定自主研發(fā)呼氣末CO2監(jiān)測儀。

本監(jiān)測儀由微控制器進行數(shù)據(jù)采集和處理，利用非色散紅外（non-dispersive infrared，NDIR）吸收原理實現(xiàn)對患者呼氣氣路中CO2壓力的實時、連續(xù)和無創(chuàng)監(jiān)測。CO2在波長為4.26 μm的紅外光處有一個強烈的吸收峰，所以紅外光通過監(jiān)測氣室的時候會吸收掉一部分的CO2分子，吸收率與CO2的體積分數(shù)成比例，吸收規(guī)律符合郎伯-比爾吸收定律[9]，經(jīng)過計算機處理后可顯示呼氣末CO2波形和測量值。紅外線吸收腔室原理如圖1所示。

圖1　紅外線吸收腔室原理圖

1　系統(tǒng)功能邏輯結構

該系統(tǒng)由單片機作為控制核心，與呼氣末CO2檢測模塊、SD存儲模塊進行串口通信，同時由供電模塊進行電源管理，并能進行相應的報警和顯示。系統(tǒng)邏輯結構框圖如圖2所示。

圖2　呼氣末CO2監(jiān)測儀系統(tǒng)結構框圖

2　系統(tǒng)設計

2.1硬件

2.1.1呼氣末CO2采集模塊

呼氣末CO2采集模塊的結構示意圖如圖3所示，它由氣室、紅外光源、紅外探測器、濾光片、放大及控制電路、負壓泵等組成，腔體內(nèi)有溫度傳感器LM35，氣室外有半導體制冷器件，由穩(wěn)壓光源電路驅(qū)動紅外光源。在工作狀態(tài)下，患者呼氣回路中的氣體在負壓泵的作用下被抽進進氣口，光源電路驅(qū)動紅外光源使其發(fā)出紅外光，經(jīng)過氣室、濾光片被探測器接收。放大電路和控制電路對溫度傳感器采集的溫度信號進行放大、采樣、運算處理后控制半導體制冷器件，使氣室處于恒溫狀態(tài)，并同時對采集到的CO2信號進行放大處理。對得到的溫度值進行軟件補償，運算處理后得到精確的呼氣末CO2值。

2.1.2存儲模塊

存儲記錄模塊要存儲大量的呼氣末CO2數(shù)據(jù)。同時，模塊還需具有靈活、可拔插的特點，從而方便對數(shù)據(jù)進行分析。為提高設計效率，選擇文件管理控制芯片CH376進行SD卡數(shù)據(jù)讀寫操作。SD卡模塊硬件原理如圖4所示。圖中CH376的串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）與微控制器普通I/O引腳模擬SPI連接進行通信。CH376的INT#引腳連接微控制器外部中斷引腳獲知SD卡中斷。

2.1.3電源模塊

系統(tǒng)內(nèi)部需要的3.3、5和12 V直流供電由3個開關電源模塊電路LM2596和LM2575構成，其直流輸出分別如圖5～7所示。

2.2軟件設計

主控制單元的軟件流程主要可分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、人機界面數(shù)據(jù)交互、報警處理和液晶顯示7個部分，其流程如圖8所示。

圖3　呼氣末CO2監(jiān)測儀采集模塊邏輯框圖

圖4　呼氣末CO2監(jiān)測儀SD卡模塊硬件原理圖

上位機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的格式見表1，下位機向上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)格式見表2。

測量狀態(tài)下數(shù)據(jù)發(fā)送格式與內(nèi)容如下：

SendData[0]=2//數(shù)據(jù)起始；

SendData[1-2]=//數(shù)據(jù)長度；

SendData[3-4]=//模塊響應1 B 2個ASCII碼；

SendData[5-6]=//模塊狀態(tài)1 B 2個ASCII碼；

SendData[7-10]=//模塊狀態(tài)消息2 B 4個ASCII碼；

圖5　呼氣末CO2監(jiān)測儀12 V直流輸出圖

圖6　呼氣末CO2監(jiān)測儀5 V直流輸出圖

圖7　呼氣末CO2監(jiān)測儀3.3 V直流輸出圖

圖8　呼氣末CO2監(jiān)測儀軟件流程圖

表1　上位機發(fā)送數(shù)據(jù)格式

表2　下位機發(fā)送數(shù)據(jù)格式

SendData[11-14]=//濃度AD量化值；

SendData[15-18]=//CO2曲線濃度；

SendData[19-22]=//呼氣末CO2濃度；

SendData[23-26]=//吸氣末CO2濃度；

SendData[27-28]=//呼吸率；

SendData[29-30]=//流量；

SendData[31-34]=//數(shù)據(jù)查詢結果；

SendData[35-38]=//校準狀態(tài)；

SendData[39-40]=//數(shù)據(jù)校驗和；

SendData[41]=3//數(shù)據(jù)結束；

2.3結構設計

該便攜式監(jiān)測儀結構如圖9所示。

圖9　呼氣末CO2監(jiān)測儀結構設計圖

3　實驗與討論

選擇已經(jīng)應用于臨床的且近期做過氣體校準的深圳市紐泰克的NT1D掌式生命體征監(jiān)護儀和本文研制的呼氣末CO2監(jiān)測儀樣機，對同一個受試者進行監(jiān)測，同步記錄所監(jiān)測的呼氣末CO2以及呼吸率，每個參數(shù)的數(shù)據(jù)組數(shù)為300組，記錄其平均值及標準差，評價監(jiān)測結果的一致性，結果見表3～5。 mmHg次/min

表3　2臺設備呼氣末CO2含量監(jiān)測結果比較

表4　2臺設備呼吸率監(jiān)測結果比較

表5　2臺設備響應時間監(jiān)測結果比較

從表3～5可以看出，2臺設備對同一患者的呼吸率以及呼氣末CO2含量監(jiān)測結果都不具有顯著性差異，說明樣機部分滿足了使用的要求。而從2臺設備的響應時間來看，樣機比NT1D的時間要長，說明其離工業(yè)生產(chǎn)還有距離，還需要更進一步的改進。

4　應用效果

本便攜式呼氣末CO2監(jiān)測儀的研制任務來源于國家科技支撐項目“高級重癥監(jiān)護型救護車”，是針對患者轉(zhuǎn)運及現(xiàn)場救治過程中的實際需求而研發(fā)的[10]。在78人次（基本資料見表6）的近300多次驗證試驗中，其性能穩(wěn)定，軟、硬件工作正常，可靠性高，異常報警監(jiān)測情況良好。

表6　樣本特征（n=78）

5　結論及展望

當前，利用監(jiān)測患者呼氣末CO2來進行醫(yī)療輔助診斷和確保醫(yī)療安全這項技術的使用受限，臨床上國內(nèi)還沒有將該項內(nèi)容當作常規(guī)監(jiān)測，不像心電、血氧、無創(chuàng)血壓等參數(shù)那樣被廣泛應用。為了便于轉(zhuǎn)運和急救中對患者進行持續(xù)無創(chuàng)監(jiān)測，普及和推廣呼氣末CO2指標的應用，急需研發(fā)輕巧便攜且質(zhì)優(yōu)價廉的呼氣末CO2監(jiān)測儀，為廣大國內(nèi)患者造福。

本文提出了一種技術實用可行且結構合理的便攜式呼氣末CO2監(jiān)護儀的總體系統(tǒng)架構，并詳細介紹了系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)過程。經(jīng)多次實驗與試用，監(jiān)測儀基本達到了預期的設計指標，操作方便，功能完備，性能可靠。該便攜式監(jiān)測儀可廣泛應用于傷員轉(zhuǎn)運及現(xiàn)場急救中對患者的安全監(jiān)測，具有很好的使用前景。

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（收稿：2014-11-12修回：2015-02-12）

Development of portable end-tidal carbon dioxide monitor

WANG Ya-lin1,2,ZHANG Guang1,WU Tai-hu1
(1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.Department of Medical Engineering,Navy General Hospital,Beijing 100048,China)

Objective To develop a portable end-tidal carbon dioxide monitor for the patient's physiological monitoring during the process of the first aid and transport.Methods MCU was used as the core of the control system to communicate with the ETCO2detection module and the SD memory module.The power supply module and software system were realized for the monitor.Results The monitor had high stability,reliability and performances.Conclusion The monitor meets the desired requirements,and can be used for the monitoring of the patients during first aid or transportation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：9-12]

end-tidal carbon dioxide;monitor;first aid

[中國圖書資料分類號]R318.6；TH772.2A

1003-8868（2015）05-0009-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.009

國家科技支撐計劃（2012BAI20B00）

王亞林（1984—），男，助理工程師，主要從事生物醫(yī)學工程方面的研究工作，E-mail：276558008@qq.com。

300161天津，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所（王亞林，張廣，吳太虎）；100048北京，海軍總醫(yī)院醫(yī)學工程科（王亞林）

（1）單片機。系統(tǒng)采用dsPIC30F6015作為處理芯片。該芯片的程序地址空間有4 MB的指令字，工作寄存器陣列由16個16 bit寄存器組成，每個工作寄存器都可以充當數(shù)據(jù)、地址或地址偏移量寄存器。它作為系統(tǒng)的核心控制部分負責對采樣數(shù)據(jù)進行分析和處理，對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制管理。

（2）呼氣末CO2檢測模塊。該模塊采用具有非分散紅外光源的新型紅外氣體傳感器，該傳感器通過采用電調(diào)制紅外光源、高精度干涉濾光片一體化紅外傳感器以及光強度補償算法來實現(xiàn)呼氣末CO2氣體的實時測量。

（3）供電模塊。負責對系統(tǒng)進行供電和電源管理，模塊為整個系統(tǒng)提供3.3、5及12V的工作電壓。

（4）人機交互。人機交互部分由LCD、蜂鳴器構成，負責指導和提示呼氣末CO2的監(jiān)測，并對監(jiān)測結果進行顯示，在必要時產(chǎn)生報警信號。

（5）存儲模塊。存儲記錄部分由SD卡及相應外圍控制電路組成，負責對呼氣末CO2有關數(shù)據(jù)進行存儲記錄，便于日后分析。