丁 靜，印中鵬，管亞東

（東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院高壓氧科，南京 210002）

0 引言

高壓氧治療是神經(jīng)重癥患者重要的康復(fù)手段，但氧艙內(nèi)環(huán)境壓力變化增加了人工氣道氣囊壓力的管理難度。多數(shù)神經(jīng)重癥患者病程早期建立有人工氣道，由于人工氣道損害了正常呼吸道的防御機(jī)制，增加了氣囊上方含有定植菌群口咽分泌物的滯留，成為醫(yī)院獲得性肺炎/呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎（hospital acquired pneumonia/ventilator associated pneumonia，HAP/VAP）的重要危險(xiǎn)因素[1]。氣囊壓力管理是控制HAP/VAP 發(fā)生率的重要手段之一[2]。中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)呼吸治療學(xué)組編制的《人工氣道氣囊的管理專家共識(shí)（草案）》[3]建議氣囊壓力保持在25~30 cmH2O（1 cmH2O=98.06 Pa）范圍內(nèi)，氣囊充氣不足（＜25 cmH2O）易導(dǎo)致滯留物進(jìn)入下呼吸道引起肺部感染，氣囊充氣過度（＞30 cmH2O）可造成氣管黏膜潰瘍、壞死，嚴(yán)重者可導(dǎo)致氣管-食管瘺。人工氣道氣囊壓力連續(xù)監(jiān)測管理技術(shù)對控制HAP/VAP 發(fā)病率有較大價(jià)值[4-5]。

高壓氧治療期間的環(huán)境壓力變化幅度為0~120 kPa，須動(dòng)態(tài)實(shí)施氣囊測壓、充氣、放氣操作才能維持氣囊壓力在25~30 cmH2O 范圍，實(shí)現(xiàn)預(yù)防HAP/VAP 及氣管黏膜受壓損傷的目的[6]。徐鳴鴻等[7]和宋艷媚等[8]報(bào)道的高壓氧治療期間氣囊管理方法均為升壓前氣囊內(nèi)單次預(yù)注入3~5 mL 空氣或生理鹽水，減壓結(jié)束后抽除相應(yīng)體積的介質(zhì)，期間人工氣道氣囊壓力狀態(tài)不明，增加了發(fā)生人工氣道并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究適宜氧艙內(nèi)使用的智能監(jiān)控裝置對改進(jìn)神經(jīng)重癥高壓氧治療技術(shù)具有重要意義。筆者研制一種氧艙內(nèi)人工氣道氣囊壓力智能監(jiān)控裝置，已成功應(yīng)用于20 名患者計(jì)324 人次。

1 裝置研制

本裝置主要由硬件和軟件2 個(gè)部分組成。其中硬件包含單片機(jī)、壓力傳感器、微氣泵、微電磁氣閥、存儲(chǔ)卡、鋰電池等元件；軟件使用STM32CubeMX 搭建程序框架，嵌入引導(dǎo)程序（BootLoader）和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real-time operating system，RTOS）主程序。在RTOS 統(tǒng)籌下，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的氣囊壓力管理目標(biāo)的上限值、下限值，控制微氣泵或微電磁氣閥通斷，執(zhí)行充氣或放氣等諸多任務(wù)，智能實(shí)現(xiàn)氣囊壓力高于氧艙環(huán)境25~30 cmH2O 的管理目標(biāo)。氣囊壓力智能監(jiān)控裝置工作原理示意圖如圖1 所示。同時(shí)，本裝置還具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)和查詢的功能；在氣囊壓力超范圍或設(shè)備故障時(shí)，能夠智能識(shí)別并發(fā)出如圖2 所示的聲光報(bào)警提示。

圖1 氣囊壓力智能監(jiān)控裝置工作原理示意圖

圖2 氣囊壓力智能監(jiān)控裝置報(bào)警提示

1.1 主要硬件

1.1.1 單片機(jī)

本裝置選用ST 公司的STM32L151 單片機(jī)。該單片機(jī)利用Cortex-M3 內(nèi)核和頻率介于32 kHz~32 MHz的CPU 時(shí)鐘，在不降低單片機(jī)性能的狀態(tài)下保持超低功耗；集成的12 位1 MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digtal converter，ADC）進(jìn)一步提高了壓力傳感器采樣的準(zhǔn)確性。單片機(jī)依據(jù)氣囊壓力管理值及采集的壓力傳感器電信號，通過對微氣泵、微電磁氣閥的控制，維持氣囊壓力處于管理目標(biāo)值范圍內(nèi)。氣囊壓力智能監(jiān)控裝置主板電子元件如圖3 所示。

圖3 氣囊壓力智能監(jiān)控裝置主板電子元件實(shí)物圖

1.1.2 壓力傳感器

本裝置選用蕪湖芯硅智電子科技有限公司生產(chǎn)的XGZP6847A040KPG 表壓型壓力傳感器，工作壓力為-100 kPa～1.5 MPa，壓力量程為0～40 kPa。該壓力傳感器由應(yīng)變器和調(diào)理器2 個(gè)部分組成：應(yīng)變器為高精度硅壓阻式壓力應(yīng)變器（piezoresistive silicon pressure transducer，PSPT）；調(diào)理器內(nèi)置ADC、功率放大器（power amplifier，PA）、數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）等功能模組。采集的壓力信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、功率放大、數(shù)字信號處理修正后，由Vout 引腳傳輸至單片機(jī)讀取和處理，完成氣囊壓力電信號的采集。

1.1.3 微氣泵

本裝置選用深圳市時(shí)光電子有限公司生產(chǎn)的SC2701XPM 微氣泵。壓力傳感器感應(yīng)到氣囊壓力低于下限值時(shí)，由單片機(jī)通過如圖4 所示的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（metal-oxide-semiconductor，MOS）集成電路控制微氣泵通電，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)充氣。

1.1.4 微電磁氣閥

本裝置選用深圳市時(shí)光電子有限公司生產(chǎn)的SC0415GB 微電磁氣閥。壓力傳感器感應(yīng)到氣囊壓力高于上限值的持續(xù)時(shí)長達(dá)到放氣時(shí)間（常設(shè)為5 s）時(shí)，由單片機(jī)通過如圖4 所示的MOS 集成電路控制微電磁氣閥通電，實(shí)現(xiàn)放氣。

圖4 MOS 集成電路圖

本裝置選用的微氣泵、微電磁氣閥和MOS 集成電路的絕緣等級均為A 級，符合氧艙內(nèi)電氣使用安全規(guī)定[9]。

1.1.5 存儲(chǔ)卡

本裝置采用1 張SD 卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介。SD卡接口直連單片機(jī)硬件SDIO（secure digital input and output）外設(shè)，SDIO 總線頻率可達(dá)24 MHz。SD 卡中的數(shù)據(jù)可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件中進(jìn)行分析。

1.1.6 鋰電池

本裝置內(nèi)置主電源為1 節(jié)松下NCR18650B 可充電鋰電池，標(biāo)稱電壓3.6 V、容量3 000 mAh，鋰電池保護(hù)板持續(xù)工作電流≤3 A，滿電續(xù)航時(shí)間＞8 h；主板設(shè)置1 節(jié)精工電子有限公司生產(chǎn)的MS621FE 可充電鋰電池，標(biāo)稱電壓3 V、容量5.0 mAh，為裝置時(shí)鐘記憶提供電源，滿電續(xù)航時(shí)間＞2 a。2 款電池參數(shù)均符合GB/T 12130—2020《氧艙》中電氣系統(tǒng)相關(guān)要求[10]。

1.2 軟件

本裝置系統(tǒng)軟件由引導(dǎo)程序（BootLoader）和RTOS 主程序組成，采用MDK 進(jìn)行嵌入式開發(fā)。

BootLoader 在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。其啟動(dòng)邏輯如圖5 所示。

圖5 BootLoader 啟動(dòng)邏輯

RTOS 主要用于系統(tǒng)軟件初始化、自檢、讀取顯示、輸入等。系統(tǒng)上電后，順序開始時(shí)鐘、功能引腳、串行數(shù)據(jù)總線、非易失存儲(chǔ)器、ADC、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（realtime clock，RTC）、LCD 顯示模組（LCD module，LCM）等功能模組的初始化。初始化完畢后，執(zhí)行傳感器、微氣泵、微電磁氣閥等主要部件功能的自檢，如自檢出部件功能異常，LCM 會(huì)顯示異常代碼。自檢完畢后，RTOS 統(tǒng)籌傳感器數(shù)值讀?。l率1 次/s）、LCM刷新、按鍵讀取、微氣泵驅(qū)動(dòng)、微電磁氣閥驅(qū)動(dòng)、電量檢測、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等諸多任務(wù)項(xiàng)目，保證裝置高效、智能、精準(zhǔn)完成氣囊壓力智能監(jiān)控管理。

2 使用方法

在高壓氧治療準(zhǔn)備階段，按照圖6 所示安裝方法連接管路，安裝時(shí)注意旋緊魯爾接頭，確保氣密性。

圖6 氣囊壓力智能監(jiān)控裝置安裝示意圖

操作步驟如下：（1）裝置通電啟動(dòng)、自檢后進(jìn)入備用狀態(tài)，按“Menu”鍵后屏幕顯示主菜單界面。（2）選擇并進(jìn)入檔案管理界面，錄入患者ID 號。（3）返回主菜單界面后，選擇并進(jìn)入監(jiān)控參數(shù)設(shè)定界面：首先，進(jìn)入壓力設(shè)置界面，設(shè)置氣囊壓力管理目標(biāo)的上限值（30 cmH2O）和下限值（25 cmH2O）；其次，進(jìn)入放氣時(shí)間設(shè)置界面，將放氣時(shí)間（即氣囊壓力持續(xù)高于上限值的時(shí)長）設(shè)置為5 s。常規(guī)高壓氧治療方案的環(huán)境壓力變化幅度為100 kPa，將放氣時(shí)間設(shè)置為5 s，有利于減少減壓階段“Hi”報(bào)警提示。（4）參數(shù)設(shè)定完畢后長按“R/P”鍵，設(shè)備正式運(yùn)行，屏顯數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7（a）顯示即時(shí)監(jiān)測數(shù)值和逆時(shí)60 s 時(shí)段數(shù)值線圖，綠燈閃爍提示氣囊壓力在25~30 cmH2O 范圍內(nèi)；圖7（b）顯示即時(shí)監(jiān)測數(shù)值、“Hi”提示碼，紅燈閃爍提示氣囊壓力＞30 cmH2O 的持續(xù)時(shí)間＞5 s。裝置運(yùn)行期間監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD 卡中，供使用結(jié)束后查詢和導(dǎo)入計(jì)算機(jī)分析。

圖7 氣囊壓力智能監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)顯示界面

3 臨床應(yīng)用

2020 年10 月至2022 年2 月，將本裝置應(yīng)用于20 名高壓氧治療患者（計(jì)324 人次），治療方案為：治療壓力100 kPa（表壓）；一級吸氧30 min×2 次、間歇呼吸艙內(nèi)壓縮空氣5 min；總治療時(shí)間100 min。分析SD 卡存儲(chǔ)的100 min 治療時(shí)長監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣囊壓力處于25~30 cmH2O 范圍的累計(jì)時(shí)長均＞99 min。

以進(jìn)行高壓氧治療的某患者為例進(jìn)行本裝置應(yīng)用效果分析，患者一般資料：男性，45 歲，腦出血血腫清除術(shù)后15 d，中度昏迷，格拉斯哥昏迷評分（Glasgow coma scale，GCS）為9 分（E3V1M5），氣管切開狀態(tài)，自主呼吸，呼吸頻率為12~16 次/min。裝置的氣囊壓力管理目標(biāo)值設(shè)為25~30 cmH2O，治療結(jié)束后查詢SD 卡存儲(chǔ)的氣囊壓力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖8 所示。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)一步分析，100 min 高壓氧治療期間記錄氣囊壓力數(shù)值6 000 次（1 次/s），均值為（26.12±1.79）cmH2O，在25~30 cmH2O 范圍內(nèi)時(shí)長占比為99.80%?！癏i”“Lo”提示碼顯示頻次與患者咳嗽、屏氣、呃逆、吸痰等影響胸腔壓力的事件有關(guān)，間接體現(xiàn)了患者高壓氧治療期間呼吸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)情況。

圖8 高壓氧治療期間氣囊壓力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

4 結(jié)語

本裝置以單片機(jī)為核心，在軟件統(tǒng)籌下實(shí)現(xiàn)了氧艙內(nèi)氣囊壓力智能監(jiān)控、實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警提示、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回顧查詢和分析等功能，避免了現(xiàn)有氧艙升壓前單次人工氣囊注氣、注水操作等氣囊管理方法的缺陷。本裝置可克服氧艙內(nèi)環(huán)境壓力變化的不利影響，實(shí)現(xiàn)患者氣囊壓力25~30 cmH2O范圍時(shí)長占比＞99%，降低了氣囊壓力管理不當(dāng)導(dǎo)致的HAP/VAP 發(fā)生率及氣道黏膜受壓損傷風(fēng)險(xiǎn)，提高了高壓氧治療的安全性和療效。

本裝置為臨床提供了一種高壓氧治療期間人工氣道氣囊壓力的持續(xù)監(jiān)測和自動(dòng)管理方案，拓寬了氧艙智能化的理念[11]，具有較好的推廣應(yīng)用前景。本裝置的不足之處在于未實(shí)現(xiàn)氣囊監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)艙外顯示功能，在后續(xù)的研究中，可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氧艙外醫(yī)護(hù)人員通過智能終端設(shè)備實(shí)時(shí)了解患者氣囊壓力狀態(tài)的功能。

志謝感謝無錫康萊醫(yī)療科技有限公司倪文彬、 侍明春工程師對裝置研制給予重要支持