（机械电子工程专业论文）麻醉机呼吸器自动控制模块的开发.pdf

撩要 隧着瑗代生物医学工程的发袋，备稀医疗嚣械也逐渐向着自动纯、 现代化的方向发展，而现代计算机技术在其中超到了关键的作用。麻瓣 褫作为一萃率先进的手术医疗器械，它已逐澎成为蕊代手术中的必需装备 之一。本课题针对麻醉机上控制呼吸器的自动控制模块进行了研制和开 发，稍靥i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 肇片机实现模块控涮，设计出了其有鑫主知识 产权的呼吸器自动控制模块，具体功能如下： 针对麻醉梳呼吸器的往能和特患，仔缁分析了呼吸嚣鑫动控制 模块的功能，并谯此基础上进行模块的设计。 n 从经济实糟的角度出发，设计出了驱动麻醉褫呼吸器进行税械 通气的执行机构，它一方面实现了对呼吸器的驱动功能，另 方面又考虑了驱动的安全性问磁以避篼事故的发生。 一 以i r t t e l8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心设计如了控制模块的自动控制 系统，它方面能够输入呼吸掇制参数值并控制呼吸器工作， 另一方面它又能监测麻醉机的工作状态著具有相应的安全报 警功能。 一 编制了单片机控制系统的控制软件，窀与执彳亍机构和单片机控 制系统相配合组成了呼吸器自动控制模块并实现了相应的控 制功能。 关键词：麻醉机呼吸器呼吸器自动控制模酞单片机控制系统 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r nb i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g ，a l l k i n d so f m e d i c a li n s t r u m e n t sa l s o g r a d u a l l yd e v e l o p t o w a r d sa u t o m a t i z a t i o na n d m o d e r n i z a t i o n i nt h i sd e v e l o p m e n t ，m o d e r n c o m p u t e rt e c h n o l o g yp l a y sak e yr o l e a n e s t h e s i am a c h i n e ，a sak i n do fm e d i c a li n s t r u m e n tu s e di nt h eo p e r a t i o n s ，h a s g r a d u a l l yb e c a m e a n i n d i s p e n s a b l e i n s t r u m e n ti nt h em o d e r n o p e r a t i o n 。 a u t o c o n t r o lm o d u l eo fv e n t i l a t o r , w h i c hi sa s s e m b l e di nt h ea n e s t h e s i am a c h i n e a n dh a si n d e p e n d e n tk n o w l e d g e p r o p e r t yd g h t ，h a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r u s i n g i n t e l8 0 c 1 9 6 k cm c ut oc o n t r o lt h e m o d u l e ，a u t o c o n t r o lm o d u l eo f v e n t i l a t o rc a na c h i e v es o m ef u n c t i o n sa sf o l l o w i n g ： _ a i m i n ga t t h e c a p a b i l i t y a n dc h a r a c t e ro fv e n t i l a t o ro fa n e s t h e s i a m a c h i n e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ef u n c t i o n so fa u t o c o n t r o lm o d u l eo f v e n t i l a t o r o nt h eb a s i so fa b o v ew o r k ，t h ec o n t r o lm o d u l ei sd e v e l o p e d _ c o n c e r n i n g w i t ht h ec o s ta n d p r a c t i c a b i l i t y , t h ei m p l e m e n t a r y d e v i c et h a t d r i v e sv e n t i l a t o rt oa c h i e v em e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ni sd e v e l o p e d a tt h e s a m et i m e t h es e c u r i t yi sc o n s i d e r e dt oa v o i dt h ea c c i d e n t _ u s i n g i n t e l8 0 c t 9 6 k ca st h ec o r e ，t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mo f a u t o c o n t r o l m o d u l eo fv e n t i l a t o ri sd e v e l o p e d t h er e s p i r a t o r y c o n t r o l p a r a m e t e r s a r ei n p u tb ym o d u l et oc o n t r o lv e n t i l a t o r a tt h es a l t l et i m e ，t h ew o r k i n g s t a t u so ft h ea n e s t h e s i am a c h i n ei sm o n i t o r e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g a l a r m sc a nb ea c t i v a t e dr e s p e c t i v e l yw h i l ea n e s t h e s i am a c h i n ef a i l s ， - t h es o f t w a r eo fm c u c o n t r o l s y s t e m i sw o r k e do u t t h es o f t w a r e c o o p e r a t e s w i t ht h eh a r d w a r eo fm c u - c o n t r o l s y s t e m a n dt h e i m p l e m e n t a r yd e v i c e t oc o n t r o lv e n t i l a t o r k e yw o r d s ：a n e s t h e s i am a c h i n e ，v e n t i l a t o r , a u t o c o n t r o lm o d u l eo fv e n t i l a t o r , m c u - e o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 署j 雹签字日期：枷今年月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名：王l 刑 签字日期：砷一；年，月，弓日 签字日期：御；年1 月l 3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及其研究意义 随着生物医学工程的不断发展，利用麻醉机实现全身麻醉已成为当前 广泛采用的麻醉方式。在麻醉过程中不仅利用麻醉机给药，还用机械通气 来代替危重病人的自主呼吸，同时监护病人的生命，这些工作都可以依靠 先进的麻醉机及其监护仪器来完成，从而极大地提高手术的成功率。麻醉 机现在已成为重大手术不可缺少的器械。 现代麻醉机的发展已根据临床需要研制出不同类型的麻醉机。从实际 出发，临床上需要不同水平或档次的麻醉机，大致可分为一般性或中、低 档，精密或高档。高档麻醉机日益趋向结构精密、功能完善、使用方便和 高可靠性的发展方向，即向高、精、尖方向发展。这仅是一个方面，更重 要的是如何提高中、低档的麻醉机的性能和质量，从而在实现麻醉功能的 同时还能保障病人安全：既要经久耐用，又要便于广大麻醉医师和护士使 用、保养和维修；监测项目宜齐全，不仅有数字显示，还有报警装置；仪 器的质量要保证，同时还要便于维修；而各类麻醉机的价格，更令人注目， 人们盼望着能有一台质量高，价格又合理的麻醉机。 在未来的日子里，我国的麻醉机研制工作将面临着十分严峻的挑战， 国外的麻醉机已纷纷打进国内市场并占据了绝大部分的市场份额，确立其 在市场中的领导地位，而我国国产麻醉机基本上还处在进口配件进行组装 的阶段，尚未研制出具有完全自主知识产权的现代化的麻醉机。为了应对 挑战，走自己的路，消化、吸收和引进先进经验，研制出符合我国国情的 备档次麻醉机，是唯一正确的途径。而呼吸器自动控制模块作为控制麻醉 机的关键部件一呼吸器一的机构，它的研制成功对现代麻醉机的国产化具 有非常重要的意义。 当前我国大型医院已普遍配备了麻醉机，而广大中、小型医院由于资 金原因，没有能力购买进口麻醉机，因此基本上还没有配备此类器械，但 随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对医疗条件和水平的要求也 会越来越高，因而广大中、小医院希望市场上能有一种功能齐全、价格合 第一章绪论 理的中档麻醉机以适应这一发展要求。 本课题从实际出发，利用一台o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机作为实验对象， 对其呼吸器控制模块进行改造，从而开发出全新的自动控制模块。由于 o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机是一款中档次麻醉机，以它为蓝本进行改造可以开 发出一种功能齐全，易于操作而价格又很低廉的中档麻醉机，从而适用于 广大中、小型医院，所以具有很大的市场潜力。 1 2麻醉机概述 1 2 1 麻醉机的发展历程 自从十九世纪中叶氧化二氯和最初的几种吸入剂被发现以后，现代麻 醉机的第一位实践者设想了一种仪器，它可以把氧气、n 2 0 或环丙烷甚至 乙醚、三氯甲烷和其它挥发性气体混合起来输送给病人，从而实现麻醉功 能。在这些先驱发明创新的基础上( 瓶装气体、调压器、流量指示器等) ， h e i d b r i n k 、m c k e m o n 、c o n n e l 和f o r r e g g e r 在上世纪二十年代推出了实用 的商品化麻醉机。人们在其后的三十年中又逐步对麻醉机进行改进，增加 了附件，所以到上世纪五六十年代时，可以输送四种不同气体和二到三种 麻醉气体的机器已相当普及。在此期间，新型麻醉剂的发展也促进了专用 于单一麻醉剂的蒸发器的设计t 3 l 。 现代麻醉学的发展扩大了外科手术的应用范围同时也孕育了一个麻 醉机市场。但是随着市场的不断扩大，缺乏设计标准成为个迫切需要解 决的问题。用户、厂商和管理部门经过几年的协商和修改，于1 9 7 9 年公 布了第一个麻醉机标准一美国国家标准局( a 2 4 s i ) 标准z 7 9 8 ，规定了麻醉 机的特性设计，减少了使用中不兼容、错接或误解的可能性。这个标准连 同1 9 8 8 年a s t m 的f 一1 1 6 1 2 8 标准( 第二版) ，成为麻醉机设计的标 准参考。 现代麻醉机主要由三部分，即麻醉机的主机、呼吸器和监护仪构成。 虽然各种类型的麻醉机都具有一定的特色，但它们应具备下列要求： 1 基本功能完善、操作简便； 2 供氧充足，排出二氧化碳完全，呼吸阻力低，无效腔量小： 第一章绪论 3 体积适可，安全耐用； 4 便于保养和维修。 未来麻醉机的设计趋势是把病人和机器及监护仪器统一起来，作为一 个系统一体化，称之为麻醉工作站。利用人体工程学使设备的结构配置更 适于操作人员进行操作。进而以一定的模式显示必要的病人生理状态数 据，使其可以在医生面对病人的同时恰好显示在医生的视野旱。作为目前 技术的一个组成部分，多种视听警报不仅仅是摆设而是担负着许多责任 的，把这些信号按临床重要程度的顺序排出优先权或协调起来以便于医师 查看。对监护仪来说报警的协调、扩展和改进是必然的，它不仅能自动监 测病人的生理状态( 心电图、血压、血氧饱和度等) ，还能监测麻醉机的 工作状态( 气体流量、压力、氧浓度等) 。麻醉机还能够自动记录并保存 手术过程中的各项相关数据，以备以后查询，从而提高了手术过程的透明 度“”。 我国第一台国产麻醉机诞生于上世纪五十年代初，上海医疗器械四厂 先后研制成功10 3 型和1 0 8 型循环紧闭式麻醉机及1 0 7 型空气麻醉机和多 用途麻醉机，近年来，该厂又生产出了m h j 系列麻醉机，并引进d r i g e r s u l l a 8 0 8 麻醉机进行组装生产，从而促进了我国现代化麻醉机的发展。但 由于历史和技术原因，我国麻醉机的研制与国外相比还有很大的差距，故 应进一步加强消化吸收和国产化进程，研制出符合我国国情的国产化产品 以取代进口，同时要扩大品种和规格，发展我国自己的新机型、新系统。 1 2 2 麻醉机的原理 最初的麻醉机只配备一些呼吸管路和阀门，依靠简单的气体测量表， 完全由人工来实施通气。后来借助于呼吸器械和电子技术的发展，以及多 种新的麻醉药物的使用，使得麻醉机的功能得到更进一步地完善。 麻醉机是利用人体能从吸入气体中摄取一部分弹性物质到体内，并将 其通过血液传送到各个器官，这些药物能在一定时间内使器官暂时失去知 觉和反射，以达到麻醉的目的。而经过一定的时间后，这些药物又能通过 呼吸道排出，使人体内暂时失去知觉和反射的器官恢复正常。麻醉机利用 呼吸管道、阀门、呼吸器、气体流量和压力监测部件来控制病人吸入气体 3 第一章绪论 的浓度、流量和压力，并根据病人的实际情况来控制病人的麻醉呼吸过程， 以实现全身麻醉的目的。此外，麻醉机还配有一些辅助装置来保证病人的 安全和麻醉机的正常工作”。 1 2 3 麻醉机的功能和用途 现代手术中使用麻醉机进行全身麻醉已经越来越普遍并成为今后的 发展趋势，它的功能主要有以下两个方面： 1 实旄全身麻醉。 现在吸入式全麻大部分是使用氧化亚氮、氟烷、安氟醚和异氟醚等麻 醉药物来实现。麻醉机可以将麻醉气体或蒸气( 氧化亚氮、氟烷、安氟醚 和异氟醚等) 与氧气混合后输入病人的呼吸系统从而实现麻醉功能，同时 麻醉机还能根据不同的病人和不同的麻醉深度来选择不同的药物和剂量， 并复合使用其它药物和选择不同的麻醉方式来完成复合麻醉。 2 供氧和进行辅助或控制呼吸。 麻醉机配有呼吸器，可以进行机械通气，从而实现呼吸功能，为此麻 醉机的结构和性能必须十分可靠，使用时应保证能充分地供氧并避免二氧 化碳滞留，同时要求麻醉气体和蒸气浓度精确恒定，不会出现气道内压力 过高或异物进入呼吸道的情况，因此对麻醉机的性能提出了很高的要求。 麻醉机采用吸入麻醉方式来实现全身麻醉，与传统的注射麻醉方式相 比这种麻醉方式具有明显的优势，具体如下： ( 1 )麻醉机采用病人吸入麻醉气体的方法来实现全身麻醉，由于 在吸入麻醉过程中麻醉气体既有吸入也有呼出，因此麻醉师 可以随时通过调节混合气体中麻醉气体的浓度的方法来改 变病人的麻醉深度，而采用传统的注射麻醉时不易随时改变 麻醉深度，一旦出现麻醉过深或过浅的情况，不但影响手术 的顺利完成，而且可能危及病人的生命： ( 2 )麻醉机同监护仪结合，使得麻醉师在手术过程中可以根据病 人的生理状态和手术进行情况随时调整麻醉气体的吸入量， 从而最大限度地减少麻醉药物对病人的副作用同时又有利 于手术的顺利完成； 第一章绪论 ( 3 )对危重病人来说，他们的身体很虚弱，极易在手术过程中由 于身体承受不住而引起呼吸衰竭，因此在使用麻醉机之前， 对这类病人一般采取保守治疗的方法，只有在迫不得已的情 况下才进行手术，但手术的成功率却非常低；而采用了麻醉 机之后，由于麻醉机可以用机械通气来代替病人的自主呼 吸，避免了在手术过程中出现呼吸衰竭的意外情况，从而一 方面扩大了外科手术的应用范围，另一方面也可以明显地提 高手术的成功率。 基于以上原因，今后麻醉机将会逐步取代传统的注射麻醉而成为外科 手术中的必备器械。 1 2 4 麻醉机的特点 最近几十年发展起来的医疗器械工业，借助于电子技术的发展，有了 很大的改进。麻醉机也由简单型朝着功能的全面化、部件的标准化、监护 的系统化以及操作的简便化和病人的安全化方向发展。其主要特点是： 1 主机内具有必备的机器功能和条件报警 主机包括环流系统、蒸发罐和病人呼吸回路等，它应该能提供混有麻 醉气体的混合气体( 氧气、空气和麻醉气体) ，并通过呼吸器传送给病人， 一方面帮助病人呼吸，另一方面则起到麻醉的作用。麻醉机在使用中自身 必须能监测电源供应和气体供应情况，以及机器本身的工作状态。系统应 当防止气体的泄漏。如果在电源、气源或机器发生故障时不能报警，必然 会影响手术的正常进行和病人的生命安全，因此应该具有相应的报警功 能。 2 配有功能完善的全能呼吸器 因为在麻醉过程中病人时刻都处在危险状态，呼吸器不但要进行麻醉 给药，还要适应各种病人的呼吸需要，在特定的时间内要作为单独的呼吸 机为病人的治疗和复苏使用。对呼吸而言一般要求呼吸的潮气量或每分钟 通气量、呼吸频率和呼吸时间比均可准确调整，而且在某些呼吸器上还具 有调节吸气流速、正向呼吸末压力和选择呼吸模式等功能。 第一章绪论 3 装有高精度的麻醉药蒸发罐 蒸发罐可以精确地控制麻醉药的浓度，以节省麻醉药。在一台机器上 可同时选配多达三种麻醉药的蒸发罐，同时选择更换十分方便。麻醉机上 还有联锁装置，以防止误动作，从而增加了安全性。 4 增加了各种电子和机械监护仪 监护仪可以监测机器的工作状态，监护病人在呼吸和麻醉过程中的生 理参数。机械监护包括：o r m 或o r m c 即氧气比例监测或氧气比例监测器， 它能在氧气供应中由于压力跌落而引起氧气供应的比例降低时发出警报 并进行相应的自动控制；缺氧笑气切断装置，在出现没有氧气或氧气源 没有打开等情况时，它能自动关断笑气，以防止病人窒息；在使用空气 的机器上设有联锁装置，使用氧气时只能打开空气或笑气中的一种气体来 使用。病人呼吸监护包括：呼吸气体的氧浓度、呼吸道内的压力值、呼出 气体的二氧化碳量、呼吸频率、潮气量、每分钟呼吸量、气道温度、吸入 或呼出麻醉药的浓度、吸入笑气的浓度等。生理监护包括：心电、脉搏、 血压、心律失常、体温等，有了这些实时的监测应能在麻醉过程中确保病 人的生命安全。 5 具有可实现多种麻醉方式的病人回路系统 麻醉机可以采用半开放方式、半紧闭方式、全紧闭方式配合自主呼吸、 手动控制呼吸和机械呼吸以适应不同麻醉方式、呼吸方法的要求。 6 增加了排污、废气排放装置 由于病人和手术工作人员同处一个环境中，如果对麻醉气体处理不当 将会造成不同程度的麻醉污染，因为长期接触全麻醉药会对人体产生不同 程度的影响，特别是对妊娠期间的女工作人员危害更大，所以应该尽量减 少全麻醉药物对工作人员的影响和对手术室的污染。 7 各部件也都朝着i s o 的国际标准化方向发展 由于在麻醉机上有些特定的部件必须用橡胶材料和一些轻质材料加 工制作，这些部件在长期工作中必然会老化和损坏，为了达到能方便及时 地更换和代替，各部件应该尽可能地按国际标准来加工制作接口，使得部 第一章绪论 件的互换性有了很大地提高，既方便了维护和使用 醉机系统时简化了许多零件的设计。 8 麻醉机的控制朝着微机控制方向发展 当前基本上所有的先进麻醉机都采用微机控制 统的自动化和智能化。 1 3 课题研究的主要内容 同时也使得在设计麻 从而极大地提高了系 麻醉机系统比较复杂，它结合了医学、机械、电子、流体力学等多学 科的知识，是一个多学科综合的系统工程，因此要进行整机研制，工作量 将非常大，而在我有限的硕士生阶段也是不可能完成的，所以，我只针对 麻醉机上的呼吸器自动控制模块进行研制和开发，其具体的技术内容包 括： 1 对控制模块的功能和作用进行深入的分析，设计出合理的执行机 ， 构以安全可靠地驱动呼吸器进行工作。 2 按照执行机构的操作规程和呼吸器的性能要求设计出控制模块的 自动控制系统，从而提高麻醉机的自动化水平。 3 针对自动控制系统所要实现的功能，开发出相应的控制软件。 4 自动控制系统应具备以下几个功能： ( 1 ) 配合麻醉机实现从病人自主呼吸到麻醉机辅助呼吸再到机 械通气的转换，随后又能完成逐步由机械通气到麻醉机辅 助呼吸最后到病人自主呼吸的转换，从而实现麻醉机的呼 吸功能； ( 2 ) 实时显示当前的控制参数值并能监测麻醉机的运行状态， 当系统出现异常状况时能及时报警，提醒麻醉师及时作出 相应的处理，以最大限度地避免医疗事故的发生； ( 3 ) 根据手术进行情况和病人的生理状态，麻醉师可以及时调 籀各控制参数值，引导手术顺利地完成； 本文从麻醉机的性能特点入手，深入研究了呼吸器自动控制模块的功 第一章绪论 能、特点及其实现方法。在此基础上，分别进行控制模块的硬件系统和相 应控制软件的开发，设计出了一套功能先进，操作方便，成本低廉的控制 模块。本文将具体论述以上内容，安排如下： 1 分析现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构。 2 针对呼吸器控制模块的功能制定出模块的总体设计方案，以达到 功能先进、操作简便、成本低廉、安全可靠的设计要求。 3 详细介绍控制模块硬件系统的结构和组成，其中包括两部分， 模块执行机构模块控制系统，详细论述硬件系统实现呼吸器 控制模块功能的方法。 4 详细介绍模块控制软件的结构，采用模块化方法设计，针对呼吸 器自动控制模块所要实现的功能将控制软件划分为七个子模块， 分别对七个子模块进行详细论述。 5 对本课题所取得的成果进行总结，并对未来的发展作一展望。 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 2 1 现代麻醉机的结构及其主要部件 现代麻醉机的基本结构分为主机、呼吸器和安全装置三大部分。 2 1 1 麻醉机的主机 麻醉机的主机包括：气体供应部分、全麻醉药蒸发罐和病人回路等。 1 气体供应部分 用于供给麻醉机所需要的氧气、笑气和空气。由气源、减压阀、流量 计、供气压力表、气体过滤器、单向阀、流量调节阀以及氧笑比例控制器、 无氧气笑气自动断阀等部件组成。 气源应是液化气体或压缩气体，由贮气筒或中心供气系统提供，前者 适用于一般中小医院，而后者只有大型医院才有。一般从气源出来的气体 的压力 2 7 5 6 k p a ，需要经过减压阀减压后才能供麻醉机使用。 经过减压后的气体进入流量计，麻醉机上有氧气流量计、笑气流量计、 空气流量计或混合流量计，这些流量计用来实际测量各种气体每分钟输出 的气流量。 供气压力表是在麻醉机的气道上监测气体压力实际值的仪表，压力表 按用途分为高气压表和低气压表两大类。高气压表在麻醉机上一般用于测 量高压气瓶输出的压力，直接安装在气压阀接口与压力调节器之间的位 置。低气压表则一般用于测量麻醉机低压部分的压力值，不能受高压冲击。 气体过滤器用以过滤麻醉机所使用的气体，现在使用的过滤器般是 网状过滤器和分子筛吸收式过滤器。前者主要是过滤气体中的固体物质， 安装在主吸气道( 吸气道) 和通往重要易损部件的气道上，用以防止杂物 进入机器而损坏机器，或随呼吸进入人体内。后者是用以吸收一部分不需 要或不允许通过的气体分子，以防止一部分有害气体分子通过。 单向阀是用于防止气体回流的气阀。流量调节阀则用于调节各种输入 气体的流量，并通过流量计显示当前气体的流量值。 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 氧笑比例控制器用于控制氧气和笑气的比例关系，以预防混合气体内 氧气浓度不足而引起患者缺氧，一般要求氧气不能少于2 5 。 无氧气笑气自动关断阀也称氧气失效保护装置，一旦氧气停止时，它 能自动切断其他气体的供气道，特别是用于切断笑气的供应管路，因为一 旦将纯笑气或高浓度的笑气混合气体供给病人时，病人将因为缺氧而不能 维持生命，甚至窒息死亡，所以必须杜绝此类情况的发生。 2 全麻醉药蒸发罐 全麻醉药蒸发罐是麻醉机的关键部件，它用于在气体中混入一定浓度 的麻醉药，理想的全麻醉药蒸发罐应该既能有效地蒸发麻醉药液，又能准 确地控制麻醉药的浓度。 简单的蒸发器是在盛有挥发性麻醉药容器内的上方空间通过一定量的 输入气体，其输出麻醉药的浓度与气体流量、流速、气体和液面之间的距 离以及接触面的大小、时间长短、液面温度等有关。蒸发罐的结构原理如 图2 1 所示： 旁路调节 输入口 进气调 图2 1 蒸发器结构原理图 载气能否得到足够的麻醉蒸气，主要取决于两个因素：麻醉药的饱和 蒸气压和蒸发效率。蒸发压力越高，蒸发效率越强，则蒸气中所含的麻醉 药的分子就越多，载气中的麻醉药浓度也就越稳定。蒸发罐的性能是由其 蒸发药物浓度的精度来决定的，由于药物浓度取决于周围环境的温度和热 源变化，所以蒸发罐主要根据热源来分类。 l o 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 ( 1 ) 鼓泡型蒸发罐：气体通过蒸发罐中的麻醉药液时会鼓出气泡， 利用气泡里气体的热量使气泡表面的麻醉药蒸发，从而形成麻 醉蒸气，由于无法控制药物浓度并且蒸发效率比较低，所以已 逐渐被淘汰； ( 2 )加热型蒸发罐：在蒸发罐中安装电加热器，通过调节电加热器 来控制药物蒸发，由于其蒸发量不能随麻醉气流的变化而变 化，因此药物浓度也无法控制，使用不广； ( 3 ) 滴入型蒸发罐：在主气道中加入填充料如毛线织物或钢丝网， 并在此安置一贮存麻醉药溶液的小腔，当气体流过时，能将填 充物上的药液蒸发带走，可以通过调整通路口径的大小来控制 出药量，但药物浓度仍不能预知； ( 4 )具有补偿装置的精密蒸发罐：这种蒸发罐带有压力补偿装置， 能自动实现当主气道压力变化时，麻醉药蒸气量也会相应地变 化的功能，从而使气体中麻醉药浓度不会波动，并且麻醉药的 浓度可以通过一旋钮来精确地控制。 蒸发罐的安装位置一般为两种： ( 1 )安装在呼吸回路之中。这种安装方式易受呼气通气量大小的影 响，并且在不同呼吸形式下会有不同程度影响，而且最易受呼 吸本身的影响，所以这种安装方式现在己不多使用。 ( 2 )安装在呼吸回路之外。这种安装方式为当前普遍采用的方式， 它不受呼吸方式的影响，特别是现在采用的低流量、全封闭方 式更是具有节省麻醉药的优点。又有两种安放位置：一种是安 放在麻醉机的流量计和共同气体出口处之间：另一种安放在共 同气体出口处和环流系统之间。两种方式各有优劣，但由于后 者安放位置较困难，并会影响共同气体出口处的低压安全阀门 的效能，因此现代麻醉机大多采用前者”。 3 病人回路系统 病人回路系统一般包括：吸气呼吸阎、呼气呼吸阀、可调压力极限阀、 选择阀、c 0 2 吸收器、螺纹管、呼吸囊、三叉接管头、吸气面罩等，它们 将构成病人通气回路部分，并依靠这些部件完成各种呼吸循环方式并与麻 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分柝 醉主机相配合实施不同的通气。 吸气呼吸阀和呼气呼吸阀是用于导向的活瓣。前者位于新鲜气体出口 处，在病人吸气或呼吸器给气时的吸气期问开启，用于引导新鲜气体的单 向运动，并防止在病人呼气时发生废气回流。后者位于病人呼气的出口处， 但它的作用与吸气呼吸阀不同的是在病人吸气或呼吸器给气时关闭，在病 人呼气时则丌启。 可调压力极限阀安放在呼吸气道内，起过压保护和排泄过剩气体的作 用，其泄放压力是可调的。 通过转换选择阀门的位置能实现不同呼吸方式，其中包括：机械控制 呼吸、手动控制呼吸、自主呼吸，还能在循环回路中实行全紧闭、半紧闭 或半开放等麻醉方式。 c 0 2 吸收器是利用其中所存放的c 0 2 吸收剂( 碱石灰、钡石灰等) 来 有效地吸收呼吸回路中病人呼出的c 0 2 气体，以此来减少循环呼吸回路中 c 0 2 气体的含量。 螺纹管、呼吸囊和吸气面罩大多用橡胶或塑料制成，螺纹管用于连接 病人和麻醉机以及麻醉机各部件之间的互连，它可以减小呼吸回路中的阻 力。呼吸囊用于手动通气。吸气面罩则用于将病人回路与病人的呼吸系统 相连。 2 1 2 呼吸器 麻醉机所配用的呼吸器是麻醉机的关键部件，用于实现自动呼吸或控 制呼吸，在呼吸过程中，呼吸器应满足病人的基本需要。 呼吸器需要将一定量的混合麻醉气体传送给病人，常用的驱动方法有 如下两种： 1 用直流电机驱动，其特点是：电机的转速随施加电压的变化而 改变；当转速变化时，电机仍能保持硬的机械特性。在吸气相 施加电压v 电机以相应的转速给病人供气，并在t 。时间内完成 吸气过程：接着，将施加电压变为v 。电机又以相应的转速， 在t 。时间内使供气装置回复至初始位置，从而为病人提供t 。，的 呼气时间。t 。+ t 。形成一个呼吸周期t ，而吸呼比e = t 。t 。因 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 此只要改变所施加的电压值，就可改变呼吸周期t ，进而相应控 制呼吸频率和吸呼比值。 2 用压缩气体驱动，其特点是由于压缩气体压力值比病人正常呼吸 时肺内压力值至少高1 0 倍，因此呼吸器的气体输出为恒流，且 压缩气体的流量值等于呼吸器输出气体的流量值。在吸气相时， 打开压缩气体阀门，时间为t 。驱动供气装置给病人供气，完成 吸气过程；在呼气相时，关闭压缩气体阀门，时间为t 。为病 人提供t 。；的呼气时间。t 。+ t 。，形成一个呼吸周期，吸呼比为 e = t ，。t 当前多数呼吸器采用压缩气体驱动方式，驱动压力为3 4 k g c m 2 。呼 吸转换一般采用时间转换或压力转换方式，呼吸过程的潮气量、通气量、 呼吸频率和吸呼比均可通过呼吸器控制模块进行调节。 麻醉机在使用时，机械通气和手动呼吸可通过选择阀进行选择。手动 呼吸是通过手动挤压一球形皮囊来驱动呼吸的，此时呼吸器不工作。而机 械通气时，呼吸器开始工作，通过电机运动或外加压缩气体压迫呼吸器的 折叠气囊来驱动呼吸。 呼吸器一般以呼吸转换方式来进行划分，即分为压力转换型、容量转 换型和时间转换型。现在出现了将压力、容量和时间转换融为一体的作为 转换标准的趋势，其性能特征是以预定输出容量为主，辅以各种压力、时 间等条件，组成了适应范围广的多功能呼吸器。 呼吸器也可以根据气体压力的变化来划分为恒压发生器和恒流发生 器。前者在吸气时，气体工作压力保持不变，直到肺内压力与折叠气囊内 压力平衡时进行呼吸转换：后者在吸气时，气体工作压力至少1 0 倍于肺 在正常呼吸时所需的压力，从而使输出流量完全不受病人的气阻与顺应性 变化的影响，即输出流量保持恒定，由于流速是恒定的，因此呼吸转换采 用时间转换方式。 2 1 3 安全装置 安全装置是麻醉机的一部分，包括测量装置和监护装置。按麻醉的基 本要求，先进的麻醉机必须能监护可能会危及人们生命的呼吸参数，其中 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 包括：氧浓度监护、每分钟通气量监护、气道压力监护，某些先进的机器 上还配有或可以增加的监护有：呼出二氧化碳浓度、吸入或呼出的笑气浓 度、安氟醚、氟烷等常用的麻醉药蒸气浓度、血氧饱合度、吸入气体温度， 还能监护心电、脉搏、血压、心律失常、心血排出量、人体温度、脑电等 生理参数，所有这些监护将为麻醉师的操作提供很大的帮助。 1 氧浓度监护仪 氧浓度监护仪的测量方式有两种，一种是利用极谱法测量，另一种是 利用固定化学电极束测量，它们都具有一定的时效性，所以必须定期进行 更换。 2 通气监护 每分钟通气量监护分为电子监护和机械原理监护两种。电子监护仪主 要利用铂金丝制成感应器置于气道中进行通气量的测量，当有气体流过 时，会在两条铂金丝上产生不同的效应，将此效应进行放大并和标准信号 比较，从而可得出通气量。机械原理监护是通过气体推动风轮旋转，而风 轮带动指针转动来测量，风轮的转动角度与气流量相对应。 3 压力监护 气道压力监护仪是用于监测气道压力的装置，该装置也分为电子式和 机械式两种。电子监护仪是利用压敏元件来产生电信号，然后经电子电路 处理后就可测出当前气道的压力值。机械式是利用压力继电器来测量气道 压力是否超限，若超限则压力继电器将会闭合，通过检测压力继电器的状 态就可知道当前压力值是否正常。通过压力监护仪能及时地发现气道阻塞 或气管脱落以及其他气压方面的故障。 4 二氧化碳监护 二氧化碳监护仪是利用二氧化碳能吸收红外线的原理来制得相应感 应器，通过电路将感应器的信号处理放大以进行指示。由于肺气泡与血管 之间的二氧化碳扩散迅速，因此血液里的二氧化碳含量与呼气末时气道内 的二氧化碳含量相等。通过设定二氧化碳含量的范围能及时发现病人过度 1 4 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 换气，二氧化碳淤集等现象，并能通过监护仪随时了解病人的新陈代谢。 5 吸入麻醉药浓度监护仪 吸入麻醉药浓度监护仪是利用不同的物质有不同的吸收光谱的原理， 通过光谱吸收法来测定不同麻醉药的浓度。 2 2o h m e d a 7 0 0 0 型麻醉机的结构 本课题以o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机为对象，针对其进行相应呼吸器控 制模块的开发，之所以选用该型麻醉机是基于以下几个原因： 1 o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机是英国o h m e d a 公司设计的一款中档次麻 醉机，结构设计合理，制作工艺精细，而且功能比较齐全、操作 也很方便，具有较高的性价比。 2 o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机经过多年的临床使用，性能一直比较稳定 可靠，这说明其总体结构和安全系统的设计还是十分合理的，能 够经得住时间的考验。 3 o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的呼吸器控制模块的控制功能是利用模拟 控制电路实现的，其电路复杂，体积较大，而且控制的灵活性和 可靠性也因此相应地降低。而利用现代计算机技术可以对其进行 全新设计，从而开发出完全具备原控制模块功能，而控制的可靠 性和灵活性又会明显加强的新的控制模块。 o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的气路结构如图2 2 所示。 氧气和笑气经减压阀减压后进入麻醉机的气路，其中在氧气支路和笑 气支路之间装有缺氧报警器和无氧气笑气自动切断阀，氧气和笑气各自经 过流量调节阀和流量计后混合，然后通过蒸发罐形成麻醉混合气体，混合 气体经单向阀到达呼吸器。吸气时，在呼吸器的控制下，麻醉混合气体经 过吸气活瓣进入病人回路，最终将进入病人的肺部，完成吸气过程；呼气 时，呼出气体从病人肺部排出，经呼气活瓣到达选择阀，选择阀有两个选 择位置，当选择手动位置时呼出气体进入贮气囊进行手动呼吸，而选择自 第二章现代麻醉机及o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的结构分析 动位置时则进入呼吸器进行机械通气。 氧 笑 图2 2o h m e d a7 0 0 0 型麻醉机的气路图 6 第三章呼吸器自动控制模块的总体设计及硬件系统 第三章呼吸器自动控制模块的总体设计及硬件系统 3 1 呼吸器自动控制模块的总体设计方案 3 1 1呼吸器自动控制模块的控制目标 要进行呼吸器自动控制模块的设计，首先应该分析呼吸器自动控制模 块的控制过程是如何进行的，即控制目标。 呼吸器自动控制模块根据操作人员输入的参数值，计算出相应的控制 量值，然后按照这些控制量值控制呼吸器动作以执行机械通气操作，同时 监测麻醉机的工作状态并利用液晶显示屏实时显示当前麻醉机的工作状 态和输入的参数值。在麻醉机工作过程中，若输入参数值或气路压力值超 过极限值，则会及时启动安全报警系统，以提醒操作人员进行相应的处理。 3 1 2呼吸器自动控制模块所具备的功能 为使呼吸器自动控制模块能够按照控制目标的要求控制呼吸器工作 以实现麻醉和机械通气的功能，应当具备以下六项功能： 1 输入呼吸器的呼吸控制参数值： 2 按照输入的参数值计算相应的控制量值； 3 按照控制量值控制呼吸器实现机械通气操作； 4 实时监测麻醉机的气路压力： 5 实时显示设定的参数值及麻醉机的工作状态； 6 具有安全报警系统。 3 1 3呼吸器自动控制模块的总体结构 要实现呼吸器自动控制模块对呼吸器的控制，首先需要有驱动呼吸器 实现机械通气的驱动机构，即执行机构，同时还应该有控制该模块自动工 作的控制系统，因此可将模块的硬件划分为两大部分： 1 模块执行机构，通过驱动呼吸器以实现具体的呼吸控制，应保证 第三章呼吸器自动控制模块的总体设计及硬件系统 能在规定的时间内将预定量的麻醉混合气体传送到病人的肺部， 从而实现麻醉机的麻醉功能和机械通气功能。 2 模块控制系统，实现各控制参数值的输入，并能计算出相应控制 量值，从而控制执行机构驱动呼吸器动作以实现机械通气，同时 还要监测气路中的压力，若气路的压力值或控制量超限，能启动 相应的报警，以提醒操作人员进行相应的处理。 控制模块的总体设计方案如图3 1 所示。 j 、，j 、一 呼吸器控制模块 图3 1 总体方案设计示意图 3 2呼吸器自动控制模块执行机构的设计 3 2 1呼吸器驱动方式选择 呼吸器的作用是将麻醉混合气体传送给病人。同时用机械通气来代替 病人自主呼吸。 如前所述，呼吸器常用的驱动方法有用直流电机驱动气缸和用压缩气 体驱动折叠气囊两种。这两种方法都可实现呼吸器对病人按预定的流量和 时间进行通气。 采用压缩气体驱动时，其通气过程可以通过折叠气囊的上下运动来观 察，同时每次的通气量也可以通过折叠气囊外罩上的刻度来观察，而采用 直流电机驱动时它通气过程可以观察，但通气量却无法查看。另一方面采 第三章呼吸器自动控制模块的总体设计及硬件系统 用直流电机驱动时，在呼气相，如果吸呼比设置不当，电机在回复原始位 置的过程中容易对病人产生抽拉作用，而第二种驱动方法，呼出气体时由 病人自主进行，不会产生抽拉作用，因而用压缩气体驱动呼吸器更适合对 病人进行控制呼吸，所以选择采用压缩气体来驱动呼吸器。 3 2 2 气体流量控制方式选择 要实现对病人的呼吸控制，必须控制通气量及每次呼吸时的吸气时间 和呼气时间。吸气时间和呼气时间可以通过定时通断气体来实现，而通气 量即流量的控制则比较复杂，当前控制气体流量的方法有如下两种： 1 利用比例流量阀控制气体流量。它可以利用微机输出的控制信 号，通过d a 转换后来对阀的流量输出进行控制，由于这种控制 能够实现闭环控制从而可以提高控制的精度。 2 利用多个开关阀联合控制气体流量。每个开关阀的输出流量确 定，因而某一时刻输出的总流量等于当时所有打开的开关阀的流 量之和，总流量的最大值是所有开关阀的流量之和。这种控制不 需要d a 转换电路，因此实现容易，控制简单，但是只能输出离 散的流量值，且无法实现闭环控制，因此控制精度较低。与比例 流量阀相比，开关阀具有明显的价格优势”。 本课题选择了第二种流量控制方式，主要是基于以下几方面的考虑： 1 为了降低成本，若在系统中安装流量传感器并使用比例流量阀来 实现流量的闭环控制，会使整个控制模块的成本成倍地增加，从 而对控制模块的市场前景带来严重的负面影响，因此本课题考虑 先使用开关阀进行流量控制，等将来时机成熟时再采用比例流量 阀进行流量控制。 2 因为模块中输入的控制参数值的取值范围都是某一区间内的整 数值，因而计算所得的气体流量值也是一定取值范围内的整数 值，所以可以利用多个开关阀联合控制气体的流量输出； 3 开关阀与比例流量阀相比，对开关阀的控制也比较容易，采用计 算机控制时，只需要通过计算机的i 0 口输出就可以实现对其控 9 第三章呼吸器自动控制模块的总体设计及硬件系统 制，从而简化了控制电路和相应的控制程序。 呼吸器的呼吸控制参数包括分钟流量、呼吸频率、吸呼比和叹息，其 中分钟流量值和吸呼比值决定输出的气体流量值，具体计算公式如下： f 。m v f i + i e ) f ： 气体流量 m v ：分钟流量 i e ：吸呼比 麻醉机规定分钟流量值的取值范围为2 3 0 之内的整数值，吸呼比值 则只能取1 ：1 、1 ：2 、1 ：3 三个值中的一个，因此气体流量相应的取值范围 为2 9 0 之内的整数值，而麻醉机自身可传送的最大流量值为6 0 l m i n ， 同时麻醉机通过其气路可以提供最大为2 0 l r a i n 的新麻醉混合气体，所以 实际上，呼吸器所需提供的流量值为2 - - 4 0 之内的整数值。经过推算，使 用5 个开关阀，各阀所能提供的流量值分别为1 、3 、5 、1 0 、2 0 l m i n ，这 5 个阀联合使用，基本上可以提供麻醉机需要输出的所有的流量值，因此 采用5 个开关阀来联合控制输出气体的流量。 3 2 3 执行机构的总体结构图 执行机构的总体结构如图3 2 所示。 开关阀 l 一，、j 减压阀 书争一 一i 高压气体日 - 、卅 一鼍l l l 一，、叫 拶 l 泄压阀塞 七 一 排气阀筮 工 r 1 圈3 2 执行机构示意图 由空气压缩机提供的高压气体经过减压阀减压后进入控制气路，其后 2 0 第三章呼吸器自动控制模块的总体设计及硬件系统 由五个丌关阀来联合控制压缩气体