所有的組織都通過(guò)血管來(lái)供氧，以幫助組織生長(zhǎng)和修補(bǔ)組織損傷,。通常身體依靠紅細(xì)胞中血紅蛋白的化學(xué)特性,，通過(guò)自身調(diào)節(jié)在細(xì)胞外液體中保持一定的氧氣濃度。
然而,，對(duì)多數(shù)外科手術(shù)而言,，醫(yī)生們必須使用一定量的麻醉劑，這會(huì)抑制肌力,，使病人呼吸減弱,。當(dāng)手術(shù)過(guò)程中血液流失時(shí)，會(huì)使病人供氧不足,，從而導(dǎo)致體內(nèi)缺乏足夠的氧氣。這時(shí)就必須使用麻醉呼吸機(jī)和測(cè)量血液中氧氣飽和度的儀器（脈動(dòng)血氧定量計(jì)）來(lái)調(diào)節(jié)麻醉劑和氧氣的混合比例,。
傳統(tǒng)的機(jī)械式呼吸設(shè)備將一個(gè)外部設(shè)備直接連接到病人,，通過(guò)人工方式進(jìn)呼吸氣體的交換。機(jī)械呼吸設(shè)備被用來(lái)維持足夠的氣體交換,，尤其是在呼吸頻率減小并且心肌能力減弱的時(shí)候,，它可被用來(lái)在呼吸機(jī)能減弱的時(shí)候獲得足夠的肺擴(kuò)張，同時(shí)使麻醉鎮(zhèn)靜劑和肌肉放松類藥物正確結(jié)合,，以穩(wěn)定胸壁,。
呼吸機(jī)可以分為五類,，這取決于吸入氣體的過(guò)程是如何被終止的。壓力周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的壓力達(dá)到時(shí),，中止吸入氣體,；體積周期呼吸設(shè)備：當(dāng)設(shè)定的體積達(dá)到時(shí)，中止吸入氣體,；時(shí)間周期呼吸設(shè)備：吸氣和呼氣被程序化,，類似于氣焊助焊劑的工作方式；溢流周期呼吸設(shè)備：當(dāng)吸入的溢流低于一個(gè)預(yù)定水平時(shí),，中止吸入氣體,；混合呼吸設(shè)備：結(jié)合了其它設(shè)備的特性，被最廣泛使用,。
內(nèi)科醫(yī)生能夠設(shè)置血氧容量的限制,，當(dāng)血氧飽和度過(guò)低時(shí)，呼吸設(shè)備可以從手動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到自動(dòng)模式,，幫助病人獲得足夠的血氧飽和度,。當(dāng)血氧達(dá)到正常水平時(shí)，系統(tǒng)就退出自動(dòng)模式,。
如何為兒科病人選擇合適的呼吸設(shè)備
新生兒具有較高的新陳代謝水平,，這使氧氣消耗增加（5-8ml/kg）。體重少于1600 克,、懷孕周期小于37 周的早產(chǎn)兒患有視網(wǎng)膜發(fā)育不全的風(fēng)險(xiǎn)很高,，這是由高壓氧氣傳送導(dǎo)致的氧氣中毒和肺部發(fā)育不良所引起的。自動(dòng)呼吸系統(tǒng)在這些病例中起著至關(guān)重要的作用,，它保證了新生兒不會(huì)接收100%氧氣濃度的空氣,。
在新生兒中，壓力限制的持續(xù)溢流設(shè)備和時(shí)間周期呼吸設(shè)備使充分的自主呼吸不受任何限制,。在學(xué)齡兒童和年齡大于12歲的兒童中,，脈搏-溢流呼吸設(shè)備被用來(lái)控制體積和壓力。新一代的體積呼吸設(shè)備使溢流體積達(dá)到20ml,，結(jié)合傳感器的作用,，呼吸設(shè)備能夠周期性地工作。醫(yī)生可在2~3千克的嬰兒中使用這一設(shè)備,。
電路
電路是機(jī)械呼吸設(shè)備和病人之間的接口,。它有三種類型：新生兒型（11mm直徑），兒童型（15 mm直徑）和成人型（22 mm直徑）,。一些電路配備可以伺服控制溫度濕度的電熱絲,，雖然比較昂貴，但可使兒科病人獲得更舒適的濕度和溫度,。這些設(shè)備輕便,、靈活,，具有安全連接的吸收阻抗和最小的溢流阻抗，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為15–22mm,。
系統(tǒng)如何工作
自動(dòng)呼吸系統(tǒng)根據(jù)血氧水平反饋來(lái)為嬰兒提供安全可控的呼吸設(shè)備,。主要性能包括：
接收和處理血氧計(jì)發(fā)出的動(dòng)脈血氧飽和度數(shù)據(jù)的能力；
便攜性,，可用于偏遠(yuǎn)地區(qū),；
在血氧計(jì)和MCU之間通過(guò)串型接口（SCI）通訊的能力；
能根據(jù)設(shè)置的呼吸頻率和壓力的參數(shù)提供精確設(shè)備控制的步進(jìn)電機(jī),。
通過(guò)MCU可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化呼吸控制系統(tǒng),，重要的數(shù)據(jù)可以被處理并貯存，以確保特定身高和體重病人的合適的呼吸量,。程序只需改變患者的參數(shù),，而無(wú)需更改系統(tǒng)其他方面的參數(shù)。圖1說(shuō)明了自動(dòng)呼吸控制的實(shí)現(xiàn),。
圖1 自動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)示意圖
選擇合適的MCU
有很多MCU可以滿足這個(gè)系統(tǒng)的要求,。飛思卡爾的 S08QG4" title="MC9S08QG4">MC9S08QG4 （S08QG）設(shè)備既可以滿足系統(tǒng)所需的特性，同時(shí)在價(jià)格上也有優(yōu)勢(shì),。MC9S08QG4特性見(jiàn)圖2,。該處理器將飛思卡爾S08核的優(yōu)勢(shì)延伸到了低引腳數(shù)、小封裝的領(lǐng)域,。S08QG設(shè)備是低功耗產(chǎn)品,，可以在低至1.8 V 的供電電壓時(shí)對(duì)片上閃存進(jìn)行擦寫(xiě)操作，它具有所有S08 MCU 的標(biāo)準(zhǔn)特性,，包括等待模式和多種停止模式,，以及模擬外設(shè)能力、串行通訊能力,、片上溫度傳感器和較多的內(nèi)存選項(xiàng),。
圖2 MC9S08QG8/4特性
系統(tǒng)的功能描述
脈搏測(cè)氧法是一種非介入技術(shù)，它使用光波來(lái)測(cè)量病人血液中氧氣的飽和度,。這一過(guò)程采用了一種叫做脈搏血氧定量計(jì)的設(shè)備,，這是一種可攜帶的、低成本的設(shè)備,，它包括一個(gè)Spo2傳感器和可通訊DB-9接頭,。在Spo2 Y 型傳感器一端有兩個(gè)發(fā)光二極管（LED），在另一端有一個(gè)光探測(cè)器,。這個(gè)傳感器通常被連接在指尖,，這樣光就能完全穿過(guò)組織到達(dá)光探測(cè)計(jì),。
從LED發(fā)出的光線有兩種波長(zhǎng)傳播：660nm （紅光）和 915nm（紅外光）,，它們分別對(duì)應(yīng)氧血紅蛋白和總血紅蛋白,。探測(cè)計(jì)捕捉到從LED發(fā)出的光，脈搏血氧定量計(jì)處理紅光和紅外光之間吸收率的差異,。測(cè)量?jī)x內(nèi)的MCU能測(cè)出動(dòng)脈脈搏讀數(shù)并計(jì)算出氧氣飽和度,。
從脈搏血氧計(jì)讀出的Spo2值能通過(guò)連接到S08QG的串行接口（SCI）被傳遞到自動(dòng)呼吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議,，它由一種商業(yè)化血氧計(jì)的規(guī)格所定義,。從脈搏血氧計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)SCI接口被連續(xù)傳送到呼吸系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)由S08QG處理,，根據(jù)處理的結(jié)果通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制氧氣呼吸設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn),。
針對(duì)不同種類步進(jìn)電機(jī)的控制軟件是基于不同頻率或壓力流來(lái)進(jìn)行控制的：
不同頻率從時(shí)間脈沖中獲得信息來(lái)控制希望的步數(shù)；
壓力流控制意味著電機(jī)能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)步,，具有大力矩的運(yùn)轉(zhuǎn)步（雙步）,，改變方向和不改變位置的運(yùn)轉(zhuǎn)步（抑制步）。
圖3展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,，通過(guò)S08QG來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制,。
圖3 通過(guò)S08QG實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制
步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特性是最大電流損耗為20mA。電機(jī)提供的力矩并不大,，最大靜態(tài)力矩是4mNm,，最大動(dòng)態(tài)力矩是1.3 mNm。但是它的力量足夠運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)量器,。S08QG MCU的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到25mA,， 所以很適合這種應(yīng)用。電機(jī)被直接連接到MCU的端口A 或端口B,，基于先前的條件,，只需要很小的外接電路（見(jiàn)圖1）。系統(tǒng)需要VCC,，GND和電機(jī)控制信號(hào),，不需要附加外部的電子元件。
氧氣呼吸設(shè)備有三個(gè)簡(jiǎn)單的控制手柄,，他們控制吸入的氣流和每分鐘的呼吸次數(shù),。一個(gè)手柄根據(jù)病人的身材和體重控制適當(dāng)?shù)暮粑诙€(gè)手柄控制每分鐘所需要的呼吸次數(shù),，第三個(gè)手柄控制氧氣流的壓力,。在這個(gè)特殊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，第二和第三個(gè)手柄是由步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制的,。
軟件程序根據(jù)由脈搏血氧計(jì)通過(guò)SCI接口傳來(lái)的氧氣飽和度計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng),。氧氣飽和度數(shù)字為醫(yī)生提供了必要的信息來(lái)進(jìn)行一系列比較，從而得出安全的范圍,，如表1所述,。頻率規(guī)定了每秒鐘的電機(jī)步數(shù),，這決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)有多快。電機(jī)的物理限制決定了它們的運(yùn)行頻率,。一些電機(jī)因?yàn)閼?yīng)用于特殊用途,，在 10Hz 到 500Hz 之間運(yùn)行，而另外一些能夠在千赫茲的范圍內(nèi)運(yùn)行,。對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)而言,，最大頻率是 100Hz，但為了在手術(shù)中更容易被醫(yī)生使用,，它被設(shè)定為 50Hz,。
表1 氧氣飽和度安全范圍
結(jié)論
自動(dòng)化呼吸控制系統(tǒng)是一個(gè)低成本的對(duì)人工呼吸控制的可選方案，它以最小的人為干預(yù)為嬰兒和手術(shù)中的其他病人提供了可靠的呼吸機(jī)制,。這個(gè)概念很簡(jiǎn)單：脈搏血氧計(jì)依靠SCI串行接口提供氧氣飽和度數(shù)據(jù),，系統(tǒng)完成其余的所有工作。它使醫(yī)生能集中精力于病人的護(hù)理上,，可被用于通用外科手術(shù),、兒科和新生兒護(hù)理，甚至獸醫(yī)門(mén)診,。
