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據也不能持續(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用。當前，PETCO2監(jiān)護相關設備主要都由國外的廠家生產，國內僅有少數廠商推出帶有呼末CO2監(jiān)測功能的監(jiān)護儀。由于國外人力成本及相關技術成本比較高，相應的設備成本也居高不下，導致相關設備及模塊只有在一些大醫(yī)院或者僅僅在ICU或手術室等特定的小范圍內使用，遠遠沒有國外那么普及。結果是利用監(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使用受限，在臨床上國內還并沒有將該項檢測內容當做常規(guī)監(jiān)測內容，還不像心電、血氧、無創(chuàng)血壓等參數那樣被廣泛應用。因此，為了普及呼氣末二氧化碳監(jiān)測技術，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，造福廣大國內患者。
　　方法:本文在大量的文獻調研和前人研究的基礎上探討了一套測量精度高、輕巧便攜的可以用于院前轉運及無創(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(NDIR，Non-DispersiveInfrared)，基于朗伯比爾定律的原理設計，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)單光源雙光路的設計，該設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換成電信號，進行前置放大預處理，A/D轉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，根據波形特征來計算病人的呼吸率。
　　內容:本文主要研究工作包括以下幾個方面:
　?、?系統(tǒng)硬件設計與實現(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據，設

6、計搭建SD存儲接口電路，進行SD卡存儲模塊設計;挑選恰當的液晶屏進行顯示模塊的搭建從而對檢測結果進行顯示輸出，并利用蜂鳴器實現(xiàn)超限報警;設計搭建電源管理電路。
　?、?系統(tǒng)軟件算法設計。編寫適當程序實現(xiàn)呼氣末二氧化碳傳感器檢測信號采樣，并設計相應程序對數據進行處理;基于閾值判斷同時與校準結果相結合，采用自適應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據，進行呼氣末二氧化碳數據的特征提取，獲得呼氣末二氧化碳的數值;準

7、確采樣處理二氧化碳波形數據，對波形進行檢測預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計;實現(xiàn)SD卡的存儲功能。
　　③.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)的響應時間，并與現(xiàn)有機型進行了對照和比較。
　　結果:本系統(tǒng)經過多次調試后，進行了實驗室評估和臨床對照實驗，對結果進行統(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)響應時間為19.5秒，紅外接收器件響應時間為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用的要求。
　　結論:該便攜式呼氣末二氧化碳檢測設備能夠提供病人的PETCO2值和呼吸頻率，結果通過數值和波形進行持續(xù)地顯示。設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