呼吸机湿化器可自动补液系统设计

杨震，杨坤，高磊，詹宁波，管吉，孙重阳，柴雁飞

解放军第302医院 医学工程科，北京 100039

呼吸机湿化器可自动补液系统设计

杨震，杨坤，高磊，詹宁波，管吉，孙重阳，柴雁飞

解放军第302医院 医学工程科，北京 100039

目的设计一款可实时监测湿化罐液位并按需自动补液的呼吸机湿化器。方法分别在湿化罐侧面3.2、3.8 cm液位处安装光学液位传感器，用于监测湿化罐液位。在湿化器主机安装蠕动泵，湿化罐液位与光学液位传感器的高低状态可控制蠕动泵规律挤压水管注液。结果当湿化罐液位低于3.2 cm时，蠕动泵启动并开始注液，当液位上升至3.8 cm时，蠕动泵停止工作，将湿化罐液位控制在3.2～3.8 cm之间。结论该湿化器将湿化罐液位控制在理想范围，使患者吸入气体加温、加湿效果达到最佳，可提高人工气道护理质量。

湿化罐；光学液位传感器；液位控制；吸入气体温湿效果

引言

随着通气模式和患者肺功能参数监测的不断完善，呼吸机已成为临床抢救为重症患者的重要手段。有创通气时，气体通过人工气道进入下呼吸道，失去了上呼吸道的加温和湿化作用。如果呼吸机经湿化罐输出的气体温湿度效果不佳，必然造成下呼吸道失水、粘膜干燥、分泌物干结、纤毛运动减弱、排痰不畅，容易发生气道阻塞、肺不张和继发感染等并发症。因此，使用呼吸机时气道湿化是人工气道护理的主要环节，气道湿滑效果直接影响人工气道护理的质量[1-4]。

呼吸机湿化器发展已较为成熟，以Fisheramp;Paykel公司生产的传统呼吸机高端MR850型湿化器为例，它同时具备气体加温、加湿、气体温度实时监测、无创/有创通气模式选择及相关补偿功能，但不具备自动补液功能，需医护人员反复定时（约2 h）给湿化罐加灭菌注射用水，导致增加医护人员的工作量、增加医护人员的工作量和增加患者感染机率等诸多弊端，因此研发一款可通过自动补液功能来维持最佳液位范围的呼吸机湿化器尤为迫切[5-9]。

1 湿化器自动补液系统设计

1.1 材料选择

1.1.1 ELS-950光电液位传感器

呼吸机湿化器液位传感器S1和S2采用ELS-950型光电液位传感器，其精度误差为±1 mm，耐温范围为-40℃～110℃，且体积较小，适合本设计所需求。

ELS-950光电液位传感器工作电压为直流5～12 V，红线和黑线分别连接电源正极和负极，蓝线和黑线连接光电液位开关两端，见图1。当呼吸机湿化罐液位浸没ELS-950光电液位传感器时，液位开关闭合；当呼吸机湿化罐液位脱离ELS-950光电液位传感器时，液位开关断开。另外，ELS-950光电液位传感器外形尺寸较小，其探头长19.1 mm，“O型圈”长16.3 mm，电缆线长119.8 mm。光电液位传感器探头侧面螺纹和“O型圈”可保证其与湿化罐较好的密封效果，且探头内部电路部分和外部塑料接头可拆卸，便于清洗、消毒。采用含有效氯500 mg/L的消毒剂溶液浸泡消毒，浸泡时间大10 min。

图1 ELS-950光电液位传感器电路连接和外形尺寸

1.1.2 指状蠕动泵

呼吸机湿化器水泵采用指状蠕动泵，电源电压为DC 12 V，其通过指状齿规律伸缩挤压管路将灭菌注射用水通过注射口C注入到湿化罐内，将湿化罐液位维持在3.2～3.8 cm，见图2。

图2 指状蠕动泵

AC 220 V电源经变压、整流和滤波后分别变为DC 12 V和DC 5 V两路电源，见图3。其中DC 12 V为电机驱动电路供电，步进电机驱动蠕动泵体指状齿规律伸缩，同时，位置反馈电路可驱动电路实时反馈蠕动泵体的工作状态，DC 5 V为控制系统供电，阻塞检测电路、开门检测电路、外部接口和人机接口可与控制系统相互通讯，实现蠕动泵体的精准控制[10]。

图3 指状蠕动泵工作原理图

1.2 自动补液工作原理

已有相关研究表明呼吸机湿化器湿化罐内灭菌注射用水容量为250 mL时湿化效果最佳[11]，本设计以Fisheramp;Paykel MR850型湿化罐为例，见图4。在湿化罐侧面高3.2 cm和3.8 cm刻度处各安装1个IMS光电液位传感器，通过光电液位传感器控制蠕动泵工作，蠕动泵通过挤压管路推动管内灭菌注射用水注入湿化罐。当湿化罐内液面低于3.2 cm时低液位报警，蠕动泵启动，开始缓慢注水；当湿化罐液面到达3.8 cm时高液位报警，蠕动泵停止工作；其将湿化罐内灭菌注射用水水量维持在226～274 mL，使湿化器气体温湿化效果达到最佳状态。

图4 可自动补液呼吸机湿化器

1.3 电路图设计

呼吸机湿化罐自动补液电路图，见图5。220 V交流电经变压器变压、整流桥整流和电容C1滤波后变为直流15 V电压，然后再经稳压模块7812、7805变压，C2、C3滤波后可分别提供+12、+5 V电源。K1、K2为12 V 8脚继电器，其可分为两组开关，1、3、5脚为一组，2、4、6脚为一组，7和8引脚为电源输入端。K3和K4分别为常开和常闭开关，SW为手动开关。当SW闭合时可直接给蠕动泵提供12 V直流电压，蠕动泵开始工作，将灭菌注射用水通过注射口C注入MR850湿化罐。单片机89C51通过查询P1.4、P1.5和P1.6端口输入的电平状态来控制P1.0和P1.1端口输出的电平状态。光学液位传感器S1和S2用于检测MR850湿化罐液位高度，当液位覆盖光学探头时其开关闭合，反之S1和S2开关处于断开状态。

图5 呼吸机湿化罐自动补液电路图

当呼吸机MR850湿化罐液位低于3.2 cm时，光学液位传感器S1和S2开关断开，继电器K1和K2的5、6脚分别与1、2脚接通。此时，蜂鸣器SPK发出报警声，低液位报警发光二极管D3发光；若89C51的P1.4和P1.5端口输入高电平，P1.0输出高电平，P1.1输出低电平，常开开关K3闭合，常闭开关K4闭合，蠕动泵开始工作并通过注射口C向湿化罐注射灭菌注射用水。当湿化罐液位上升到高液位3.8 cm时，光电液位传感器S1和S2开关闭合，蠕动泵停止工作。

当呼吸机MR850湿化罐液位处于3.2 cm和3.8 cm之间时，光电液位传感器S1开关闭合，S2开关断开，蠕动泵不工作。

1.4 软件设计

1.4.1 89C51汇编程序流程图

89C51汇编程序流程图，见图6～9。

图6 主程序流程图

图7 中断服务流程图

图8 DVT0流程图

图9 DVT1流程图

1.4.2 汇编程序编写

ORG 8000H

START: AJMP MAIN

ORG 8013H

LJMP PINT1

ORG 8030H

MAIN: MOVE SP, #60H；确立堆栈区

CLR IT1 ；电平触发方式

SETB EX1 ；外中断1允许

SETB EA ；总中断允许

MOV A, #00H ；置P1.0～ P1.7口低电平

MOV P1, A

HERE: AJMP HERE ；等待中断

ORG 8300H

PINT1: PUSH PSW

PUSH ACC ；保护现场

JB P1.4, DVT0 ；若P1.4为高电平，跳到DVT0

JB P1.5, DVT1 ；若P1.5为高电平，跳到DVT1

PINTR: POP ACC ；现场恢复干扰信号引起的中断请求

POP PSW

RETI ；中断返回

DVT0: CLR EX1 ；关外中断1

SETB P1.0 ；置P1.0为高电平

CLR P1.1 ；置P1.1为低电平

JB P1.5, DVT0 ；若P1.5为高电平，跳到DVT0

CLR P1.0 ；置P1.0为低电平

SETB EX1 ；开外中断1

AJMP PINTR ；跳到PINTR

DVT1: CLR EX1 ；关外中断1

SETB P1.1 ；置P1.1为高电平

JB P1.6, DVT1 ；若P1.6为高电平，跳到DVT1

CLR P1.1 ；置P1.1为低电平

SETB EX1 ；开外中断1

AJMP PINTR ；跳到PINTR

END ；程序终止

1.4.3 程序浅析

程序的起始地址设定为8000H，然后无条件跳到地址8030H执行主程序。主程序首先依次设置堆栈区、外中断1允许控制字、中断的触发方式和P1端口初始化，然后等待中断请求。当外中断1响应时，首先将程序计数器PC的内容压入栈以保护断点，再将中断入口地址嵌入PC，使程序执行转向相应的中断入口地址。一个中断区只有8个单元，不能写入一个完整的中断服务程序。因此，在中断入口地址处放置一个无条件转移指令，使程序执行转向8300H去执行中断服务程序。PINT1首先保护现场，然后依次查询P1.4、P1.5电平状态。若P1.4、P1.5为高电平，则分别跳到其相应的DVT0、DVT1中断服务子程序。PINTR执行恢复现场指令后返回中断，可有效防止干扰信号引起的中断请求。置EX1为低电平，关外中断1，可保证DVT0、DVT1中断服务子程序完整运行[12-15]。

若P1.4为高电平，湿化罐液面低于低液位3.2 cm，执行中断子程序程序DVT0。DVT0关外中断1后置P1.0为高电平、P1.1为低电平，常开开关K3闭合、常闭开关K4闭合，蠕动泵工作，开始向湿化罐注液，然后查询P1.5电平状态。若P1.5为高电平，则返回至DVT0，继续补液；若P1.5非高电平，湿化罐液面上升至高液位3.8 cm，置P1.0为低电平，蠕动泵停止工作，停止向湿化罐注液，最后跳到PINTR返回主程序等待中断请求。

若P1.4为低电平P1.5为高电平，湿化罐液面高度位于低液位3.2 cm和高液位3.8 cm之间，湿化罐内灭菌注射用水水量维持在226～274 mL之间，此时呼吸机湿化器气体湿化效果达到最佳状态，执行中断子程序程序DVT1。DVT1关外中断1后置P1.1为高电平，常闭开关K4断开，蠕动泵停止工作，然后查询P1.6电平状态。若P1.6为高电平，则返回至DVT1，蠕动泵保持停止工作；若P1.6非高电平，湿化罐液面下降至低液位3.2 cm，置P1.1为低电平，跳到PINTR返回主程序等待中断请求。

若P1.4、P1.5均为低电平，湿化罐液面高于位于高液位3.8 cm，执行PINTR返回主程序等待中断请求。

2 实验

2.1 设备与方法

实验环境温度25℃、空气湿度56%，设备连接方法，见图10，实验设备包含TSI4080呼吸机检测仪1台、GE Egstrom呼吸机1台、MR850湿化器1套、ELS-950光电液位传感器2个、呼吸机成人硅胶管路1套、成人夹板模拟肺1个、500 mL/瓶灭菌注射用水4瓶以及医院设备带氧气、空气气源等。呼吸机通气模式和参数设定如下：SIMV通气模式、潮气量VT=500 mL、呼吸频率f=12次/min、吸呼比I:E=1:2、氧浓度FiO2=40；MR850湿化器加热档位调为3档，湿化罐加注灭菌注射用水至刻度线处，约250 mL水。每组实验持续8 h，实时记录呼吸机检测仪所测呼吸机相关参数。对照组采用传统加水方法，呼吸机湿化罐加灭菌注射用水至刻度线处，当液位较低时断开呼吸螺纹管路再次向湿化罐注入适量灭菌注射用水；实验组采用通过光电液位传感器控制蠕动泵自动补液的方法。

2.2 实验结果

呼吸机开机预热15 min，运行状态稳定，每隔10 min记录1组实验数据，实验组和对照组都连续测试8 h；另外，湿化罐加注灭菌注射用水后及时记录试验数据。实验结果见表1，与参数设定值相比，实验组所测潮气量VT、呼吸机频率f、吸呼比I:E、气体氧浓度FiO2以及吸入气体温湿度都比较稳定，可大大降低气道阻塞、肺不张和继发感染等并发症发生率；对照组实测数据波动较大，治疗效果较差。

图10 呼吸机检测实验示意图

2.3 结果分析

呼吸机湿化罐标识液位线处为最佳湿化效果液位，实验组通过光学液位传感器自动补液系统来精确控制湿化罐内无菌注射用水液位，在无需断开螺纹呼吸管路的条件下可使液位维持在3.2～3.8 cm，呼吸机可持续稳定运行，因此其潮气量、气体温湿度等参数波动幅度较小，呼吸机治疗效果较好；对照组湿化罐内无菌注射用水液位较低时需人工断开呼吸螺纹管路再注水，各参数波动幅度较大，管路断开期间模拟肺得到的VT、f、I:E均降低至0，FiO2降低至21，气体温度降低至26.6℃，气体湿度降低至68%RH。湿化罐人工注水完成后，VT、f、I:E和FiO2恢复到正常值需约3 min，期间人机对抗比较严重气体温湿度恢复到正常值需约10 min，人工注水周期约4 h。

3 结论

呼吸机是双刃剑，随着呼吸机性能的不断改进，机械通气治疗已广泛应用于临床，给予危重症患者呼吸通气支持，可有效提高临床患者治愈率，但同时它也是高风险设备，稍有不慎便会给患者带来生命危险。呼吸机湿化器是通过加热灭菌注射用水使其产生的水蒸气与呼吸机传送给患者的吸入气体混合的方法来实现加温、加湿。呼吸机湿化器常规加水方法需暂停呼吸机从出气孔加水，或者分离进气口与呼吸机的连接，从进气口加水，但二者均可导致患者血氧饱和度下降，也会造成患者呼吸状态改变和呼吸机管路二次污染[16]。湿化器自动补液系统，可实时监测湿化罐内灭菌注射用水的液位，并根据液位情况自动按需注水，使湿化器温湿效果维持最佳状态，值得临床广泛推广。呼吸机湿化器在临床中的应用都是以保障进入患者呼吸道的气体温度和湿度适宜为目的，为实现湿化效果的不断改进，提高患者的舒适度、保证患者的生命安全，还需对呼吸机湿化装置做进一步的试验和研究。

表1 呼吸机湿化器自动补液系统实验结果

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Design of Automatic Liquid Injection System of Ventilator Humidifier

YANG Zhen, YANG Kun, GAO Lei, ZHAN Ningbo, GUAN Ji, SUN Chongyang, CHAI Yanfei Department of Medical Engineering, 302 Military Hospital of China, Beijing 100039, China

ObjectiveTo design a ventilator humidifier that can monitor the level of the wetting tank in real time and automatically inject liquid on demand.MethodsFirstly, the optical level sensors were respectively installed at the wetting tank side 3.2 and 3.8 cm level, which was used to monitor the wet tank liquid level. Then, the peristaltic pump was installed in the humidifier main unit, which could inject liquid into the wetting tank by regularly squeezes liquid pipe and control the high and low state of the liquid level at the optical liquid level sensor.ResultsWhen the wetting tank level was less than 3.2 cm, the peristaltic pump started and begined to fill the liquid, when the liquid level rised to 3.8 cm, the peristaltic pump stoped working, which could control the wetting tank liquid level between 3.2 to 3.8 cm.ConclusionThe humidifier controls the wetting tank liquid level in the desired ranges, so as to achieve the best heating and humidification effects for patients inhaling gas and improve the quality of artificial airway care.

wetting tank; optical liquid-level sensor; level control; inhaled gas temperature and humidity effect

R472

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.012

1674-1633(2017)11-0044-04

2017-07-12

2017-08-11

高磊，高级工程师，主要研究方向为医疗设备的质量控制和计量管理。

通讯作者邮箱：gao_lei_2002@sina.com

本文编辑 袁隽玲