睡眠呼吸機的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、睡眠呼吸暫停綜合癥(Sleep Apnea Syndrome，SAS)是一種嚴重影響人們的身體健康慢性疾病。在臨床上睡眠呼吸暫停綜合癥分為阻塞型(Obstructive SAS，OSAS)、中樞型(Central SAS，CSAS)及和混合型(Mixed SAS，MSAS)三種，其中以O(shè)SAS最為常見。
　　阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征臨床特點有夜間睡眠打鼾、反復呼吸暫停和覺醒、白天嗜睡，并伴有記憶力下降，嚴重的伴有心理心智和行為異常

2、現(xiàn)象出現(xiàn)。呼吸暫停嚴重患者會出現(xiàn)低氧血癥情況，并且出現(xiàn)冠心病、高血壓、腦卒中、2型糖尿病等并發(fā)癥，甚至導致夜間猝死。阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征是心、腦血管疾病的重要誘因之一。
　　OSAS的直接發(fā)病機制表現(xiàn)為呼吸道阻塞和狹窄，但其原因卻并不只是簡單的呼吸道狹窄和阻塞，實際是由上呼吸道塌陷所致，并伴有呼吸中樞神經(jīng)調(diào)節(jié)障礙。引起上呼吸道阻塞和狹窄的病因有很多，包括顳下頜關(guān)節(jié)強直、Ⅱ°以上扁桃體肥大、下頜弓狹窄、鼻中隔彎曲、下頜后縮畸形、

3、軟腭過長，少數(shù)情況下出現(xiàn)的舌骨后移、巨舌癥、兩側(cè)關(guān)節(jié)強直繼發(fā)的小頜畸形等。此外，口咽或下咽部腫瘤、肥胖以及上氣道組織黏液性水腫等也是引起OSAS的原因。對于OSAS的詳細病因，醫(yī)學領(lǐng)域尚無明確結(jié)論，仍需進一步研究。
　　目前治療OSAS的主要手段有無創(chuàng)氣道正壓通氣治療、行為治療、外科手術(shù)治療和藥物治療等方法，其中采用無創(chuàng)呼吸機進行無創(chuàng)通氣治療已經(jīng)成為公認的治療OSAS最為有效和安全的方法，其療效高達90～95％。無創(chuàng)通氣治療的治療

4、方式有創(chuàng)呼吸機以持續(xù)正壓通氣（Continuous Positive Airway Pressure，CPAP）、雙水平正壓通氣（Bi-level Positive Airway Pressure，Bi-PAP）和自動正壓通氣（Automatic Positive Airway Pressure，APAP）。無創(chuàng)氣道正壓通氣治療越來越受歡迎是由于不需要手術(shù)和服用藥物，保證了無創(chuàng)通氣治療的效果。
　　無創(chuàng)通氣治療的基本原理是通過調(diào)整

5、風機轉(zhuǎn)速，使患者在整個呼氣及吸氣的過程中，通過面罩持續(xù)給上呼吸道一個恒定正壓力，維持上呼吸道的肌張力和增大咽腔側(cè)壁的寬度，通過影響上呼吸道的口徑而增加肺容量，從而避免了由于氣道塌陷而導致的呼吸暫停和低通氣。
　　美國是利用呼吸機開展OSAS治療最早的國家之一，在2005年時該國治療用的睡眠呼吸機需求總量已經(jīng)達到100萬臺，并在過去十年年需求量增長率保持在20％左右。西歐2005年治療用睡眠呼吸機的需求總量約為70萬臺，每年增長率約

6、為20％。日本自2003年將OSAS診療納入保險范圍，治療用睡眠呼吸機的需求量急劇上升，2005年年需求量已經(jīng)達到20多萬臺。但在我國，人們對OSAS的危害認知度較低，治療的普及速度十分緩慢。
　　近年來，隨著睡眠醫(yī)學知識的普及和人民生活水平的提高，更多的人開始關(guān)注自己的睡眠健康，無創(chuàng)睡眠呼吸機無疑具有巨大的市場潛力;另一方面，隨著科技的發(fā)展，無創(chuàng)睡眠呼吸機的性能更加完善，利用睡眠呼吸機對阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征進行治療的優(yōu)勢更加

7、突出。同時，市場上睡眠呼吸機種類也越來越多，但人們對睡眠呼吸機的要求不僅僅局限于達到治療效果，而是在達到治療效果的同時，對睡眠呼吸機的噪聲水平和使用的舒適性有更高的追求，這也成為衡量睡眠呼吸機性能優(yōu)劣的最重要指標。
　　在睡眠呼吸機的設(shè)計中，電機控制算法、系統(tǒng)硬件設(shè)計和核心軟件算法是決定噪聲水平和舒適性的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過對睡眠呼吸機的需求收集和分析，并結(jié)合國內(nèi)外需求，對上述的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，設(shè)計了具有成本適中、電機控制效率高

8、、噪聲水平低和使用舒適性好等優(yōu)點的睡眠呼吸機核心組件。
　　在睡眠呼吸機治療過程中，為了保證使用者的最佳舒適性和對睡眠的最小干擾，睡眠呼吸機需要根據(jù)患者呼吸狀態(tài)快速調(diào)整輸出壓力，因此對電機的選型和電機的控制提出更高要求。在電機選型上，本文綜合成本和性能的考慮，選擇了睡眠呼吸機中普遍使用的直流無刷電機。傳統(tǒng)的直流無刷電機的控制方法是采用定子驅(qū)動的六步方波過程。在六步方波控制過程中，給一對繞組通電直到轉(zhuǎn)子達到下一位置，然后電機換相到下

9、一步，并采用霍爾傳感器用于確定轉(zhuǎn)子的位置，以采用電子方式給電機換相。六步方波法優(yōu)點是算法簡單，容易實現(xiàn)，但容易產(chǎn)生噪聲，并且對于需要根據(jù)患者呼吸狀態(tài)的變化快速改變電機轉(zhuǎn)速的睡眠呼吸機來說，其響應能力顯然不足。鑒于此，本文將磁場定向控制(Field-Oriented Control，F(xiàn)OC)算法用于睡眠呼吸機的電機控制。磁場定向控制也被稱為解耦控制或矢量控制，20世紀70年代，美國P.C.Custman與A.A.Clark申請的專利“感應

10、電機定子電壓的坐標變換控制”和德國西門子公司F.Blaschke等提出的“感應電機磁場定向的控制原理”奠定了矢量控制的基礎(chǔ)，其主要思想是通過異步電動機構(gòu)造上不能分離的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流通過坐標變換分離成相位差90°的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到快速精準地調(diào)速控制。
　　本文首先對睡眠呼吸機的相關(guān)理論知識進行了闡述，對睡眠呼吸機應用于OSAS治療的優(yōu)勢作了簡要對比分析。然后，介紹了睡眠呼吸機的工作原理以及系統(tǒng)組成，解釋了睡眠

11、呼吸機在工作過程中對電機響應速度和噪聲的要求。鑒于直流無刷電機傳統(tǒng)的六步方波控制方法，其相應能力不足的問題，并通過對直流無刷電機的數(shù)學模型和控制理論進行了研究與分析，確定了采用FOC用于睡眠呼吸機的電機控制。本文采用的FOC電機控制算法中，首先通過坐標變換，將三相靜止坐標系轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)的坐標系，從而使三相耦合的定子電流轉(zhuǎn)換為相互正交，獨立解耦的轉(zhuǎn)矩和勵磁分量，從而達到類似于其他勵直流電機通過控制轉(zhuǎn)矩電流直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。
　　

12、在硬件方面，為滿足FOC控制算法和關(guān)鍵算法對系統(tǒng)資源的需求，采用Ti公司的TM4C129+TMS320F2806雙處理器的架構(gòu)。TM4C129是基于Cortex-M4處理器，主要負責接收從壓差/壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進行相關(guān)的識別處理，判斷患者的吸氣與呼氣過程，實現(xiàn)提高治療舒適性算法，以及睡眠呼吸事件的檢測，該芯片內(nèi)部資源豐富，能極大程度地減少外圍模塊的使用，尤其在內(nèi)部集成LCD控制器與高效的信號處理能力，可充分滿足本設(shè)計中的LCD驅(qū)

13、動控制以及關(guān)鍵算法實現(xiàn)的需要。TMS320F2806處理器是基于C28x內(nèi)核的定點DSP，用于實現(xiàn)FOC電機控制算法，輸出三路驅(qū)動三相定子的PWM，完成直流無刷電機的運轉(zhuǎn)的控制，TMS320F2806是集成度較高、性能較強的運動控制系列芯片，可滿足FOC電機控制算法中復雜運算的需求，芯片高速的運算能力保證了控制的實時性，同時，內(nèi)部集成大容量存儲空間無需外片RAM就能滿足存儲需求，保證了控制系統(tǒng)的高度可靠性。智能傳感部分為壓差和壓力信號采

14、集，分別選用瑞士SENSIRION公司的SDP600壓差傳感器和Freescale的MPXV5004GC6U壓力傳感器，壓差和壓力信號為壓力控制與提高順應性相關(guān)算法的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)來源。鼾聲檢測電路為呼吸事件檢測的一部分，原理為將壓力信號經(jīng)過30-800Hz的帶通濾波電路，從而提取出鼾聲信號。系統(tǒng)人機交互部分，包括按鍵，LCD屏幕和蜂鳴器。按鍵主要用于系統(tǒng)的控制與參數(shù)的設(shè)置輸入。LCD屏在系統(tǒng)設(shè)置模式下，用于交互各項菜單的配置，在治療過程

15、中，可顯示當前的呼吸波形。
　　在軟件方面，主要實現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動程序和主功能相關(guān)的核心算法。驅(qū)動程序包括系統(tǒng)時間配置、數(shù)模轉(zhuǎn)換程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、LCD屏驅(qū)動程序、SD卡讀寫驅(qū)動程序等方面。在算法方面，實現(xiàn)智能啟動、呼吸/壓力跟隨、呼吸事件識別和漏氣檢測和補償?shù)人惴?。呼吸跟隨是壓力釋放的基礎(chǔ)，其目的是根據(jù)氣體流量信號，識別患者的呼吸狀態(tài)，從而根據(jù)呼吸狀態(tài)的不同調(diào)整輸出壓力，保證最佳的呼吸舒適性。患者在睡眠過程中，若出現(xiàn)呼吸暫停、低通氣

16、或阻塞情況，系統(tǒng)提升氣壓，達到治療效果;而在正常狀態(tài)下，系統(tǒng)降低氣壓，直到再次檢測到呼吸暫停、低通氣或阻塞事件，系統(tǒng)重新提升氣壓，如此反復，以滴定出適合病人的最佳治療壓力。漏氣檢測和補償則是在發(fā)生漏氣情況下，系統(tǒng)做出流量補償，從而保證治療效果。
　　試驗樣機測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的睡眠呼吸機組件具有電機響應速度快、壓力輸出平穩(wěn)、噪聲水平低等優(yōu)勢，能夠準確快速地根據(jù)患者呼吸調(diào)整輸出壓力和流量，準確識別呼吸事件的發(fā)生，以及漏氣檢測和補