1、 北京石油化工学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称： 呼吸信号检测方法的研究 题目类型： 测控系统设计类 学生姓名： 贾海玉 专 业： 机械电子工程 学 院： 机械工程系 年 级： 11 级 指导教师： 林顺英 2015 年 03 月 18 日呼吸信号检测的研究呼吸信号检测的研究0一选题背景、研究意义及文献综述1.选题背景随着社会进步和人民生活水平的不断提高，人们已经不再满足有病才看医生的被动模式，他们更希望能在疾病爆发之前就得到预警，或是在无法实现住院治疗的情况下了解自身的健康状况。这样，能够实现实时、动态、连续监护人体生理指标的便携式监护设备就成为未来家庭健康保健的首选，也是临床诊断和
2、治疗所必不可少的。现代监护技术要求连续监测各种生理参数，做到无创、准确、稳定，尽可能减少不适感，无过敏反映，这其中需要解决的问题颇多。呼吸监护同样面临这样的困难，它已经不仅仅局限于对呼吸频率、呼吸节律、动脉血气以及普通胸片等常规项目的检查，能确切反映患者通气 E 氧合状况并能指导机械通气治疗参数调节和临床用药的指标更加受到重视。但在现有的技术条件下，要实现用便携式呼吸监护设备实时动态连续监护这一系列的生理参数，是非常困难的。2.研究意义人体与外界环境进行气体交换的总过程，称为呼吸（respiration）。通过呼吸，人体不断地从外界环境摄取氧，以氧化体内营养物质，供应能量和维持体温；同时将氧化
3、过程中产生的 CO2排出体外，以免 CO 2过多扰乱人体机能，从而保证新陈代谢的正常进行 1。所以，呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分，在运动医学、军事医学以及医学科学研究中，呼吸检测都是一项重要的生理指标。但目前呼吸监护技术的发展滞后于心血管监护技术，临床医生重“心”轻“肺”的现象普遍存在。总之，呼吸能够反映人体的重要新陈代谢知识，而且呼吸所引起的变化我们是易于用传感器来检测的，所以，呼吸的测量既具有实用价值，又有重大的医学意义。3.文献综述3.1 呼吸信号简介呼吸(Res Piration，简称 RSP)是指人体与外界环境进行气体交换的总过
4、呼吸信号检测的研究1程。人的呼吸过程包括三个互相联系的环节：外呼吸，包括肺通气和肺换气；气体在血液中的运输;内呼吸，指组织细胞与血液间的气体交换。外呼吸的时候机体不断地从外界环境摄入氧气，进行新陈代谢，供应机体能量和维持身体温度；外呼吸同时会将产生的二氧化碳排出体外减少干扰。所以，人体的呼吸系统相当于一个能量供给来源以及体内空气净化器。正常成人每分钟呼吸 16-20次，即 34s 每次，每次吸入和呼出的气体量大约为 500 毫升，称为潮气量。当人用力吸气，一直到不能再吸的时候为止；然后再用力呼气，一直呼到不能再呼的时候为止，这时呼出的气体量称为肺活量。呼吸信号涉及的指标较多，主要包括呼吸频率、
5、呼吸幅度、动脉血气、潮气量、呼吸节律、月市活量以及普通胸片等。呼吸频率是呼吸作用一个关键的参数，其中蕴含着丰富的内在的生理信息，并且测量呼吸频率相对来说要简单些。呼吸作用存在个体差异性，不同的个体其，呼吸状况会有所不同，呼吸的速率、幅度分布范围和分布特点也会有点不同。不过并不是说所有的个体的呼吸作用都是不相同的，也有一些不同个体其呼吸作用大致相同的。它们之间的特征序列会存在相同的地方 2。呼吸作用除了受主观因素影响外，还要受客观因素影响，一般工作量越大，呼吸作用就会越快。此外，呼吸可以说明自主神经系统保持在警惕状态，这时候的情感反应是在大脑负荷的情况下进行的。呼吸系统的速度和深度会随着情绪的变
6、化而变化。图 1 呼吸信号呼吸信号的变化情感能够反应出情绪变化，对研究情感识别是非常有用的。深沉而缓慢的呼吸表明一种轻松的状态；深沉而快的呼吸表明是激动的状态；呼吸信号检测的研究2肤浅而慢的呼吸表明是平静或是消极的状态；肤浅而急促的呼吸表明紧张情绪。3.2 呼吸信号研究现状3.2.1 发展历程第 1 代源于 1920 世纪中叶,结构和功能均较简单，如铁肺、胸甲呼吸机和压差室呼吸机。第 2 代上世纪 60 年代后,电子技术开始渗入呼吸机，使其有了较好的同步功能、通气方式及报警功能，如纽邦 E-100 型呼吸机等。第 3 代上世纪 80 年代后,尤其是进入 90 年代以来，计算机技术的应用使呼吸机
7、的性能得到进一步的完善，使之具备了全面的报警功能及各种监测和显示系统，如 SIEMENS300、Bird8400 、Bear1000 、 DragerEvita2 等呼吸机 3。3.2.2 国内研究现状我国呼吸机的研制起步较晚，1958 年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1971 年制成电动时间切换定容呼吸机。直到 20 世纪 90 年代中末期开始，国产呼吸机的开发力度才有所加大，质量得到了普遍提高。目前，国产呼吸机在技术上大多数还处于借鉴和模仿国外产品技术，在功能质量方面，尤其是在可靠性上落后于国外发达国家。目前大部分关键元部件还是以“拿来主义”的方式为主。通气模式为常用的基本通气模式，基本上
8、能够满足临床使用要求。国内的呼吸机主要有北京航天长峰股份有限公司的 ACM803 呼吸机、浙江绍兴三五仪表厂的 KTH 型系列呼吸机、扬州市宁泰医疗设备厂的 HVJ 型系列呼吸机、江苏凯泰医疗设备有限公司的 HVJ-880C 呼吸机、由南昌飞机制造公司飞机设计研究所研制的 XHC-IA 型程控双向喷射呼吸机和 XHY-IA 型仙鹤牌应急喷射呼吸机、江西特力麻醉呼吸设备有限公司的 TPR-4000 电脑多功能呼吸机、上海医疗器械厂的 SC 型系列呼吸机，以及山东淄博科创电子有限公司的 KCH606 型系列呼吸机 4。1、国内的呼吸检测仪器（1）江西特力麻醉呼吸设备有限公司 TPR-4000 电脑
9、多功能呼吸机呼吸信号检测的研究3图 2 TPR-4000 电脑多功能呼吸机它采用了国外先进呼吸设备的伺服呼气阀的技术，使呼气切换灵敏，阻力甚小，减少了呼吸气过程中机械死腔。技术参数：间歇正压通气频率：660 次/分呼吸比值：1:11:3潮气量：1001500ml/次输出气体氧浓度：40%76%可调吸气时间显示：0.82sIPPV 吸气流量：0.11.5L/S（3）深圳迈瑞公司 SynoVent E3 呼吸机 SynoVent E5 呼吸机图 3 SynoVent E3 呼吸机 图 4 SynoVent E5 呼吸机气道阻力、顺应性及呼吸功等参数的测定，充分监测病人呼吸力学的变化，为治疗方案的制
10、定、治疗效果的评定提供了更完善的依据。实时描记各种呼吸曲线、呼吸环，且每个呼吸环可存储、对比，帮助医生判断病情发展的治疗效呼吸信号检测的研究4果。可配备呼气末 CO2 模块，连续、动态地显示 EtCO2 的数值及波形，实时观察患者呼吸功能状况和动态变化。技术参数：潮气量25-2500ml 峰流速3-150L/min(1BW24kg) 、3-60L/min(1BW24kg) 吸气压力5-90cmH 2O 吸气时间0.2-8.0 秒 吸呼比149:1-1:249 （4）奥利科公司 PF-300 型呼吸机质量检测仪功能:PF-300 集成最精确的传感器技术，采用人性化的界面设计，提供全功能的图形化分
11、析功能，旨在为呼吸机、麻醉机、流量表、压力表类设备提供可靠和精确的测量，从而有效规避风险的发生。PF-300 具备双向流量、压力、温度、湿度和氧气浓度测量能力。图 5 PF-300 型呼吸机质量检测仪测试软件 FlowLab 提供全参数数值监测、图表式精细化分析以及趋势记录功能。主机内置温度传感器、湿度传感器，自动测量气体温度、湿度，并实现温度、湿度的自动补偿，确保证流量测量的高精度，尤其是小流量、小压力的稳定测量，是 PF-300 的突出优势。8 种气体类型支持：Air， Air/O2， N2O/O2， Heliox (21% O2)，He/O2，N 2,CO2,自定义气体类型。13 种气体
12、标准支持：ATP， ATPD，ATPS，AP21 ，STP，STPH , BTPS，BTPD ，0/1013，20/981 ，15/1013，25/991 ，20/1013呼吸信号检测的研究5触发模式：支持成人、小儿、高频触发模式，可选压力和流量两种触发信号，且触发阈值可调。 （3）CITREX H4 呼吸机/麻醉呼吸机质量检测仪功能：图 6 CITREX H4 呼吸机小巧、便携、触摸式彩屏设计，智能化操作。快速预热设计，准确完成呼吸机/麻醉呼吸机双向压力、流量、容积、呼吸频率、湿度、温度、氧浓度等参数的测量。主机内置温度传感器，自动测量气体温度，实现温度自动补偿，保证流量测量精度。8 种气体
13、类型支持：Air， Air/O2， N2O/O2， Heliox (21% O2)，He/O2，N 2,CO2,自定义气体类型。13 种气体标准支持：ATP， ATPD，ATPS，AP21 ，STP，STPH , BTPS，BTPD ，0/1013，20/981 ，15/1013，25/991 ，20/1013测试软件 Webserver 提供全参数数值监测、图表式精细化分析以及趋势记录功能。目前国内监护仪呼吸参数监测多采用阻抗法，只能测量呼吸频率，不能反映呼吸通道的流量、压力和病人呼吸的气体容积等生理参数，对于在机械辅助通气过程中可能给病人造成气压伤、容积伤和肺膨胀不全等不良作用的气道状态不
14、能进行有效的实时监测 5。 3.2.3 国外研究现状国外呼吸机专业厂商主要有美国 Puritan Bennett 公司、Bear Medical systems 公司、3M Bird 公司、Respironics 公司和 Newport 公司、西德 Siemens公司、法国 Taema 公司、德国的 Drager 公司等。1、国外的呼吸检测仪器（1）美国泰科公司研制的 PB760 呼吸机呼吸信号检测的研究6图 7 Puritan Bennett 760 呼吸机其具有标准化的流量触发及精确的气体传输，采用先进的无摩擦伺服阀作为气体输送系统，使呼吸机系统响应速度快，并且操作界面直观方便。所以，从研
15、发至今 10 多年仍在国内大、中型医院中被广泛应用。组成及结构原理:PB760 呼吸机主要由气路系统和电路系统 2 部分组成。进气子系统、活塞/汽缸子系统、吸气管路子系统和患者管路子系统的作用是为患者提供空气和氧气的吸入和呼出通道，提供压力过高气体排放通道，对吸入通道和呼出通道进行切换，并且对患者吸氧浓度及潮气量进行控制和检测；PEEP 子系统主要由储气箱和 PEEP 泵构成，主要作用是产生用户设定的PEEP；呼气子系统包括呼气单向阀组件、呼气加热器组件、呼气温度传感器组件、呼气阀组件、呼气流量传感器组件等，其作用是提供呼出通道，并且监测呼出潮气量和呼出气体温度 6。电路系统的作用是接受用户对
16、呼吸参数的输入，控制气路系统的工作和监测患者的呼吸参数。缺点：氧浓度监测不准确。当氧浓度设置为 21%时，监测显示为 18%；当氧浓度设置为 50%时，监测显示为 42%。氧浓度越往上调，偏差越大。（2）德国西门子公司研制的 900C 呼吸机呼吸信号检测的研究7图 8 900C 呼吸机900C 呼吸机以控制精确度高、性能稳定、故障率低而闻名,因而在各大医院应用也较为广泛。主要由气动单元、电子单元两大部分组成。气动单元由压力传感器、流量传感器、空气混合器等精密的元器件组成。主要元件的工作原理：流量传感器上有两通道,大的通道为主通道,小的通道为测量孔。在主通道上加有金属网,这样当有气体流过时,就会产生一定的阻力迫使部分气体通过测量孔,产生一定的压力,从而使晶体倾斜,引起晶体两端电阻偏移。根据晶体两端的电阻变化,可得到相应的压力信号,由压力信号再换算成流量信号。900C 呼吸机内有呼气流量传感器及吸气流量传感器。这是为了防止病人呼出气体中的水汽在呼气流量传感器上凝结,影响测量的准确度,因而呼出流量传感器在使用过程中,加热电阻被通电加热。而通过吸气流量传感器的空氧混合气体,是干燥气体,其加热电阻没被通电,所以就不会有热的感觉 7。（3）美国纽邦 150 型呼吸机图 9 150 型呼吸机
