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《南方医科大学》 2015年
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睡眠呼吸机的关键技术研究

邝勇  
【摘要】:睡眠呼吸暂停综合症(Sleep Apnea Syndrome, SAS)是一种严重影响人们的身体健康慢性疾病。在临床上睡眠呼吸暂停综合症分为阻塞型(Obstructive SAS, OSAS)、中枢型(Central SAS,CSAS)及和混合型(Mixed SAS,MSAS)三种,其中以OSAS最为常见。阻塞性睡眠呼吸暂停综合征临床特点有夜间睡眠打鼾、反复呼吸暂停和觉醒、白天嗜睡,并伴有记忆力下降,严重的伴有心理心智和行为异常现象出现。呼吸暂停严重患者会出现低氧血症情况,并且出现冠心病、高血压、脑卒中、2型糖尿病等并发症,甚至导致夜间猝死。阻塞性睡眠呼吸暂停综合征是心、脑血管疾病的重要诱因之一。OSAS的直接发病机制表现为呼吸道阻塞和狭窄,但其原因却并不只是简单的呼吸道狭窄和阻塞,实际是由上呼吸道塌陷所致,并伴有呼吸中枢神经调节障碍。引起上呼吸道阻塞和狭窄的病因有很多,包括颞下颌关节强直、Ⅱ °以上扁桃体肥大、下颌弓狭窄、鼻中隔弯曲、下颌后缩畸形、软腭过长,少数情况下出现的舌骨后移、巨舌症、两侧关节强直继发的小颌畸形等。此外,口咽或下咽部肿瘤、肥胖以及上气道组织黏液性水肿等也是引起OSAS的原因。对于OSAS的详细病因,医学领域尚无明确结论,仍需进一步研究。目前治疗OSAS的主要手段有无创气道正压通气治疗、行为治疗、外科手术治疗和药物治疗等方法,其中采用无创呼吸机进行无创通气治疗已经成为公认的治疗OSAS最为有效和安全的方法,其疗效高达90~95%。无创通气治疗的治疗方式有创呼吸机以持续正压通气(Continuous Positive Airway Pressure,CPAP)、双水平正压通气(Bi-level Positive Airway Pressure, Bi-PAP)和自动正压通气(Automatic Positive Airway Pressure, APAP)。无创气道正压通气治疗越来越受欢迎是由于不需要手术和服用药物,保证了无创通气治疗的效果。无创通气治疗的基本原理是通过调整风机转速,使患者在整个呼气及吸气的过程中,通过面罩持续给上呼吸道一个恒定正压力,维持上呼吸道的肌张力和增大咽腔侧壁的宽度,通过影响上呼吸道的口径而增加肺容量,从而避免了由于气道塌陷而导致的呼吸暂停和低通气。美国是利用呼吸机开展OSAS治疗最早的国家之一,在2005年时该国治疗用的睡眠呼吸机需求总量已经达到100万台,并在过去十年年需求量增长率保持在20%左右。西欧2005年治疗用睡眠呼吸机的需求总量约为70万台,每年增长率约为20%。日本自2003年将OSAS诊疗纳入保险范围,治疗用睡眠呼吸机的需求量急剧上升,2005年年需求量已经达到20多万台。但在我国,人们对OSAS的危害认知度较低,治疗的普及速度十分缓慢。近年来,随着睡眠医学知识的普及和人民生活水平的提高,更多的人开始关注自己的睡眠健康,无创睡眠呼吸机无疑具有巨大的市场潜力;另一方面,随着科技的发展,无创睡眠呼吸机的性能更加完善,利用睡眠呼吸机对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征进行治疗的优势更加突出。同时,市场上睡眠呼吸机种类也越来越多,但人们对睡眠呼吸机的要求不仅仅局限于达到治疗效果,而是在达到治疗效果的同时,对睡眠呼吸机的噪声水平和使用的舒适性有更高的追求,这也成为衡量睡眠呼吸机性能优劣的最重要指标。在睡眠呼吸机的设计中,电机控制算法、系统硬件设计和核心软件算法是决定噪声水平和舒适性的关键技术。本文通过对睡眠呼吸机的需求收集和分析,并结合国内外需求,对上述的关键技术进行了研究,设计了具有成本适中、电机控制效率高、噪声水平低和使用舒适性好等优点的睡眠呼吸机核心组件。在睡眠呼吸机治疗过程中,为了保证使用者的最佳舒适性和对睡眠的最小干扰,睡眠呼吸机需要根据患者呼吸状态快速调整输出压力,因此对电机的选型和电机的控制提出更高要求。在电机选型上,本文综合成本和性能的考虑,选择了睡眠呼吸机中普遍使用的直流无刷电机。传统的直流无刷电机的控制方法是采用定子驱动的六步方波过程。在六步方波控制过程中,给一对绕组通电直到转子达到下一位置,然后电机换相到下一步,并采用霍尔传感器用于确定转子的位置,以采用电子方式给电机换相。六步方波法优点是算法简单,容易实现,但容易产生噪声,并且对于需要根据患者呼吸状态的变化快速改变电机转速的睡眠呼吸机来说,其响应能力显然不足。鉴于此,本文将磁场定向控制(Field-Oriented Control,FOC)算法用于睡眠呼吸机的电机控制。磁场定向控制也被称为解耦控制或矢量控制,20世纪70年代,美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”和德国西门子公司F.Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”奠定了矢量控制的基础,其主要思想是通过异步电动机构造上不能分离的励磁电流和转矩电流通过坐标变换分离成相位差90。的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到快速精准地调速控制。本文首先对睡眠呼吸机的相关理论知识进行了阐述,对睡眠呼吸机应用于OSAS治疗的优势作了简要对比分析。然后,介绍了睡眠呼吸机的工作原理以及系统组成,解释了睡眠呼吸机在工作过程中对电机响应速度和噪声的要求。鉴于直流无刷电机传统的六步方波控制方法,其相应能力不足的问题,并通过对直流无刷电机的数学模型和控制理论进行了研究与分析,确定了采用FOC用于睡眠呼吸机的电机控制。本文采用的FOC电机控制算法中,首先通过坐标变换,将三相静止坐标系转化为两相旋转的坐标系,从而使三相耦合的定子电流转换为相互正交,独立解耦的转矩和励磁分量,从而达到类似于其他励直流电机通过控制转矩电流直接控制转矩的目的。在硬件方面,为满足FOC控制算法和关键算法对系统资源的需求,采用Ti公司的TM4C129+TMS320F2806双处理器的架构。TM4C129是基于Cortex-M4处理器,主要负责接收从压差/压力传感器采集的数据,并进行相关的识别处理,判断患者的吸气与呼气过程,实现提高治疗舒适性算法,以及睡眠呼吸事件的检测,该芯片内部资源丰富,能极大程度地减少外围模块的使用,尤其在内部集成LCD控制器与高效的信号处理能力,可充分满足本设计中的LCD驱动控制以及关键算法实现的需要。TMS320F2806处理器是基于C28x内核的定点DSP,用于实现FOC电机控制算法,输出三路驱动三相定子的PWM,完成直流无刷电机的运转的控制,TMS320F2806是集成度较高、性能较强的运动控制系列芯片,可满足FOC电机控制算法中复杂运算的需求,芯片高速的运算能力保证了控制的实时性,同时,内部集成大容量存储空间无需外片RAM就能满足存储需求,保证了控制系统的高度可靠性。智能传感部分为压差和压力信号采集,分别选用瑞士SENSIRION公司的SDP600压差传感器和Freescale的MPXV5004GC6U压力传感器,压差和压力信号为压力控制与提高顺应性相关算法的实现提供数据来源。鼾声检测电路为呼吸事件检测的一部分,原理为将压力信号经过30-800Hz的带通滤波电路,从而提取出鼾声信号。系统人机交互部分,包括按键,LCD屏幕和蜂鸣器。按键主要用于系统的控制与参数的设置输入。LCD屏在系统设置模式下,用于交互各项菜单的配置,在治疗过程中,可显示当前的呼吸波形。在软件方面,主要实现系统驱动程序和主功能相关的核心算法。驱动程序包括系统时间配置、数模转换程序、模数转换程序、LCD屏驱动程序、SD卡读写驱动程序等方面。在算法方面,实现智能启动、呼吸/压力跟随、呼吸事件识别和漏气检测和补偿等算法。呼吸跟随是压力释放的基础,其目的是根据气体流量信号,识别患者的呼吸状态,从而根据呼吸状态的不同调整输出压力,保证最佳的呼吸舒适性。患者在睡眠过程中,若出现呼吸暂停、低通气或阻塞情况,系统提升气压,达到治疗效果;而在正常状态下,系统降低气压,直到再次检测到呼吸暂停、低通气或阻塞事件,系统重新提升气压,如此反复,以滴定出适合病人的最佳治疗压力。漏气检测和补偿则是在发生漏气情况下,系统做出流量补偿,从而保证治疗效果。试验样机测试结果表明,本文设计的睡眠呼吸机组件具有电机响应速度快、压力输出平稳、噪声水平低等优势,能够准确快速地根据患者呼吸调整输出压力和流量,准确识别呼吸事件的发生,以及漏气检测和补偿。在性能上可与睡眠呼吸机国际领导品牌ResMed(瑞思迈)S9呼吸机相媲美,为实现CPAP、APAP和Bi-PAP等不同模式的睡眠呼吸机奠定了技术基础,具有很高的临床应用价值。
【学位授予单位】:南方医科大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH789;R766

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