便攜式呼氣末二氧化碳監(jiān)測(cè)儀的研制.pdf

1、目的:動(dòng)脈血二氧化碳?jí)毫?Arterial CO2 Pressure，PaCO2)是人體呼吸狀態(tài)的一個(gè)直接判斷指標(biāo)，但該指標(biāo)必須通過有創(chuàng)操作才能得到并且數(shù)據(jù)也不能持續(xù)。有創(chuàng)操作不僅增加了病人的痛苦，加大了相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生概率，加重了醫(yī)護(hù)人員的工作量，而且滿足不了臨床上對(duì)生理參數(shù)實(shí)時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。目前可以通過呼氣末二氧化碳?jí)毫?end-tidal CO2 pressure，PETCO2)監(jiān)測(cè)來作為PaCO2的替代指標(biāo)來無創(chuàng)持續(xù)地測(cè)量

2、人體呼氣末的二氧化碳?jí)毫λ?。PETCO2是非常重要的呼吸監(jiān)護(hù)指標(biāo)，具有無創(chuàng)且連續(xù)的特點(diǎn)，在臨床中具有非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，PETCO2監(jiān)護(hù)相關(guān)設(shè)備主要都由國外的廠家生產(chǎn)，國內(nèi)僅有少數(shù)廠商推出帶有呼末CO2監(jiān)測(cè)功能的監(jiān)護(hù)儀。由于國外人力成本及相關(guān)技術(shù)成本比較高，相應(yīng)的設(shè)備成本也居高不下，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備及模塊只有在一些大醫(yī)院或者僅僅在ICU或手術(shù)室等特定的小范圍內(nèi)使用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有國外那么普及。結(jié)果是利用監(jiān)測(cè)病人呼氣末二氧化碳來進(jìn)行醫(yī)療輔助診斷

3、和確保醫(yī)療安全的這項(xiàng)比較好的技術(shù)使用受限，在臨床上國內(nèi)還并沒有將該項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容當(dāng)做常規(guī)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，還不像心電、血氧、無創(chuàng)血壓等參數(shù)那樣被廣泛應(yīng)用。因此，為了普及呼氣末二氧化碳監(jiān)測(cè)技術(shù)，降低使用成本，迫切需要研發(fā)輕巧便攜價(jià)格便宜的呼氣末二氧化碳監(jiān)測(cè)儀，造福廣大國內(nèi)患者。
　　方法:本文在大量的文獻(xiàn)調(diào)研和前人研究的基礎(chǔ)上探討了一套測(cè)量精度高、輕巧便攜的可以用于院前轉(zhuǎn)運(yùn)及無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測(cè)病人呼氣末二氧化碳濃度的系統(tǒng)的搭建方法及元器件選型。系統(tǒng)采

4、用非色散紅外光譜技術(shù)(NDIR，Non-DispersiveInfrared)，基于朗伯比爾定律的原理設(shè)計(jì)，通過探測(cè)器檢測(cè)紅外光的衰減量來計(jì)算CO2氣體的濃度。硬件電路主控芯片選用ARM7內(nèi)核的ADuC7026從而實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器、信號(hào)處理電路等的控制。氣室設(shè)計(jì)選用紅外光源IRL715配套使用探測(cè)器TPS2534。探測(cè)器為雙通道探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)單光源雙光路的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以有效降低光源及探測(cè)器所造成的測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。紅外探測(cè)器能將接

5、收到的光信號(hào)和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)行前置放大預(yù)處理，A/D轉(zhuǎn)化后送入微處理器進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償校準(zhǔn)后可顯示PETCO2波形和測(cè)量值，根據(jù)波形特征來計(jì)算病人的呼吸率。
　　內(nèi)容:本文主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:
　?、?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量的精度，進(jìn)行紅外光源、氣室的光路以及紅外探測(cè)器等元器件的選型與設(shè)計(jì);選擇適合的運(yùn)算放大器并搭建放大電路，進(jìn)行微弱信號(hào)的放大處理;為了便于存儲(chǔ)和查閱檢測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)

6、計(jì)搭建SD存儲(chǔ)接口電路，進(jìn)行SD卡存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì);挑選恰當(dāng)?shù)囊壕吝M(jìn)行顯示模塊的搭建從而對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示輸出，并利用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警;設(shè)計(jì)搭建電源管理電路。
　?、?系統(tǒng)軟件算法設(shè)計(jì)。編寫適當(dāng)程序?qū)崿F(xiàn)呼氣末二氧化碳傳感器檢測(cè)信號(hào)采樣，并設(shè)計(jì)相應(yīng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理;基于閾值判斷同時(shí)與校準(zhǔn)結(jié)果相結(jié)合，采用自適應(yīng)跟蹤的方法來進(jìn)行基線跟蹤;利用采樣處理后的呼氣末二氧化碳數(shù)據(jù)，進(jìn)行呼氣末二氧化碳數(shù)據(jù)的特征提取，獲得呼氣末二氧化碳的數(shù)值;準(zhǔn)

7、確采樣處理二氧化碳波形數(shù)據(jù)，對(duì)波形進(jìn)行檢測(cè)預(yù)處理并準(zhǔn)確提取呼吸率;實(shí)現(xiàn)呼氣末二氧化碳波形的繪制，完成人機(jī)交互界面設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)SD卡的存儲(chǔ)功能。
　?、?系統(tǒng)可靠性評(píng)估實(shí)驗(yàn)。筆者分別進(jìn)行了呼氣末二氧化碳監(jiān)測(cè)儀的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估和臨床對(duì)照實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)CO2濃度和呼吸率檢測(cè)的范圍和精度以及系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，并與現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行了對(duì)照和比較。
　　結(jié)果:本系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室評(píng)估和臨床對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)CO

8、2濃度檢測(cè)范圍為0-99 mmHg，其誤差率不超過5％。呼吸率誤差不超過2bpm，其檢測(cè)范圍可以達(dá)到150 bpm。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為19.5秒，紅外接收器件響應(yīng)時(shí)間為25毫秒。與現(xiàn)有某機(jī)型對(duì)照發(fā)現(xiàn)主要指標(biāo)部分達(dá)到了臨床應(yīng)用的要求。
　　結(jié)論:該便攜式呼氣末二氧化碳檢測(cè)設(shè)備能夠提供病人的PETCO2值和呼吸頻率，結(jié)果通過數(shù)值和波形進(jìn)行持續(xù)地顯示。設(shè)備能定量顯示人體呼氣末的二氧化碳局部壓力，可以快速準(zhǔn)確地分析判斷病人的呼吸、循環(huán)和新陳代