Page 91 - 《中国医疗器械杂志》2025年第2期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025 年 第49卷 第2期

设 计 与 制 造

呼吸气路中抽气采样，若被监测者为新生儿和老年 一体化气路结构装配成完整的系统模块。考虑到系
群体等呼吸功能微弱的患者，过大的采样流量会严 统设计为医用，除了要确保气体参数计算的准确性
重影响患者供气以及呼气流量计算。因此，控制旁 等方面满足相关医疗标准，还要对系统的运行状态
流式检测系统的气路流量，并在微流量的气体采样 进行实时检测，确保能对突发的异常情况及时做出
条件下获得高精度结果，是进一步扩大旁流式检测 相应处理并发出警告，从而保证系统使用过程中的
系统应用范围的重要研究方向。 安全性和可靠性。针对以上需求，系统整体框架设
本文采用计算气路差压均方根（root mean square, 计如图1所示。图中左侧重点展示了系统的气路结
RMS）值并拟合标定流量的调控方式，使气路流 构，核心器件为红外光源、红外传感器、三通电磁
量稳定可控。同时，采用两点浓度标定和双线性温 阀、微型气泵、缓冲气容、差压传感器、绝压传感
度补偿的参数计算及补偿方法，研制了一套基于一 器以及测量气室；图中右侧则重点展示了系统的软
体化气路的微流式呼气末CO 监测系统（以下简称 件架构，包括各传感器与下位机之间的通信方式、
2
系统”），并进行了系统测试与验证。
“ 下位机软件算法的框架等。最后，所有数据通过主
1 系统设计方案 控微控制器（microcontroller unit, MCU）经串口发
送至PC端的上位机，用于波形、参数的显示，以
系统可分为硬件、软件和算法三部分，并通过 及信息数据的管理、存储等。

测量气室 红外传感器
红外光源 信 特征点 呼吸率
号 识别 计算
放大 24位 SPI 预
滤波 ADC 处 气体浓度
测 理 参数补偿 计算
外界 量
空气 三通电磁阀 温度检测 IIC 模
式 系统状态 PC
绝压传感器 温度与压力数据 端
压力检测 IIC MCU 监测 上
主控
位
气路差压数据 流量调控 机
流量 24位
滤水采样管 差压传感器 检测 ADC SPI
呼吸 校 温度与压力数据
气体 缓冲气容 准 系统校零
模
式 系统运行时间
微型气泵 PWM 气泵速率调控 GPIO
图1 基于一体化气路的微流式呼气末CO 2 监测系统整体架构设计
Fig.1 Overall architecture design of microstream end-tidal CO 2 monitoring system based on integrated gas circuit

系统的工作可分为测量模式和校准模式。在测 CO 浓度为基准对系统进行校零操作，保障系统检
2
量模式下，三通电磁阀处于关闭状态，系统内部气 测结果的可靠性。

路与人体呼吸管道相连通。由此，人体呼吸气体经 2 系统硬件设计
过滤水采样管进入测量气室，获取呼吸CO 信息，
2
而后分别经过绝压传感器、差压传感器，获取温 2.1 电源架构
电源性能的好坏会直接影响系统的各个部分，
度、压力、流量数据，用于模块系统的状态监测及
必须对其进行谨慎的设计和选型，以最大限度地降
计算气体浓度时的环境参数补偿。考虑到微型气泵
低电源噪声对系统的影响。考虑到系统中的三通电
不可避免地会给气路带来气流干扰，影响差压传感
磁阀、微型气泵及红外光源均属于重负载器件，会
器的信号质量，因此在微型气泵与差压传感器之间 对模拟电路部分造成较大的电源干扰，需要妥善处
串联一个缓冲气容，使气路气流更加平稳。 理电源及接地问题。鉴于此，系统供电电压选择目
校准模式通过监测模块系统的参数漂移情况和 前监护仪常规电压5 V，采用DC-DC升压、LDO降
持续工作时间触发。在校准模式下，三通电磁阀打 压稳压的方案进行设计，并分割地平面，从而最大
开，系统内部气路连通外界空气，使气泵抽取环境 限度地减少电源对各电路部分的干扰。系统电源架
空气对系统气路进行洗气。同时，以环境空气中的 构如图2所示。

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