李林霞，高俊波，范 榕，吳 霆，徐亞蛟，劉彥琪，馬 進(jìn)，王云英*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系航空航天生理學(xué)教研室，西安 710032；2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所第四研究室，河北邯鄲 056002；3.咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)院護(hù)理教研室，西安 712046）

0 引言

醫(yī)用氧是用于搶救危重患者的藥品，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到醫(yī)療效果和生命安全[1]。醫(yī)用氣體系統(tǒng)作為生命支持系統(tǒng)，用于維系危重患者生命、促進(jìn)其康復(fù)以及支持各種醫(yī)用治療工具的運(yùn)行，其質(zhì)量是醫(yī)療安全中不可忽視的重要因素。GB 8982—2009《醫(yī)用及航空呼吸用氧》中明確規(guī)定了醫(yī)用氧的技術(shù)要求，對氧氣體積分?jǐn)?shù)、水分含量、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)、氣態(tài)酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)含量、總烴含量等指標(biāo)做出了具體要求；同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)亦規(guī)定醫(yī)用氧由生產(chǎn)廠負(fù)責(zé)出廠檢驗(yàn)[2]。隨著常溫空分技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的變壓吸附技術(shù)和氣體膜分離技術(shù)及產(chǎn)品日臻成熟，由于新型制氧設(shè)備能從空氣中直接富集體積分?jǐn)?shù)高于99.5%的醫(yī)用氧，且不受消防間距的限制，因此成為醫(yī)院集中供氧的首選氧源，也能提升醫(yī)院用氧品質(zhì)并保證供氣安全[1-3]。

在采用空分或者氧燭等技術(shù)制備醫(yī)用氧時(shí)，如果設(shè)備出現(xiàn)故障或制備過程出現(xiàn)失誤，其氧氣體積分?jǐn)?shù)和雜質(zhì)含量可能會達(dá)不到醫(yī)用氧的質(zhì)量指標(biāo)，從而對患者的身體造成傷害，嚴(yán)重情況可能影響生命安全，從而發(fā)生醫(yī)療事故，因此需要研制一款能夠?qū)︶t(yī)用氧進(jìn)行現(xiàn)場快速分析檢測的設(shè)備[4-7]。特別是按照現(xiàn)行航空用氧的衛(wèi)勤保障要求，航空軍醫(yī)需對機(jī)載供氧裝備中的氧氣進(jìn)行質(zhì)量檢測，亦需要可在機(jī)上使用的小型設(shè)備。目前醫(yī)用氧的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法是銅氨溶液吸收法，該方法一般只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并不適用于用氧現(xiàn)場的快速分析檢測，而常見的便攜式氧氣分析儀只是測量空氣中的常量氧氣，無法對高純氧氣進(jìn)行檢測。鑒于此，本文研制一種體積小、質(zhì)量輕、測量精度高、穩(wěn)定性好的便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀，能夠?qū)︶t(yī)用氧或航空用氧中的多組分氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，從而保障用氧的安全[8]。

1 硬件設(shè)計(jì)

便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀采用STM32F103RC作為主控制器，完成信號采集、計(jì)算處理、人機(jī)交互控制和數(shù)據(jù)通信等功能[9]。其硬件由電源管理模塊、氧氣檢測模塊、一氧化碳/氯氣檢測模塊、流量/二氧化碳檢測模塊、露點(diǎn)檢測模塊組成，硬件組成框圖如圖1 所示。

圖1 便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀硬件組成框圖

1.1 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊由鋰電池組、充電電路、降壓電路和升壓電路組成。

鋰電池組由6 節(jié)18650 鋰電池組成，采用二串三并的組合形式。

充電電路使用CN3702 充電管理芯片，采用脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）降壓模式對鋰電池組進(jìn)行充電管理，具有恒流和恒壓充電模式。恒流充電模式下，充電電流通過電阻R1 進(jìn)行設(shè)置；恒壓充電模式下，電壓調(diào)制在8.4 V，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到電阻R5 設(shè)置的值時(shí)，充電結(jié)束。充電電路圖如圖2 所示。

圖2 充電電路圖

升壓電路使用MC34063 芯片，該芯片由具有溫度自動補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器、大電流輸出開關(guān)電路組成，是升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心。升壓電路如圖3 所示。

圖3 升壓電路圖

降壓電路分別采用K7805、LM2596、RT9193 等芯片將鋰電池組的電壓轉(zhuǎn)換成5.0、3.6、3.3 V，其中5.0 V 用于二氧化碳傳感器供電，3.6 V 用于氧化鋯傳感器加熱，3.3 V 用于主控制器及信號采集電路使用。

1.2 氧氣檢測模塊設(shè)計(jì)

氧氣檢測模塊采用基于氧化鋯的離子流傳感器（型號為SO-E2-960），氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)通過高溫形成氧濃差電池，氧離子會在電解質(zhì)中流動，從而形成電流[10-11]。向傳感器施加電壓，能夠限制氧離子的流動速率，輸出電流則趨于飽和。輸出電流和氧氣體積分?jǐn)?shù)成比例關(guān)系，滿足下面的公式：

式中，Is為傳感器的輸出電流，單位為μA；vO2為氧氣體積分?jǐn)?shù)，單位為%；k為傳感器的特定常數(shù)。

圖4為氧氣傳感器的輸出電流隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化曲線，由此可以看出，氧氣傳感器的輸出電流在低體積分?jǐn)?shù)時(shí)變化率小，而在高體積分?jǐn)?shù)時(shí)變化率大。醫(yī)用氧氣測量時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)在99%以上，因此該傳感器符合醫(yī)用氧檢測需求。在本分析儀設(shè)計(jì)過程中，只截取氧氣體積分?jǐn)?shù)在90%～100%的區(qū)間進(jìn)行標(biāo)定，能夠提高分析儀對高體積分?jǐn)?shù)氧氣的檢測精度，更適合醫(yī)用氧氣的檢測。

圖4 氧氣傳感器的輸出電流隨氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的曲線

氧化鋯傳感器在使用時(shí)必須要對其進(jìn)行加熱，使用3.6 V 電壓對其進(jìn)行加熱，同時(shí)向其施加1.6 V的電壓。采用運(yùn)算放大器將傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，主控制器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理后可得到氧氣體積分?jǐn)?shù)。氧氣檢測電路圖如圖5 所示。

圖5 氧氣檢測電路圖

1.3 一氧化碳/氯氣檢測模塊設(shè)計(jì)

一氧化碳/氯氣檢測模塊采用電化學(xué)原理傳感器（一氧化碳傳感器型號為CO-B4，氯氣傳感器型號為4CL），結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、性能穩(wěn)定、選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)[12]。其檢測原理是被測氣體進(jìn)入傳感器內(nèi)部發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)過程中會形成電流信號，該電流大小與氣體體積分?jǐn)?shù)成正比。

采用LMP91000 將電化學(xué)原理傳感器信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。LMP91000 是一種可編程模擬前端，適用于微功耗電化學(xué)傳感器，能夠生成與電化學(xué)電流成比例的輸出電壓。主控制器可以通過I2C 通信對LMP91000 的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并通過ADC 引腳采集LMP91000 輸出的模擬電壓，從而計(jì)算得到一氧化碳和氯氣的體積分?jǐn)?shù)。

1.4 流量/二氧化碳檢測模塊設(shè)計(jì)

流量/二氧化碳檢測模塊由氣體流量傳感器和二氧化碳傳感器組成。氣體流量傳感器采用Siargo公司生產(chǎn)的FS4001 型MEMS 質(zhì)量流量傳感器，該傳感器采用熱質(zhì)量流量計(jì)，靈敏度高、有極小的始動流量、功耗低，且響應(yīng)時(shí)間快。二氧化碳傳感器采用基于非色散紅外原理的光學(xué)傳感器（型號為MSH-P/CO2），該傳感器選擇性好、穩(wěn)定性高[13]。其原理是當(dāng)紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定體積分?jǐn)?shù)的待測氣體吸收之后，與氣體體積分?jǐn)?shù)成正比的光譜強(qiáng)度會發(fā)生變化，根據(jù)光譜光強(qiáng)的變化量可以反演得到待測氣體的體積分?jǐn)?shù)。

氣體流量傳感器和二氧化碳傳感器均是直接輸出模擬電壓，由于氣體流量傳感器的輸出電壓范圍是0.5～4.5 V，超出了主控制器ADC 的輸入范圍，因此使用電阻分壓的方式將電壓降到3.3 V 以下，然后輸入到主控制器的ADC 引腳，根據(jù)檢測到的電壓信號即可計(jì)算出流量和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。

1.5 露點(diǎn)檢測模塊設(shè)計(jì)

露點(diǎn)檢測模塊采用基于高分子聚酯薄膜濕敏電容的露點(diǎn)傳感器（型號為DMT143），該傳感器具有線性好、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[14]。

露點(diǎn)傳感器輸出的是RS485 信號，而主控制器只支持通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter，USART）串口通信接口，因此，采用MAX3485 芯片實(shí)現(xiàn)RS485信號和USART 串口之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)主控制器和露點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)通信。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括顯示屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和主控制器的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)2 個(gè)部分。

顯示屏采用迪文的串口觸摸屏，使用DGUS 組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)標(biāo)定、系統(tǒng)設(shè)置等分析儀操作所需要的各種功能。顯示屏部分人機(jī)交互界面如圖6 所示。

圖6 便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀顯示屏人機(jī)交互界面

主控制器的系統(tǒng)程序利用STM32 的HAL 固件函數(shù)庫在Keil MDK 環(huán)境下采用C 語言編寫。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程如圖7 所示。分析儀上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和外設(shè)初始化，初始化完成后判斷是否進(jìn)行測量，若測量則采集各個(gè)傳感器的信號，等待數(shù)據(jù)采集完成后，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)和相應(yīng)的補(bǔ)償算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到各氣體的體積分?jǐn)?shù)顯示在顯示屏上；之后判斷顯示屏上是否有操作，若有則處理顯示屏的操作指令并通過串口再反饋給顯示屏；其次判斷上位機(jī)軟件是否有操作指令，若有則處理上位機(jī)的操作指令并反饋給上位機(jī)；最后再判斷是否進(jìn)行測量，循環(huán)執(zhí)行。

圖7 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

3 樣機(jī)試制及測試

通過以上設(shè)計(jì)，試制了便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀的樣機(jī)，樣機(jī)外觀如圖8 所示，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 便攜式氧氣純度分析儀樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖8 樣機(jī)外觀示意圖

為驗(yàn)證便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀的主要檢測性能，對氧氣檢測誤差，氧氣檢測穩(wěn)定性，一氧化碳、氯氣、二氧化碳檢測誤差進(jìn)行了測試。

3.1 氧氣檢測誤差測試

氧氣體積分?jǐn)?shù)是分析儀主要檢測參數(shù)，對氧氣體積分?jǐn)?shù)檢測范圍為90%～99%內(nèi)的10 個(gè)濃度點(diǎn)進(jìn)行通氣測試，并記錄主控制器ADC 采集到的模數(shù)轉(zhuǎn)換值，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 氧氣檢測誤差測試結(jié)果

根據(jù)公式（1），已知氧氣體積分?jǐn)?shù)和模數(shù)采集值可以反推出k值。以氧氣體積分?jǐn)?shù)為98%的測量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算出k值，然后再將k值和其他體積分?jǐn)?shù)的模數(shù)采集值代入公式計(jì)算出對應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，并計(jì)算測量誤差（見表2），可以看出絕對誤差均在±0.1%以內(nèi)。

3.2 氧氣檢測穩(wěn)定性

由于本分析儀是用于醫(yī)用氧氣的檢測，均在高體積分?jǐn)?shù)氧氣環(huán)境下使用，故對分析儀檢測高體積分?jǐn)?shù)氧氣的長期穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。以高純氧為測試氣體，每天測試1 個(gè)數(shù)據(jù)，連續(xù)測試15 d，測試結(jié)果如圖9 所示?？梢钥闯鲅鯕鈾z測長期穩(wěn)定性較好，測量誤差在±0.1%以內(nèi)。

圖9 氧氣檢測穩(wěn)定性測試結(jié)果

3.3 其他參數(shù)檢測

針對一氧化碳、二氧化碳、氯氣，先使用標(biāo)準(zhǔn)氣對分析儀進(jìn)行了標(biāo)定，然后對各氣體檢測量程的20%、50%、80%3 個(gè)濃度點(diǎn)進(jìn)行了通氣測試，并計(jì)算誤差，均在±5%FS 以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文針對醫(yī)用與航空用氧現(xiàn)場質(zhì)量檢測需求，研制了一款便攜式醫(yī)用氧氣純度分析儀，實(shí)現(xiàn)了GB 8982—2009中規(guī)定的主要?dú)怏w成分的分析檢測，特別是針對高體積分?jǐn)?shù)氧氣的精確檢測進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過試驗(yàn)測試，氧氣的測量誤差和長期穩(wěn)定性均在±0.1%以內(nèi)，一氧化碳、二氧化碳、氯氣的測量誤差在±5%FS 以內(nèi)，滿足醫(yī)用及航空用氧的檢測需求，能夠保障用氧安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。但本分析儀也存在一些不足之處：由于分析儀內(nèi)部管路和外界環(huán)境相通，露點(diǎn)傳感器長時(shí)間處于高露點(diǎn)環(huán)境中，而醫(yī)用氧的露點(diǎn)很低，在檢測過程中，很難在短時(shí)間內(nèi)將管路中的露點(diǎn)降到與標(biāo)準(zhǔn)氣一致，導(dǎo)致露點(diǎn)檢測誤差大、響應(yīng)時(shí)間長，需要采取更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高露點(diǎn)檢測的精度和縮短響應(yīng)時(shí)間。另外，目前的測試都是在常溫常壓下進(jìn)行，而有些工作環(huán)境可能是低溫低壓，在后續(xù)的工作中需要在不同的工作環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)測試，并進(jìn)行優(yōu)化，以提升分析儀在特殊環(huán)境下的工作適應(yīng)性。