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《山东大学》 2018年
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基于物联网技术的家用呼吸机的研制

杜敏宁  
【摘要】:随着全球环境污染的日益加重,各种肺部疾病与呼吸道疾病患者数量不断增加。阻塞性睡眠呼吸暂停综合征对人体健康的危害较大,具有较高的患病率,其致病机理为呼吸道的部分塌陷,通过家用呼吸机采取持续气道正压的方式来实现无创通气治疗可以达到显著的疗效。但是国内家用呼吸机研究起步较晚,核心技术掌握不足,在性能质量与治疗效果上,较国外产品仍有不小的差距。另一方面,随着物联网技术在医疗监护领域的应用,家用呼吸机市场对于远程医疗监控与诊断等功能具有较大需求。因此,本文针对家用呼吸机的发展情况,设计了一款基于物联网的家用呼吸机。本文分析了国内外家用呼吸机研究的发展情况,根据相关标准规范的要求,确定了家用呼吸机的整体框架和各项功能。本文设计的家用呼吸机系统由呼吸机控制系统与湿化器控制系统构成。呼吸机控制系统以采用Cortex-M4内核的微控制器STM32F407为核心,在移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统的基础上进行应用任务的开发,来实现人机交互、呼吸信号处理、数据通信等功能。湿化器控制系统以采用Cortex-M3内核的微控制器STM32F103为核心,来完成湿化器的水箱水温控制功能。本文研究了呼吸流量触发、潮气量处理,以及湿化器水温控制等呼吸机核心算法。呼吸机控制系统通过传感器检测气道流量信号,根据呼吸流量信号完成呼吸切换过程,实现人机同步功能。系统通过检测气道压力信号,根据治疗方案的参数设定与患者的呼吸状态,来进行风机转速的调节,从而使气道压力维持在设定范围内,采用潮气量处理算法来进行患者吸气潮气量的测量,并完成对低通气异常的检测与处理。湿化器水温控制过程分为间接测温、快速加热、稳态加热,以及过热冷却四个过程,间接测温过程用于对水箱水温进行间接测量,快速加热过程用来使水温快速达到设定档位的稳态阈值,稳态加热过程可以将水温维持在设定范围内,过热冷却过程用于实现系统过调节后的保护功能。为实现远程医疗服务功能,家用呼吸机系统采用了 Wi-Fi与蓝牙技术与移动客户端建立数据通信,可以进行实时参数、呼吸报告、远程治疗方案的传递,通过与远程医疗服务器进行数据交互,可以实现远程医疗监控和诊断等功能。本文最后对家用呼吸机系统进行了各项功能测试,包括呼吸机控制系统的呼吸信号检测与处理、数据通信等功能,以及湿化器控制系统的间接测温和水温控制等功能。测试结果表明,本文设计的家用呼吸机可以准确进行呼吸触发动作,及时完成呼吸治疗策略的调整,能够达到较好的人机同步效果;对于湿化器水温控制可以达到较高精度,能够满足治疗需求;可以进行稳定的数据传输,可靠地实现远程医疗监护功能。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TH789;TP391.44;TN929.5

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