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一氧化 碳吸入装置的设计与实现


一氧化 碳吸入装置的设计与实现,目的一氧化碳 (carbon monoxide, CO) 是一种 重要的内源性介质, 可用于**新生儿 持续肺动脉高压、急性肺损伤等严重**。但目前 有关一氧化碳吸入装置的报道较少, 因此本 文设计并实现了一种与呼吸机联用的一氧化碳吸入装置以满足临床需求。方法 通过气 体稀释公式计算出在**条件下CO标气的流量, 并由转子流量计控制CO标气送入呼吸回路, 采用CO电化学 传感器对进入患者前的**气中CO浓度进行检测, 具有实时监测、显示浓度、超标声光报警等功能, 并与呼 吸机联用后检验了该装置的示值误差和响应时间。结果 该装置的示值误差为2.2%, 响应时间平均为23.5 s, 能满足 临床实验的需求。结论 本文所 研发的与呼吸机联用吸入装置的浓度监测范围、输出流量、响应时 间及显示精度等技术参数满足预期的设计要求。

一氧化碳 (carbon monoxide, CO) 因其更 易于和体内血红蛋白结合引发机体中毒, 曾长期 被人们视作有毒气体。直到1991年, Marks等[1]发现一 氧化碳具有重要的生理作用, CO才受到研究者的关注。新近的研究结果表明, CO的确是 一种重要的细胞信使分子, CO通过增 加细胞内环磷酸鸟苷 (cyclic guanosinc monophosphate, c GMP) 生成, 导致血 管舒张和抑制血小板凝集, 从而在 各个组织系统中发挥重要的**、抗凋亡 及抗氧化应激作用[2,3]。CO还具有调控血管张力、参与**调节、保护神 经元等生物学作用[4~6]。Lo等[7]证实CO与心血管中心、压力反 射调节以及神经传递有关。宫丽敏等[8]应用**组织化 学技术及原位缺口末端标记法研究了CO对缺氧 大鼠肺动脉平滑肌细胞增殖和凋亡的调节作用, 进而改 善缺氧性肺血管的重建机制。有关CO的生物 学性质及其在多种临床****中的作 用开始受到高度重视, 而相关的CO吸入装置却少有报道, 王灿等[9]使用了7中不同浓度的标准CO压缩气瓶, 经减压 阀减压后由受试者通过非复吸面罩吸入, 发现吸入CO浓度≤60 ppm (1 ppm=1μL/L) 在新生 儿肺炎中是安全的。国外也 有研究使用了一些简易的CO吸入装置来探讨CO吸入疗法在**和动物 应用中的安全性[10,11], 但这些简易的CO吸入装置不能对CO的浓度 进行准确的调节和监测, 也不具备CO浓度超标报警功能, 因此限制了临床对CO吸入疗效的评价, 另一方 面考虑到目前正在广泛使用的一氧化氮 (NO) 吸入仪**存在部 分患者反应不佳和产生毒性氮氧化合物的问题[12], 因此研制出控制**、调节灵活、安全性好的CO吸入装 置具有重要意义。
         
 图1 CO吸入装置原理框图 (粗实线表示气路, 虚线表示电路)
1 设计要求
根据用 户临床实验需求, 对于一 氧化碳吸入装置需首先设置其CO气体的浓度和流量, 并能将 呼吸机输入的空气和CO气体按 比例混合后输送到患者呼气端口, 同时对 混合后的气体进行实时监控, 当CO气体浓 度过高或者过低仪器能够进行声光报警, 为此研 制一氧化碳吸入装置, 且需达 到的主要技术指标如下。
(1) CO浓度在0~200 ppm范围内可调, 误差为应为读数值的±4%。
(2) CO显示分辨率:当一氧化碳浓度<100ppm时, 显示分辨率应为0.1 ppm;当一氧化碳浓度≥100 ppm时, 显示分辨率应为1 ppm。

图2 输送系统原理框图
(3) 一氧化 碳浓度监控和误差:一氧化 碳高浓度监控设定范围应为5~200 ppm, 当监测 值超过预设值时, 仪器会发出声光报警, 误差应为±1 ppm;CO低浓度 监控设定范围应为0~195 ppm, 当监测 值超过预设值时, 仪器会发出声光报警, 误差应为±1 ppm。
(4) CO吸入装 置的响应时间不应超过30s。
2 系统原理
所设计的CO吸入装 置主要由电磁阀、气体流量计、抽气泵、CO传感器 和主控电路等组成, 其结构如图1所示。
该吸入 装置主要由输送系统和监控系统组成[13]。输送系 统功能主要是保证CO标气持 续地与呼吸机供给的气体混合形成含有一定CO浓度的**气体, 供患者吸入。首先CO标气是以N2为底气的混合气体, 浓度根 据实验需求配置成1000 ppm的医用标准气体, 流量计 采用的是玻璃转子流量计, 仪器工作时, CO标气经减压阀减压后, 仪器控制电磁阀打开, 医护人 员根据患者所需的CO浓度调 节流量计将一氧化碳送至呼吸机吸气管道内后与呼吸机供气混合后成为**气体, 经“Y”形管由患者吸入**。监测系 统主要功能是对混合后的**气体进行检测, 该吸入 装置使用期间两位三通电磁阀也处于打开状态, 抽气泵 采样适量气体输送到CO传感器, 对**气体浓度进行监测, 若检测 的浓度大于所设置的*高浓度 或者浓度低于所设置的*低浓度时, 单片机 会驱动蜂鸣器进行报警, 直到医 护人员调节流量计到所设置的合理浓度, 报警才会消除。
3 结构设计
3.1 输送系统
输送系统主要由CO标气、电磁阀、转子流量计 (0~100 m L/min, 0~500 m L/min) 及呼吸机等构成, 其原理如图2所示。
在呼吸 机产生空氧混合气后, 吸入装 置打开进气电磁阀, CO标气经 转子流量计调节进入呼吸回路, 与空氧 混合气混合形成含有一定浓度CO的气体, 供患者吸入。在使用时, 应先设 置好呼吸机的各项**参数, 如吸呼比、呼吸频 率以及呼吸机的通气流量 (Fv) 等, 然后根 据患者病情或者临床实验需求确定**气体浓度 (CCO设) , 依据气体稀释公式 (1) 计算出转子流量计的供给流量 (FCO) , 然后调 节转子流量计到指定流量, 释放CO标气, 完成气体的混合。气体稀释公式如下:

式中:FV为呼吸机通气流量;FCO为转子流量计流量;CCO设为CO**浓度;CCO标为CO标气。
由公式 (1) 可知, 患者所需要的**浓度与CO标气浓度、转子流 量计调节的流量, 以及呼 吸机的通气量有关。这里CO标气浓度即医用CO钢瓶中的CO浓度, 患者所需要的**浓度在 临床实际中需由医护人员根据患者的病情决定, 呼吸机 的通气量由患者的年龄与身体状况决定。假设所需**浓度为20 ppm, 呼吸机的流量为5 L/min, 即潮气量为334m L, 呼吸频率设为15次/min, 由式 (1) 可得FCO约为100 m L/min, 即调节转子流量计为100 m L/min。

图3 硬件电路的原理框图
图2中的转 换电磁阀为二位三通的电磁阀, 由主控电路控制, 用来转 换监测的气体是**气体还是环境气体, 当环境气体中CO浓度过高时, 同样会驱动报警, 并表示 该装置可能发生泄漏。
3.2 监测系统
监测系 统主要通过对主控电路的设计来实现该吸入装置的实时显示浓度, 超标声光报警等功能。主控电路的设计以ATmega2560单片机为核心, 与电源电路、信号处理电路、声光报警电路、OLED显示电路、按键控制电路、电磁阀控制电路、负压吸 气泵电路等外围电路构成一套完整的系统, 其结构如图2所示。本文将 介绍其中几个重要模块。
3.2.1 信号采集电路
本设计选用的CO传感器是瑞士membrapor公司的CO/CF-200电化学 一氧化碳传感器。电化学 传感器因其灵敏度高, 体积小, 操作简单, 携带方 便而被广泛应用[14]。电化学 传感器利用被检测气体在其敏感电极进行氧化还原反应, 在工作 级输出与气体浓度成正比的电流, 通过对 电流的放大与转换, 从而达到实时测量CO浓度的目的, 本设计 采用的电化学传感器具体参数如表1所示。

 表1 CO传感器参数Table 1 Parameters of carbon monoxide sensor
电化学 传感器输出的电流信号十分微弱, 而且容 易受到外界环境因素的影响。所以要 经过放大电路将微弱的电流信号放大并转换到处理器工作电压范围之内, 具体的 信号采集电路如图3所示。
该图的电路主要包括CO/CF-200传感器, 恒电位电路和I/V变换电路。其中R22、R23、C22构成恒电位电路。Q4为保护电路, 保证感 测极和参考电极处于相同的电势从而防止传感元件上电冲击以及缩短启动时间。传感元 件的工作极经过电阻R30到运算 放大器的输入端将电流信号转换为电压信号。输入电 流与电压的关系由公式 (1) 可计算:

              

图4 信号采集电路
将参考电压VRR=1.3 V, 代入得V7=1.3+0.007n, 式中n代表CO气体的浓度, ppm。由式 (1) 可知, 当检测浓度n在0~200 ppm之间波动时, V7在1.3~2.7 V之间, 满足A/D转换电 路的正常工作范围。
3.2.2 吸气泵电路
负压吸 气泵通过在管道里产生一个负压将**气体或 者环境气体吸入至传感器进行检测。气泵的 选择需要考虑两个因素, 一是流量不能过大, 否则会影响**效果, 二是流量不能过小, 太小会 达不到传感器的检测范围 (该装置需求的流量为100 m L/min) 。本设计选用的是SP200EC-LC (德国, Schwarzer Przision) 型负压吸气泵, 其主要参数为:直流工作电压5 V, 当输出口的阻力为0时, 流量为680 m L/min, 满足实验装置的需求。负压吸 气泵的电路如图4所示。
4 仪器标定与检验
4.1 仪器标定
由于CO传感器 本身的线性度比较好, 因此仪 器的标定采用两点标定法。首先将 仪器置于纯净空气中, 待显示 数据稳定后将此点作为**点即零 点并调整仪器显示值为零;然后将浓度为27.8 ppm的标准CO气体通 入仪器并调整标准气瓶气体流速为200 m L/min, 保持气 流稳定流过传感器约1 min, 待显示器读数稳定后, 将此点 的浓度作为第二点并调节仪器显示值为27.8 ppm, 然后关闭气瓶, 由此完成仪器的标定。

图5 采样气泵控制电路
4.2 仪器检验
一氧化 碳吸入装置的标定之后, 还需对 仪器的精度误差、响应时间进行检验[15]。本次实 验使用是德尔格公司生产的Drager呼吸机, 与一氧 化碳吸入装置连接后实物图如图6所示。
4.2.1 一氧化 碳吸入装置的示值误差
首先将 呼吸机的潮气量设为334 m L, 呼吸频率设为15次/min, 使得呼 吸机的传送的流量为5L/min, 使用的标准CO气体浓度为1000 ppm, 然后调节CO吸入装置的流量计, 使其从50 m L/min开始以50 m L/min递增直到600 m L/min, 每次待 数据稳定后记下, 重复实验3次, 并根据 示值误差计算公式 (3) 计算。

图6 CO吸入装 置与呼吸机联用实物

                  
式中:Δe为示值误差;珔A为读数算术平均值;As为理论气体浓度值;R为量程 (200 ppm) 。
实际测得的CO浓度、平均值 以及示值误差如表2所示。

由表2可知当待测气体中CO浓度较大时, 示值误差较大, 误差出 现的原因可能是:手动调 控转子流量计时出现的误差, 转子流 量计调节精度较差以及气体浓度与采样电压之间并非完全的线形关系等。CO的示值误差平均为2.2%, *大示值误差为3.7%小于满量程的4%, 满足设计的要求。
4.2.2 CO浓度调 节响应时间测量
CO浓度的 调节主要是通过流量计向呼吸机内输入的CO流量来实现的, 当呼吸 机的流量不变时, 调节转 子流量计的流量越高, **气体中CO的浓度就会越高, 而且它 们的关系是线性的, 但CO的浓度 不是在极短时间内就能变化到理论值的, 定义响应时间T为从CO标气流量变化开始, 到仪器显示的CO浓度值 达到稳定所需要的时间, T是反应 仪器灵敏度的一个重要指标。同样将 呼吸机的潮气量设为334 m L, 呼吸频率为15次/min, 流量计的流量从50 m L开始以每次50 m L/min的流量递增直到600 m L, 重复实验3次, 记录数据如表3所示。

 表3 CO吸入装置的响应时间
响应时间T主要由 气体在管路中混合运输时间以及传感器的响应时间组成, 由表3可知响应时间平均为23.5 s小于30 s, 满足设计的要求。
5 小结
由于本 文设计的一氧化碳吸入装置采用了精度较好的转子流量计, 灵敏度 高的电化学传感器以及高性能低功耗的ATmega2560单片机, 通过与 呼吸机联用检测, 主要指标中响应时间、精度误差、报警设 置等也都满足预期的设计要求, 并且具 有实时显示浓度、超标声光报警, 改变监测模式等功能, 因此该 吸入装置可满足相关临床实验的应用需求。

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