睡眠呼吸機(jī)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(yán)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(jiàn)。
　　阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征臨床特點(diǎn)有夜間睡眠打鼾、反復(fù)呼吸暫停和覺(jué)醒、白天嗜睡，并伴有記憶力下降，嚴(yán)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(yán)重患者會(huì)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(dǎo)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(jī)制表現(xiàn)為呼吸道阻塞和狹窄，但其原因卻并不只是簡(jiǎn)單的呼吸道狹窄和阻塞，實(shí)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(qiáng)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(guò)長(zhǎng)，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(qiáng)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(duì)于OSAS的詳細(xì)病因，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尚無(wú)明確結(jié)論，仍需進(jìn)一步研究。
　　目前治療OSAS的主要手段有無(wú)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(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)通氣治療已經(jīng)成為公認(rèn)的治療OSAS最為有效和安全的方法，其療效高達(dá)90～95％。無(wú)創(chuàng)通氣治療的治療

4、方式有創(chuàng)呼吸機(jī)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(dòng)正壓通氣（Automatic Positive Airway Pressure，APAP）。無(wú)創(chuàng)氣道正壓通氣治療越來(lái)越受歡迎是由于不需要手術(shù)和服用藥物，保證了無(wú)創(chuàng)通氣治療的效果。
　　無(wú)創(chuàng)通氣治療的基本原理是通過(guò)調(diào)整

5、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使患者在整個(gè)呼氣及吸氣的過(guò)程中，通過(guò)面罩持續(xù)給上呼吸道一個(gè)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(guò)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(dǎo)致的呼吸暫停和低通氣。
　　美國(guó)是利用呼吸機(jī)開(kāi)展OSAS治療最早的國(guó)家之一，在2005年時(shí)該國(guó)治療用的睡眠呼吸機(jī)需求總量已經(jīng)達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)，并在過(guò)去十年年需求量增長(zhǎng)率保持在20％左右。西歐2005年治療用睡眠呼吸機(jī)的需求總量約為70萬(wàn)臺(tái)，每年增長(zhǎng)率約

6、為20％。日本自2003年將OSAS診療納入保險(xiǎn)范圍，治療用睡眠呼吸機(jī)的需求量急劇上升，2005年年需求量已經(jīng)達(dá)到20多萬(wàn)臺(tái)。但在我國(guó)，人們對(duì)OSAS的危害認(rèn)知度較低，治療的普及速度十分緩慢。
　　近年來(lái)，隨著睡眠醫(yī)學(xué)知識(shí)的普及和人民生活水平的提高，更多的人開(kāi)始關(guān)注自己的睡眠健康，無(wú)創(chuàng)睡眠呼吸機(jī)無(wú)疑具有巨大的市場(chǎng)潛力;另一方面，隨著科技的發(fā)展，無(wú)創(chuàng)睡眠呼吸機(jī)的性能更加完善，利用睡眠呼吸機(jī)對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征進(jìn)行治療的優(yōu)勢(shì)更加

7、突出。同時(shí)，市場(chǎng)上睡眠呼吸機(jī)種類(lèi)也越來(lái)越多，但人們對(duì)睡眠呼吸機(jī)的要求不僅僅局限于達(dá)到治療效果，而是在達(dá)到治療效果的同時(shí)，對(duì)睡眠呼吸機(jī)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(jī)性能優(yōu)劣的最重要指標(biāo)。
　　在睡眠呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)中，電機(jī)控制算法、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)睡眠呼吸機(jī)的需求收集和分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外需求，對(duì)上述的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了具有成本適中、電機(jī)控制效率高

8、、噪聲水平低和使用舒適性好等優(yōu)點(diǎn)的睡眠呼吸機(jī)核心組件。
　　在睡眠呼吸機(jī)治療過(guò)程中，為了保證使用者的最佳舒適性和對(duì)睡眠的最小干擾，睡眠呼吸機(jī)需要根據(jù)患者呼吸狀態(tài)快速調(diào)整輸出壓力，因此對(duì)電機(jī)的選型和電機(jī)的控制提出更高要求。在電機(jī)選型上，本文綜合成本和性能的考慮，選擇了睡眠呼吸機(jī)中普遍使用的直流無(wú)刷電機(jī)。傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)的控制方法是采用定子驅(qū)動(dòng)的六步方波過(guò)程。在六步方波控制過(guò)程中，給一對(duì)繞組通電直到轉(zhuǎn)子達(dá)到下一位置，然后電機(jī)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(jī)換相。六步方波法優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但容易產(chǎn)生噪聲，并且對(duì)于需要根據(jù)患者呼吸狀態(tài)的變化快速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的睡眠呼吸機(jī)來(lái)說(shuō)，其響應(yīng)能力顯然不足。鑒于此，本文將磁場(chǎng)定向控制(Field-Oriented Control，F(xiàn)OC)算法用于睡眠呼吸機(jī)的電機(jī)控制。磁場(chǎng)定向控制也被稱(chēng)為解耦控制或矢量控制，20世紀(jì)70年代，美國(guó)P.C.Custman與A.A.Clark申請(qǐng)的專(zhuān)利“感應(yīng)

10、電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”和德國(guó)西門(mén)子公司F.Blaschke等提出的“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)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(guò)異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)造上不能分離的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流通過(guò)坐標(biāo)變換分離成相位差90°的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到快速精準(zhǔn)地調(diào)速控制。
　　本文首先對(duì)睡眠呼吸機(jī)的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行了闡述，對(duì)睡眠呼吸機(jī)應(yīng)用于OSAS治療的優(yōu)勢(shì)作了簡(jiǎn)要對(duì)比分析。然后，介紹了睡眠呼吸機(jī)的工作原理以及系統(tǒng)組成，解釋了睡眠

11、呼吸機(jī)在工作過(guò)程中對(duì)電機(jī)響應(yīng)速度和噪聲的要求。鑒于直流無(wú)刷電機(jī)傳統(tǒng)的六步方波控制方法，其相應(yīng)能力不足的問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制理論進(jìn)行了研究與分析，確定了采用FOC用于睡眠呼吸機(jī)的電機(jī)控制。本文采用的FOC電機(jī)控制算法中，首先通過(guò)坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，從而使三相耦合的定子電流轉(zhuǎn)換為相互正交，獨(dú)立解耦的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量，從而達(dá)到類(lèi)似于其他勵(lì)直流電機(jī)通過(guò)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(mǎn)足FOC控制算法和關(guān)鍵算法對(duì)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(fù)責(zé)接收從壓差/壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的識(shí)別處理，判斷患者的吸氣與呼氣過(guò)程，實(shí)現(xiàn)提高治療舒適性算法，以及睡眠呼吸事件的檢測(cè)，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(hào)處理能力，可充分滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)中的LCD驅(qū)

13、動(dòng)控制以及關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)的需要。TMS320F2806處理器是基于C28x內(nèi)核的定點(diǎn)DSP，用于實(shí)現(xiàn)FOC電機(jī)控制算法，輸出三路驅(qū)動(dòng)三相定子的PWM，完成直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的控制，TMS320F2806是集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制系列芯片，可滿(mǎn)足FOC電機(jī)控制算法中復(fù)雜運(yùn)算的需求，芯片高速的運(yùn)算能力保證了控制的實(shí)時(shí)性，同時(shí)，內(nèi)部集成大容量存儲(chǔ)空間無(wú)需外片RAM就能滿(mǎn)足存儲(chǔ)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(hào)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(hào)為壓力控制與提高順應(yīng)性相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)來(lái)源。鼾聲檢測(cè)電路為呼吸事件檢測(cè)的一部分，原理為將壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)30-800Hz的帶通濾波電路，從而提取出鼾聲信號(hào)。系統(tǒng)人機(jī)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(xiàng)菜單的配置，在治療過(guò)程

15、中，可顯示當(dāng)前的呼吸波形。
　　在軟件方面，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序和主功能相關(guān)的核心算法。驅(qū)動(dòng)程序包括系統(tǒng)時(shí)間配置、數(shù)模轉(zhuǎn)換程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、LCD屏驅(qū)動(dòng)程序、SD卡讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序等方面。在算法方面，實(shí)現(xiàn)智能啟動(dòng)、呼吸/壓力跟隨、呼吸事件識(shí)別和漏氣檢測(cè)和補(bǔ)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(hào)，識(shí)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(guò)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(dá)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(cè)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(fù)，以滴定出適合病人的最佳治療壓力。漏氣檢測(cè)和補(bǔ)償則是在發(fā)生漏氣情況下，系統(tǒng)做出流量補(bǔ)償，從而保證治療效果。
　　試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的睡眠呼吸機(jī)組件具有電機(jī)響應(yīng)速度快、壓力輸出平穩(wěn)、噪聲水平低等優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確快速地根據(jù)患者呼吸調(diào)整輸出壓力和流量，準(zhǔn)確識(shí)別呼吸事件的發(fā)生，以及漏氣檢測(cè)和補(bǔ)