CPAP呼吸机压力发生器及其控制器的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 14 4 2.94MB 57 页 15积分

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...............................................................................................................1
§1.1 引言..................................................................................................................1
§1.2 呼吸机发展简史..............................................................................................2
§1.3 呼吸机的技术发展现状及发展趋势..............................................................3
§1.3.1 国内外呼吸机技术现状对比................................................................3
§1.3.2 国外呼吸机技术优势............................................................................4
§1.3.3 技术发展趋势........................................................................................5
§1.4 研究的意义......................................................................................................5
§1.5 论文的主要工作..............................................................................................6
第二章 CPAP 呼吸机工作原理.................................................................................7
§2.1 CPAP 呼吸机工作流程....................................................................................7
§2.2 压力发生器的概述..........................................................................................8
§2.2.1 压力发生器的主要部件........................................................................8
§2.2.2 压力发生器的工作原理........................................................................9
§2.3 无刷直流电机的概述....................................................................................10
§2.3.1 无刷直流电机的构造和工作原理......................................................11
§2.3.2 无刷直流电机的换向顺序..................................................................11
§2.3.3 无刷直流电机与其他类型的电机比较..............................................13
§2.4 小结................................................................................................................14
第三章 压力发生器的理论设计...............................................................................17
§3.1 叶轮理论设计计算步骤................................................................................17
§3.1.1 确定压力发生器的类型和叶片型式..................................................18
§3.1.2 初步选取叶片出口安装角和计算叶轮外径......................................18
§3.1.3 确定叶片进口直径..............................................................................19
§3.1.4 确定叶轮进口直径的尺寸..................................................................19
§3.1.5 确定叶轮叶片数..................................................................................20
§3.1.6 确定叶片进出口宽度..........................................................................20
§3.1.7 确定叶片进口安装角..........................................................................21
§3.2 叶片型线绘制................................................................................................22
§3.3 压力发生器的三维模型................................................................................25
§3.4 小结................................................................................................................26
第四章 压力发生器的流场分析...............................................................................27
§4.1 分析过程........................................................................................................27
§4.2 边界条件及分析设置....................................................................................30
I

§4.3 建立目标........................................................................................................30
§4.4 设置的调整及运行........................................................................................31
§4.5 结果分析........................................................................................................32
§4.6 小结................................................................................................................36
第五章 迷宫式进气道分析......................................................................................37
§5.1 数学模型........................................................................................................37
§5.1.1 气流运动的控制方程..........................................................................37
§5.1.2 边界条件..............................................................................................38
§5.2 迷宫式进气道的建模....................................................................................38
§5.3 迷宫式进气道分析........................................................................................39
§5.4 小结................................................................................................................42
第六章 无刷直流电机模糊控制系统研究................................................................43
§6.1 无刷直流电机的控制....................................................................................44
§6.1.1 无刷直流电机的控制结构..................................................................44
§6.1.2 无刷直流电机的控制原理..................................................................45
§6.1.3 无刷直流电机的控制方案..................................................................46
§6.2 模糊控制........................................................................................................47
§6.2.1 模糊控制的基本原理..........................................................................47
§6.2.2 模糊控制系统的组成..........................................................................48
§6.3 小结................................................................................................................53
第七章 结束语.........................................................................................................55
§7.1 总结与结论....................................................................................................55
§7.2 讨论................................................................................................................56
参考文献.................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..........................................59
一、论文..................................................................................................................59
二、科研项目..........................................................................................................59
II

第一章绪论

人的一生大约有三分之一的时间在睡眠中度过，像进食、饮水一样，睡眠也是

人类不可或缺的基本生命活动之一。睡眠好是健康的标志之一，而睡眠障碍则严

重影响人们的生活质量、降低工作效率。随着现代生活节奏的加快及生活方式的改

变，各种睡眠障碍性疾患日益成为一个突出的医疗及公共卫生问题而得到人们的

关注。根据 2005 年出版的国际睡眠疾病分类，外在或内在因素导致的睡眠疾病达

90 余种，其中最常见的如失眠、睡眠呼吸暂停低通气综合症在国人中的患病率均

很高[1]。目前国内尚无准确的流行病学调查报告，但据有关专家估计，我国患有睡

眠呼吸障碍疾病的病人高达4800 万[2]，全球每天约有 3000 人死于与该疾患有关

的疾病[3]。

§1.1 引言

呼吸暂停（Apnea）是指人体夜间睡眠时，呼吸停止持续的时间超过10 秒，

此时血液中的氧气减少，机体处于缺氧状态。如果呼吸虽然没有完全停止，但呼

吸气流下降50％以上持续时间超过10 秒，伴有4％的血氧下降或一次微觉醒，就

称为低通气（Hypopnea）。正常人在睡眠中偶尔也会发生呼吸暂停和低通气，但

一般不会对人造成严重危害，因而无临床意义。如果呼吸暂停和低通气频繁发生

每小时出现 5次以上或7小时的睡眠过程中超过30 次，就诊断为睡眠呼吸暂停低

通气综合症（Sleep Apnea-Hyponea Syndrome, SAHS）[4]，也就是民间俗称“打鼾、

憋气”，这是睡眠呼吸障碍中最常见的一种疾病[5]。这种情况如果积年累月，不进

行有效的治疗，就会造成严重后果，出现一系列病理生理改变，主要表现为睡眠

打鼾、憋气、晨起头痛头晕、日间嗜睡乏力，与高血压、冠心病、脑卒中等心脑血管

疾病密切相关[6]。

根据呼吸暂停事件发生时，胸腹呼吸运动的有无，将SAHS 分为阻塞型

（OSAHS）、中枢型（CSAHS）和混合型（MSAHS）三种，其中 70％以上的

SAS 患者为阻塞型睡眠呼吸暂停。大量调查发现，人群中约有 1%~4%的人患有该

病，以美国为例，估计2000 万人有睡眠呼吸暂停，30~60 岁的成年人中 1/4 的男

性以及1/10 的女性有该病的临床表现。据估计，全球每天大约有 3000 人死于该病

几乎所有的患者都有睡眠时打鼾的历史，大约 5个打鼾的人中患有该病[1]。对

OSAHS 的治疗可以采用行为治疗、持续气道正压、手术治疗和药物治疗等方法，

其中持续气道正压（Continuous Positive Airway Pressure, CPAP）治疗已经成为公

认的OSAHS 治疗最为有效和安全的方法[7]。

CPAP 呼吸机治疗OSAHS 的原理[4]如图1.1 所示：持续正压呼吸机是由控制器

控制的小型压力发生器，它产生足够流量的气流通过系统内的增压系统形成正压

经过湿化器及软管与鼻面罩相接。当患者入睡时，将鼻面罩戴好并将机器打开，

CPAP 呼吸机压力发生器及其控制器的研究

后者送出设定好的正压气流，通过鼻腔或口腔进入咽部，气流的压力强制性地保

持咽喉部的气道通畅，以防止气道狭窄或塌陷达到消除呼吸事件的目的。

图1.1 CPAP 呼吸机治疗OSAHS 的原理

§1.2 呼吸机发展简史

现代呼吸机的发展，最早始于 1915 年哥本哈根的 Mol-gaard 和Lund，以及

1916 年，斯德哥尔摩的外科医师Giertz。可惜他们的成就缺乏资料记载，仅见于

科学通讯报道。

1934 年Frenkner 研制出第一台气动限压呼吸机——“Spiropulsator”，它的气

源来自钢筒，气体经两只减压阀，产生50cmH2O的压力。呼气时通过平衡器取得

足够的气流，吸气时间由开关来控制，气流经呼吸气管进入肺部，当肺内压力升

至预设要求时，阀门关闭，呼吸停止。1940 年，Frenkner 和Crafoord 合作，在

“Spiropulsator”的基础上进行改进，增加了气动、压力功能，并使之能与环丙烷

同时使用，成为第一台麻醉呼吸机[8]。

随着第二次世界大战的爆发，由于潜水艇人员、飞行员、战地伤员等需要辅助

呼吸设备，因而极大地促进了呼吸机的发展。1942 年美国工程师Bennett 发明一种

采用按需阀的供氧装置，供高空飞行使用。之后加以改进，于1948 年研制成功间

歇正压呼吸机 TV-2P，以治疗急、慢性呼吸衰竭。1951 年瑞典的Engstrom Medical

公司生产出第一台定容呼吸机 Engstrom100 取代了当时的“铁肺”，救治了大量

的由流行性小儿麻痹引起的呼吸衰竭病人。许多工程师、医师等投入呼吸机的研究

欧洲各国纷纷生产出具有代表性的呼吸机达到 10 种类型。

50 年代开始，由于心脏外科的发展，越来越多的医师认识到机械呼吸的优点。

1955 年Jefferson 呼吸机是美国市场上使用最广的呼吸机之一。此外，还有

Morch、Stephenson 、Bennett 和鸟牌呼吸机等四种类型。

进入60 年代，呼吸机的应用更为广泛，1964 年Emerson 的术后呼吸机，是一

台电动控制呼吸机，呼吸时间能随意调节。该设备是一台电子线路控制的呼吸机

第一章绪论

配备压缩空气泵，各种功能均由电子调节，根本改变过去呼吸机纯属简单的机械

运动时代，而跨入精密的电子时代。

1970 年利用射流原理的射流控制的气动呼吸机研制成功。该呼吸机全部传感

器、逻辑元件、放大器和调节功能都是采用射流原理，而无任何活动的部件，但具

有与电路相同的效应。

80 年代以来计算机技术的迅猛发展，使新一代多功能电脑型呼吸机具备了以

往不可能实现的功能，如监测、报警、记录等。1981 年，澳大利亚沙利文

（Sullivan）教授首次用 CPAP 方法治疗OSAHS，取得了良好效果[9]。

进入90 年代，呼吸机不断向智能化发展，计算机技术的应用使呼吸机的性能

更臻完善。其发展趋向于其功能的细化和通气模式的发展。

§1.3 呼吸机的技术发展现状及发展趋势

§1.3.1 国内外呼吸机技术现状对比

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。目前大部分关键性元部件还是以“拿来主义”的OEM 方式为主。国

内生产的呼吸机型大多是中低档的呼吸机，多为电动电控型呼吸机，通过电子控

制和微泵/折囊/活塞式气动结构将单一或混合气体吸进腔内再推入患者肺内，一

般只接氧气源，不需或也可接入压缩空气。通气模式为常用的基本通气模式，基

本上能够满足临床使用要求[8]。

国外呼吸机起步早，技术相对比较先进，我国进口的呼吸机大多为高档机型

主要为气动电控型呼吸机，可用于新生儿、儿童、成人。这种类型的呼吸机气路结

构较简单，易于拆卸、清洗消毒，采用电子/微电脑控制，高精准流量、压力传感

器，比例阀/电磁阀、主动呼气阀技术；通常有呼吸力学监护和氧浓度、气源压力

监测功能；并且配有彩色屏幕、视窗式操作[10]。

§1.3.2 国外呼吸机技术优势

国外呼吸机产品由于其发展较早，已经形成了一套成熟的呼吸机研究模式及

相关的知识产权。其产品各有特色，就性能价格比和可靠性而言都不相上下。组成

呼吸机的核心技术有[8]：通气模式，控制技术，测量技术，人机工程和显示技术，

产品整体配套技术等，欧美厂家在这些核心技术上有着很深的积累，在产品技术

深度和研究方式上领导了全球的先进开发方式。

通气技术作为呼吸机上人机交互最为复杂的技术，涉及到人的呼吸生理、舒适

度、通气质量、治疗效果等等，国外生产厂家多有自己的医学院、临床实验室和工

程中心，大量的先进通气模式和临床需求都是从临床实验室得到的最初模型，然

CPAP 呼吸机压力发生器及其控制器的研究

后通过工程技术人员进行技术实现，最后还要回到实验室进行测试和验证，整个

过程要经历相当长的时间，为了验证一个新功能的临床试用功效，有的需时要达

8年之久。

测量与控制技术的精准主要得益于他们雄厚的基础工业。阀门控制技术和传感

器技术，是呼吸机实现控制的基础，这方面的技术直接影响到呼吸机的应用范围

在西方，工业分工非常细，有着广泛的第三厂家从事这方面的研究，给欧美呼吸

机厂家提供非常好的硬件基础。

基础加工业、模具业和软件电子业的发展为人机工程和显示技术提供了强有力

的支持和技术条件，西方国家雄厚的基础技术大大缩短了其产品开发的周期；在

国内，有时为了满足一个加工工艺，需要反复的修改和验证，而在西方国家，这

些是很容易达到的，所以开发效率比欧美发达国家要低一些，现在国内要做一个

从新生儿到成人的全范围覆盖的呼吸机，显得非常困难，而在国外的产品中，确

实非常常见。

在呼吸机的开发模式上，由于欧美厂家大都有自己的临床中心，医工结合非

常紧密，从呼吸机的系统构架和产品定义开始就有临床专家的参与，而且很多功

能都是在临床环境下经过研究和验证后移植到呼吸机上的，这样开发出来的自然

就是符合临床需要的产品。

§1.3.3 技术发展趋势

目前，世界上呼吸机的前沿技术和发展趋势主要体现在以下几个方面：

1. 通气模式和功能的发展；

2. 网络化和信息化的发展；

3. 先进传感器的研制和采用；

4. 在便携化的同时增强呼吸机的呼吸功能；

5. 引入智能控制。

§1.4 研究的意义

临床和基础研究证实 OSAHS 使心血管疾病的危险性增加。治疗OSAHS 可有

效控制高血压和心力衰竭等心血管疾病[11~13]，长期的 CPAP 治疗对 OSAHS 患者因

心血管疾病致死有保护作用[14]。20 年来，CPAP 已成为治疗OSAHS 首选方法，但

我国目前CPAP 依从性不高。一是由于该治疗是一个长期的过程，部分患者甚至必

须终生坚持；二是我国各地区发展不平衡，经济状况也成为一种制约因素[15]。因

此本论文以实现研制低成本、可靠性好的新型CPAP 呼吸机为目标，满足更广大患

者的需求。

目前国内市场上的中高档呼吸机均为国外品牌，且价格昂贵。由于睡眠呼吸暂

停低通气综合症发病率高（每 4个鼾症患者中即有1名），危害大，据有关专家

估计，国内有 4800 万以上患有此病，因此该产品有较好的市场前景。随着我国医

疗产业结构的不断调整，睡眠医疗服务已业渐渐呈现出其良好的发展前景，尽管

睡眠医疗只是整个产业的一小部分，但随着整体睡眠消费需求的膨胀，它的前景

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目录摘要ABSTRACT第一章绪论...............................................................................................................1§1.1引言..................................................................................................................1§1.2呼吸机发展简史..........................................

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