基于NDIR技术的麻醉气体浓度检测装置

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修回 )
为了适应现代医学的发展和新时期军队生物医学工程专业人才的需要 ! 培养高层次 " 高学历的复合型人才 ! 提高军队各 级医院 " 研究所 " 药品仪器检验所等单位从事医疗卫生装备和医疗仪器研究 " 使用 " 管理 " 计量及维修的在职技术人员和管理 干部的业务素质和技术水平 ! 根据国家和军队开设研究生课程进修班的有关文件精神 ! 结合全军生物医学工程专业人才 实 际 ! 第四军医大学生物医学工程系 "&&G 年继续举办生物医学工程专业硕士研究生课程班 ! 面向全军医疗卫生单位招生 # 招 生简章及有关事项请与第四军医大学生物医学工程系联系 $ 地址 " 西安第四军医大学生物医学工程系 电话 "&"’IQ!HGQ6 军 7 邮编 "Q$&&!" 联系人 " 漆家学
作者简介 " 刘强 $ 硕士研究生 " 尧德中 $ 教授 $ 博士生导师 % 本课题由高校 青年教师奖励计划资助 %
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系统的硬件工作原理 硬件电路将麻醉气体浓度电信号转换成计算机可处 理 的
信号 $ 并通过串口与上位机通信 $ 接受上位机的控制 % 系统结 构如图 " 所示 % 医疗卫生装备! !""# 年第 !$ 卷第 % 期
! !"#$%&% ’%(#)*+ ,-.#/0%$1 23.4$*+ 5667 83+95: ;39<
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万方数据
研究论著
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微处理器采 用 !" 位 微 控 制 器
此相似 & 在浓度计算前根据装置使用者输入的麻醉气体类 型 信息调用相应气体的多项函数式就可根据所测得的传感器 电 压得到麻醉气体的浓度 &
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浓度定标 浓度定标就是分别测出在通不同浓度的各麻醉气体时 的
创测量 " 麻醉气体浓度在 J% 机上连续显示 & 该装置具有结构简 单 % 准确度高 % 长寿命 % 性能价格比高等优点 " 具有很高的推广 应用价值 & 参考文献
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单成祥 8 传感器的理论与设计基础及其应用 N(O8 北京 ’ 国防工业出 版社 "$’’’8H$HPHG$ 甘心照 " 陈仁渔 8 现代医用电子仪器 N(O8南京 ’ 南京大学出版社 "
微控制器对信息进行采集 " 处理 ! 送 01 机显示 ! 可实现手术过程中对病人呼吸中的麻醉气体含量的无创 " 实时和 连 续 监
*+ , - . / , - 01 23 1 - 245 + 4, + . 61 . 05 + 27 , 1 - 8 6, 29 , :04, 2; 1 - , 9 25 + 2&’()2., 4/ + 0< 8 ,
醉气体浓度检 测 装 置 利 用
M/+* 红外光 谱
吸收原理和旁 气流式测量方 法" 实现了手 术过程中对病 人呼吸气体中 麻醉气体含量 进行连续%无
图= 表5
异氟迷浓度电压拟合曲线 检测装置的测量准确度
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6C:992; 34E6 349 :98=?35I9 CD2352EDE6 52B865B9 CD2C923:835D2 ID253D:52A DF 349 8296349658 A86 52 349 7835923L6 :9675:83D:> 85: C82 G9 :98=5M9@ @E:52A 8 6E:A5C8= D79:835D2) ()*+,%-# 52F:8:9@ 679C3:EI 8G6D:735D2N 8296349658 A86N 65@9?63:98I I986E:9I923
射包含 Z[*!I 的红外光 $ 红外光经斩波轮调 制 成 为 交 变 光 $ 透 射过充满病人呼吸气体的采样气室 $ 经过滤光片滤光后进 入 红外探测器 $ 从而产生交变的电信号 $ 最后经放大电路放大输 出%
B
传感器的原理和结构 医学上常用的麻醉气体有 ’种 ; 分别是地氟醚 ’-96F=E:829(&
#$%!!"&’ " 由 精
工 爱 普 生 源
%()# !" 位 *+#%
的核心处理器# 总线控 制单元
图5 系统硬件原理图
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存 储 器 存 取
标准气体浓度 通异氟醚时传感器输出电压 697 通七氟醚时传感器输出电压 697 通氟烷时传感器输出电压 697 通地氟迷时传感器输出电压 697 通氨氟醚时传感器输出电压 697
实验表明 本装置的测量 准确度随麻醉 气体浓度的增 加而降低" 实 验数据见表 " &
#$%!!"&’内置一个地址解码器 " 因此可以直接连接外部设备 &
一 片 0>"?@?&&%!0.A’& @BCDE *)( 做 外 部 程 序 存 储 器 " 一 片
7
结论 本医用麻
;FG$9$?$:H,%0I:& /*.( 做为处理其内部 *.( 的补充 &
监测气体麻醉过程中病人呼吸气体中的麻醉气体的含量 在临床中有着非常重要的意义 # 麻醉医师可以根据监测结果来 安全地调节输入到病人体中的麻醉气体量 $从而避免病人因吸 入麻醉药过量和不足而导致生命危险 % 目前在医用麻醉气体检 测领域对于麻醉气体浓度的监测所利用的测量原理一般都 是 基 于 非 色 散 红 外 光 谱 分 析 技 术 O,-./$,D2 ?-5679:65B9 .2P F:8:9@+$ 主要是通过找到气体浓度与红外光衰减量之间的对应 关系 $从而根据所测红外光衰减量计算气体浓度 % 本文根据此 原理设计了一种基于红外吸收原理的医用麻醉气体实时监 测 装置 $ 以,-./红外吸收原理为基础设计了特殊的传感器结构 $ 利用旁流式气路技术进行气体采样 $以单片机控制数据采样并 进行浓度计算和补偿 $从而实现了在手术过程中对病人呼吸气 路中的麻醉气体含量进行无创 &实时连续监测和波形显示 %
表? 气体浓度与传感器输出电压关系
&R !8$" !8$" !8$" !8$" !8$" $R "8G:H "8::G "8?G! "8Q$’ "8Q?& "R "8"’" "8!!" "8:GQ "8H"G "8G:H !R $8’G:! "8&:H "8G$! "8"&? "8!’$ HR $8:"G "8&?: "8H&H "8&HG "8":$ GR $8G$$ $8QG! "8!$Q $8’$H "8$GQ
微处理器计算麻醉气体浓度 " 控制参数测量电路 " 气泵流 速" 监测电源电压" 管理与J%机的通讯以及所有的地址解码& 需检测的模拟量包括气体传感器 % 室内压力传感器 % 温度 传 感 器 % 气 路 中 流 量 传 感 器 % 电 源 电 压 等 的 输 出 信 号 "./% 采 用 ? 通道 $"位连续逼近并行接口的 (.KB"’&& 用 (.K:&:G 做 . 5
/(. # 中断控制器 # 定时器 01234 # 串行接口电路 #+) 和 . 5 / 转换
器组成 $ 具有高速 % 低功耗 # 低电压操作 # 精简指令集 6*+#%7 等 特 点 " 提 供 乘 与 累 加 功 能 & #$%!!"&’ 工 作 电 压 可 选 !8!9 和 "8 &9 " 时钟最大频率分别可到 :&(;< 和 "&(;< & 本系统选用 !8!9 工作电压 """(;< 时钟频率 " 正常工 作 时 的 功 耗 低 至 $$:2=&
被测气体前后的能量变化 $ 并将这种变化转化为电信号 $ 经电 路系统处理后就可对被测气体进行浓度计算 U"V% 传感器结构如 图 ! 所示 % 传感器由红外 光 源 &采 样 气 室 &斩 波 轮 &滤 光 片 &红 外 探测器和信号放大 电路组成% 红外光 源向红外探测器发
图B 传感器结构原理图
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其中 $.&&. 分别是 通 过 被 测 气 体 前 & 后 的 初 始 光 强 "8 是 被 测气体在其吸收谱内的吸收系数 "X 是光程 "1 是被测气体的浓 度 % 在传感器结构确定后 .&&X &8 都是确定 的 ; 只 有 浓 度 1 是 变 量 % 这样 $ 用一个对热效应极其敏感的探测器检测红外光通过
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采样气路设计 气路的作用是将病人呼吸气体采样到测量气室 $ 实 现 气
异氟醚 O.6DF=E:829+& 氟烷 ’Q8=D34829(&七氟醚 ’R9BDF=E:829(& 氨氟 醚 ’S2F=E:829($它们对波长*)TEI的红外光都有较大吸收 % 这种 特性使的能够利用一个滤光片定量监测各麻醉 气 体 的 浓 度 U!V% 当 *)TEI红外光通过所测麻醉气体之后 $ 该波长的能量就会被 吸收掉一部分 $吸收规律满足W99:?X8IG9:3定律 ) * .Y.& 9?8X1
传感器输出电压 & 用这些数据进行曲线拟合分别得到 G 种麻醉 气体的浓度和传感器输出电压的关系曲线 & 将这 G 条曲线储存 在单片机内 " 在测量时根据用户输入的麻醉气体类型信息调 用相应的气体关系曲线计算实时的麻醉气体浓度 & 曲线拟合 算法采用最小二乘拟合法 & 实际测得的麻醉气体浓度和传感器输出电压关系见表 $ & 由表中的数据通过最小二乘拟合法就可以得到各麻醉 气 体浓度与传感器输出电压关系函数的多项式近似表达式 L 图 ! 为异氟迷的浓度与电压的拟合曲线 " 其余的气体拟合曲线与
体流速稳定$ 减小测量误差% 本文采用的是旁气流式气路% 此方法用一细采样管把气管或气道与气体采样气室相连 $ 用 一个气泵从气路中抽取采样气体 $ 经除湿器干燥后送入传 感 器气室 % 使用压力 & 温度传感器检测计算气室内的压力和 温 度 $ 用做计算麻醉气体浓度时压力 & 温度的补偿 % 使用流 量 传感器检测气路内气体流速$ 为气泵转速控制提供反馈信 号%
研究论著
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基于&’() 技术的麻醉气体浓度检测装置
刘 强! 尧德中! 李新胜" 张 伟" 周慧玲"
#!$ 电子科技大学生命科学与技术学院 成都市 %!&&’( "") 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 广东省深圳市 ’!*&’(+
摘要 测# 关键字 红外光谱吸收 $ 麻醉气体 $ 旁气流式测量 文献标识码 "] 文章编号 "!&&T?**%* #"&&’ $&Z?&&"%?&" 中图分类号 "JQZZ"\)" 设计了一种麻醉气体浓 度 监 测 装 置 ! 采 用 非 色 散 红 外 线 ,-./ 技 术 获 取 麻 醉 气 体 浓 度 信 息 ! 旁 气 流 式 测 量 ! 再 用
/ 转换的基准电压 " 保证 . 5 / 转换的准确度 & 数据输入方式 采
用中断方式 " 采样频率为 $"&;< " 足够呼吸波形的显示 & 微控制 器将采得的数据经计算得到麻醉气体浓度 % 呼吸波形等数据 送上位机显示 &
标准气体浓度 通异氟醚时测量精度 6R7 通七氟醚时测量精度 6R7 通氟烷时测量精度 6R7 通地氟迷时测量精度 6R7 通氨氟醚时测量精度 6R7