便攜式呼氣末二氧化碳監(jiān)測儀的研制.pdf

1、目的:動脈血二氧化碳壓力(Arterial CO2 Pressure，PaCO2)是人體呼吸狀態(tài)的一個直接判斷指標，但該指標必須通過有創(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)護人員的工作量，而且滿足不了臨床上對生理參數(shù)實時連續(xù)動態(tài)監(jiān)測的需求。目前可以通過呼氣末二氧化碳壓力(end-tidal CO2 pressure，PETCO2)監(jiān)測來作為PaCO2的替代指標來無創(chuàng)持續(xù)地測量

2、人體呼氣末的二氧化碳壓力水平。PETCO2是非常重要的呼吸監(jiān)護指標，具有無創(chuàng)且連續(xù)的特點，在臨床中具有非常廣泛的應(yīng)用。當前，PETCO2監(jiān)護相關(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)測功能的監(jiān)護儀。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，遠遠沒有國外那么普及。結(jié)果是利用監(jiān)測病人呼氣末二氧化碳來進行醫(yī)療輔助診斷

3、和確保醫(yī)療安全的這項比較好的技術(shù)使用受限，在臨床上國內(nèi)還并沒有將該項檢測內(nèi)容當做常規(guī)監(jiān)測內(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)測技術(shù)，降低使用成本，迫切需要研發(fā)輕巧便攜價格便宜的呼氣末二氧化碳監(jiān)測儀，造福廣大國內(nèi)患者。
　　方法:本文在大量的文獻調(diào)研和前人研究的基礎(chǔ)上探討了一套測量精度高、輕巧便攜的可以用于院前轉(zhuǎn)運及無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測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，通過探測器檢測紅外光的衰減量來計算CO2氣體的濃度。硬件電路主控芯片選用ARM7內(nèi)核的ADuC7026從而實現(xiàn)對探測器、信號處理電路等的控制。氣室設(shè)計選用紅外光源IRL715配套使用探測器TPS2534。探測器為雙通道探測器，可以實現(xiàn)單光源雙光路的設(shè)計，該設(shè)計可以有效降低光源及探測器所造成的測量誤差，提高測量精度。紅外探測器能將接

5、收到的光信號和溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，進行前置放大預(yù)處理，A/D轉(zhuǎn)化后送入微處理器進行計算和補償校準后可顯示PETCO2波形和測量值，根據(jù)波形特征來計算病人的呼吸率。
　　內(nèi)容:本文主要研究工作包括以下幾個方面:
　　①.系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)。為了提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量的精度，進行紅外光源、氣室的光路以及紅外探測器等元器件的選型與設(shè)計;選擇適合的運算放大器并搭建放大電路，進行微弱信號的放大處理;為了便于存儲和查閱檢測數(shù)據(jù)，設(shè)

6、計搭建SD存儲接口電路，進行SD卡存儲模塊設(shè)計;挑選恰當?shù)囊壕吝M行顯示模塊的搭建從而對檢測結(jié)果進行顯示輸出，并利用蜂鳴器實現(xiàn)超限報警;設(shè)計搭建電源管理電路。
　　②.系統(tǒng)軟件算法設(shè)計。編寫適當程序?qū)崿F(xiàn)呼氣末二氧化碳傳感器檢測信號采樣，并設(shè)計相應(yīng)程序?qū)?shù)據(jù)進行處理;基于閾值判斷同時與校準結(jié)果相結(jié)合，采用自適應(yīng)跟蹤的方法來進行基線跟蹤;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

7、確采樣處理二氧化碳波形數(shù)據(jù)，對波形進行檢測預(yù)處理并準確提取呼吸率;實現(xiàn)呼氣末二氧化碳波形的繪制，完成人機交互界面設(shè)計;實現(xiàn)SD卡的存儲功能。
　?、?系統(tǒng)可靠性評估實驗。筆者分別進行了呼氣末二氧化碳監(jiān)測儀的實驗室評估和臨床對照實驗，評估了監(jiān)測系統(tǒng)對CO2濃度和呼吸率檢測的范圍和精度以及系統(tǒng)的響應(yīng)時間，并與現(xiàn)有機型進行了對照和比較。
　　結(jié)果:本系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試后，進行了實驗室評估和臨床對照實驗，對結(jié)果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)CO

8、2濃度檢測范圍為0-99 mmHg，其誤差率不超過5％。呼吸率誤差不超過2bpm，其檢測范圍可以達到150 bpm。系統(tǒng)響應(yīng)時間為19.5秒，紅外接收器件響應(yīng)時間為25毫秒。與現(xiàn)有某機型對照發(fā)現(xiàn)主要指標部分達到了臨床應(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，可以快速準確地分析判斷病人的呼吸、循環(huán)和新陳代