便携式制氧机呼吸脉冲供氧系统设计

孙靖濛，朱孟府，陈 平，赵连玉，刘志猛

SUN Jing-meng1,2, ZHU Meng-fu2, CHEN Ping2, ZHAO Lian-yu1, LIU Zhi-meng2

（1.天津理工大学，天津 300384；2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161）

0 引言

氧是产生人体功能活动所需能量的必要物质，是人体不可缺少的生命元素。制氧装备是重要的医技保障装备，是战伤救治的重要手段[1]。制氧装备常用的制氧工艺主要有膜分离法、深冷空分法、化学法和变压吸附法(PSA)。变压吸附法制氧以其能耗低、无污染以及成本低等特点，在便携式制氧设备中得到广泛应用[2～5]。为减小便携式变压吸附制氧机的体积和重量，采用先进的节氧方法是制供氧器微型化的重要途径。目前的节氧法主要有节氧面罩法、节氧鼻导管法、固定频率供氧法和呼吸脉冲供氧法等[6]。有研究表明，呼吸脉冲供氧法是节氧最有效的方式之一，达到相同的供氧效果，脉冲供氧的耗氧量仅为连续供氧的1/6，目前呼吸脉冲供氧法已被广泛应用于各类呼吸机中[7～12]。本文以变压吸附制供氧工艺研制出便携式制氧机，在连续供氧模式下的平均供氧流量为500ml/min～700ml/min，为提高便携式制氧机的氧气利用率，设计了微型压力差压开关检测呼吸压力的控制系统，以实现便携式制氧机的呼吸脉冲供氧。

图1 制供氧工艺流程示意图

1 工艺设计

便携式制氧机属于小型制氧设备，小型便携的基本内容包括：1）容易携带或移动，特别是能用手方便携带；2）自带电源。因此，研制适合便携使用制氧机的关键是减轻制氧机的体积和重量。综合考虑制氧和供氧两方面特殊的功能，为使结构简单、运行稳定，采用变压吸附制供氧技术工艺设计自备电源的便携式制氧机。变压吸附法制氧原理是根据沸石等分子筛对氧气和氮气吸附性能不同，在加压条件下吸附氮气，在减压条件下解吸氮气，从而分离出空气中的氧气和氮气。

为连续稳定制取氧气，便携式制氧机采用低压两塔变压吸附制氧工艺流程，如图1所示。为节约能耗，提高制氧效率，制氧工艺增加了反吹过程，在吸附塔底部增加一个反吹孔，实现对分子筛的清洗。吸附塔为一体化组合化吸附塔，内装超低压高效锂分子筛，有利于减小设备的体积重量并降低压缩机功耗；电磁阀为组合化的专用电磁阀，集成在吸附塔上，结构紧凑，控制方便。供氧工艺采用依呼吸频率供氧的方式，采用微动差压开关准确检测人体呼吸频率，由单片机控制供氧电磁阀的开闭，实现吸气时供氧，呼气时停止供氧，但氧气制备过程是连续的，不因呼气时供氧停止而停止，从而有效提高了氧气的利用率。

2 系统设计

2.1 呼吸脉冲供氧原理

人体正常呼吸时，呼和吸的气量随频率而变。图2为三种呼吸频率下的呼吸气量波形，从图中可以看出，一个呼吸周期为2s～4s，吸气时间小于呼气时间[13]。在吸气阶段的前0.5s内，吸气量最大，因此在吸气的前0.5s供氧是最有效的。采用鼻吸管呼吸时，人体对气体的吸入和呼出产生的压力随时间的变化关系基本上呈正弦函数关系[14]。当人正常吸气时，鼻吸管内的压力呈相对负压状态，而呼气时压力则呈相对正压的状态。为能灵活、准确地采集呼吸压力的变化，本设计设置的压力传感器阈值为20Pa[15,16]。

图2 三种呼吸频率下的呼吸气量波形图

2.2 呼吸脉冲供氧管路

根据呼吸时的压力变化，设计的呼吸脉冲供氧管路连接如图3所示，储氧罐中的氧气先经过电磁阀，通过三通一端连接压力传感器，另一端与人鼻相连。采用的压力传感器是美国Dwyer公司的机械型的微型压力差压开关，可以测正压，即呼气；也可测负压，即吸气（如图4所示）。本系统是对呼吸时的吸气动作进行检测，所以采用了负压形式。

根据微动压力开关的内部结构，两个引出的终端是不导通的，当吸气时，鼻吸管内呈现负压状态，内部的两个金属薄片就会接触在一起，从而使两个终端导通，通过单片机程序的控制，供氧电磁阀导通，实现供氧；当呼气时，鼻吸管内呈现正压状态，金属薄片断开，从而电磁阀关闭，停止供氧。

供氧电磁阀采用欧卡达公司的OKD-0520B微型两通常闭式电磁阀，其体积小巧、质量可靠，便于与制供氧气集成。电磁阀的工作电压为12V，工作电流为125mA，单片机的控制信号经74LVC04反相器取反后再由达林顿管UN2003放大后再驱动电磁阀。由于UN2003是大电流、高耐压的复合晶体管阵列，它由七个硅NPN复合晶体管组成，所以换向电磁阀、压缩机以及供氧电磁阀均由达林顿管UN2003驱动。

图4 微动压力开关内部结构图

2.3 控制系统软件设计

脉冲供氧时，压力传感器检测人体的呼吸信号，当压力传感器检测到呼吸信号时，由单片机控制电磁阀的开闭状态，从而实现脉冲供氧。脉冲供氧主程序如图5所示。根据人体正常呼吸的规律，在吸气阶段的前0.5s内吸氧最有效，为此设计供氧电磁阀的导通时间为0.5s。

图5 脉冲供氧主程序流程

在脉冲供氧模式下，若出现鼻吸管脱落或出现呼吸困难等问题，单片机检测不到呼吸信号，则通过蜂鸣器进行报警提示。具体方法是，每检测一次呼吸信号后，计时器开始计时，若在设定的时间内检测到下一次呼吸信号，则计时器清零，正常供氧；若在设定的时间内没有检测到呼吸信号，则蜂鸣器报警提示，为防止有呼吸困难等意外事件的发生，供氧电磁阀打开，实行连续供氧方式。

3 性能评价

将鼻吸管与便携式制氧机相连，启动制氧机，吸气时能感觉到气体供应存在，停止吸气时则无气体感觉，说明可实现依呼吸频率供氧。由于人体实际使用脉冲供氧时，供氧流量和氧气浓度直接测量困难，因此试验时采用单片机以一定频率控制电磁的开闭来模拟人体的呼吸频率。用排水法测量1min内制氧机制取氧气的体积，用氧气分析仪测量氧气浓度，计算出单次吸氧量，实验结果如表1所示。

表1 便携式制氧机脉冲供氧性能

设计的脉冲供氧电磁阀导通时间是固定的，不随呼吸频率改变而变。从表1可以看出，随着呼吸频率的增加，制氧机的产氧流量和供氧流量也相应增加，单次吸氧流量会逐渐降低，而且随着呼吸频率的增加，氧气浓度逐渐降低，呼吸频率越快，氧气浓度越低。这是因为呼吸频率越快，制氧机排气量越大，吸附塔内的压力越低，导致吸附不完全，造成氧气浓度降低。但当呼吸频率在每分钟20次以下时，氧气浓度大于90%。

4 结论

以微型压力差压开关检测人体的呼吸频率，代替传统用压力传感器检测呼吸压力的方法，既简单准确又稳定可靠，可有效降低电磁阀的误操作，降低氧气错误输出的概率，大大节约了制取的氧气，提高了氧气利用率，相对地降低了制氧机的体积、重量和能耗，解决了便携式制氧机的瓶颈问题，同时也为其他类型供氧系统的设计提供了借鉴。

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