便携式呼气末二氧化碳监测仪的研制

摘要

目的:动脉血二氧化碳压力(Arterial CO2 Pressure，PaCO2)是人体呼吸状态的一个直接判断指标，但该指标必须通过有创操作才能得到并且数据也不能持续。有创操作不仅增加了病人的痛苦，加大了相关并发症的发生概率，加重了医护人员的工作量，而且满足不了临床上对生理参数实时连续动态监测的需求。目前可以通过呼气末二氧化碳压力(end-tidal CO2 pressure，PETCO2)监测来作为PaCO2的替代指标来无创持续地测量人体呼气末的二氧化碳压力水平。PETCO2是非常重要的呼吸监护指标，具有无创且连续的特点，在临床中具有非常广泛的应用。当前，PETCO2监护相关设备主要都由国外的厂家生产，国内仅有少数厂商推出带有呼末CO2监测功能的监护仪。由于国外人力成本及相关技术成本比较高，相应的设备成本也居高不下，导致相关设备及模块只有在一些大医院或者仅仅在ICU或手术室等特定的小范围内使用，远远没有国外那么普及。结果是利用监测病人呼气末二氧化碳来进行医疗辅助诊断和确保医疗安全的这项比较好的技术使用受限，在临床上国内还并没有将该项检测内容当做常规监测内容，还不像心电、血氧、无创血压等参数那样被广泛应用。因此，为了普及呼气末二氧化碳监测技术，降低使用成本，迫切需要研发轻巧便携价格便宜的呼气末二氧化碳监测仪，造福广大国内患者。
　　方法:本文在大量的文献调研和前人研究的基础上探讨了一套测量精度高、轻巧便携的可以用于院前转运及无创连续监测病人呼气末二氧化碳浓度的系统的搭建方法及元器件选型。系统采用非色散红外光谱技术(NDIR，Non-DispersiveInfrared)，基于朗伯比尔定律的原理设计，通过探测器检测红外光的衰减量来计算CO2气体的浓度。硬件电路主控芯片选用ARM7内核的ADuC7026从而实现对探测器、信号处理电路等的控制。气室设计选用红外光源IRL715配套使用探测器TPS2534。探测器为双通道探测器，可以实现单光源双光路的设计，该设计可以有效降低光源及探测器所造成的测量误差，提高测量精度。红外探测器能将接收到的光信号和温度信号转换成电信号，进行前置放大预处理，A/D转化后送入微处理器进行计算和补偿校准后可显示PETCO2波形和测量值，根据波形特征来计算病人的呼吸率。
　　内容:本文主要研究工作包括以下几个方面:
　　①.系统硬件设计与实现。为了提高整个系统的稳定性和测量的精度，进行红外光源、气室的光路以及红外探测器等元器件的选型与设计;选择适合的运算放大器并搭建放大电路，进行微弱信号的放大处理;为了便于存储和查阅检测数据，设计搭建SD存储接口电路，进行SD卡存储模块设计;挑选恰当的液晶屏进行显示模块的搭建从而对检测结果进行显示输出，并利用蜂鸣器实现超限报警;设计搭建电源管理电路。
　　②.系统软件算法设计。编写适当程序实现呼气末二氧化碳传感器检测信号采样，并设计相应程序对数据进行处理;基于阈值判断同时与校准结果相结合，采用自适应跟踪的方法来进行基线跟踪;利用采样处理后的呼气末二氧化碳数据，进行呼气末二氧化碳数据的特征提取，获得呼气末二氧化碳的数值;准确采样处理二氧化碳波形数据，对波形进行检测预处理并准确提取呼吸率;实现呼气末二氧化碳波形的绘制，完成人机交互界面设计;实现SD卡的存储功能。
　　③.系统可靠性评估实验。笔者分别进行了呼气末二氧化碳监测仪的实验室评估和临床对照实验，评估了监测系统对CO2浓度和呼吸率检测的范围和精度以及系统的响应时间，并与现有机型进行了对照和比较。
　　结果:本系统经过多次调试后，进行了实验室评估和临床对照实验，对结果进行统计分析发现系统CO2浓度检测范围为0-99 mmHg，其误差率不超过5％。呼吸率误差不超过2bpm，其检测范围可以达到150 bpm。系统响应时间为19.5秒，红外接收器件响应时间为25毫秒。与现有某机型对照发现主要指标部分达到了临床应用的要求。
　　结论:该便携式呼气末二氧化碳检测设备能够提供病人的PETCO2值和呼吸频率，结果通过数值和波形进行持续地显示。设备能定量显示人体呼气末的二氧化碳局部压力，可以快速准确地分析判断病人的呼吸、循环和新陈代谢状况。由于设备使用方便，轻巧便携，非常适用于急救转运过程中病人的生理状况监护，同时波形图可以持续实时地显示CO2的波形和变化趋势从而有益于进一步分析病人呼吸、通气及灌注情况，临床使用前景广泛。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外现状

1．3 课题来源和研究意义

1．4 本论文的创新点及组织结构

第2章 呼气末二氧化碳简介

2．1 呼气末二氧化碳介绍

2．1．1 呼气末二氧化碳

2．1．2 呼气末二氧化碳与人体生理过程

2．1．3 呼气末二氧化碳监测原理

2．2 呼气末二氧化碳监测的临床意义

2．2．1 监测病人通气

2．2．2 维持正常通气量

2．2．3 确定气管插管位置

2．2．4 及时发现呼吸机故障

2．2．5 反映肺血流量变化及肺泡无效腔量

2．2．6 监测循环功能

2．2．7 评价CPR效果

2．3 呼气末二氧化碳波形图介绍

2．3．1 正常CO2波形的四相

2．3．2 CO2波形图要素

2．3．3 异常PETCO2波形

第3章 呼气末二氧化碳监护仪硬件部分设计

3．1 dsPIC30F6015芯片

3．2 PETCO2采集模块

3．2．1 气室设计

3．2．2 电压跟随电路

3．2．3 放大电路设计

3．2．4 温度信号提取电路

3．2．5 微处理器

3．3 供电模块

3．4 人机交互

3．4．1 液晶显示

3．4．2 功能选择按键

3．5 存储模块

3．6 总体结构设计

第4章 软件设计

4．1 呼气末二氧化碳数据采样和数据处理

4．2 基线跟踪算法

4．3 PETCO2计算

4．4 呼吸率检测算法设计

4．5 波形显示设计

4．5．1 变量规划

4．5．2 界面设计

4．5．3 界面配置

4．5．4 测试修改

4．5．5 定版归档

4．6 SD卡存储

第5章 实验

5．1 实验方案设计

5．1．1 实验室检验与评估

5．1．2 临床评估与检验

5．1．3 评价指标及标准

5．1．4 实验内容和方法

5．2 系统校准及定标

5．3 实验结果及分析

5．3．1 实验室评估结果

5．3．2 临床评估结果

5．4 讨论

第6章 总结与展望

6．1 主要的研究工作

6．2 不足与展望

参考文献

附录

文献综述

在学期间取得的成果及发表的代表性论著(全文)

作者简历

致谢