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呼吸机芯片方案盘点

2023-03-22 11:01
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概念部分


呼吸机,是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸,增加肺通气量,改善呼吸功能,减轻呼吸功消耗,节约心脏储备能力的装置。当婴幼儿并发急性呼吸衰竭时,经过积极的保守治疗无效,呼吸减弱和痰多且稠,排痰困难,阻塞气道或发生肺不张,应考虑气管插管及呼吸机。


呼吸机必须具备四个基本功能,即向肺充气、吸气向呼气转换,排出肺泡气以及呼气向吸气转换,依次循环往复。因此必须有:⑴能提供输送气体的动力,代替人体呼吸肌的工作;⑵能产生一定 的呼吸节律,包括呼吸频率和吸呼比,以代替人体呼吸中枢神经支配呼吸节律的功能;⑶能提供合适的潮气量 (VT)或分钟通气量(MV),以满足呼吸代谢的需要;⑷供给的气体最好经过加温和湿化,代替人体鼻腔功能 ,并能供给高于大气中所含的O2量,以提高吸入O2浓度,改善氧合。动力源:可用压缩气体作动力(气动)或电机作为动力(电动)呼吸频率及吸呼比亦 可利用气动气控、电动电控、气动电控等类型,呼与吸气时相的切换,常于吸气时于呼吸环路内达到预定压力 后切换为呼气(定压型)或吸气时达到预定容量后切换为呼气(定容型),不过现代呼吸机都兼有以上两种形式。


治疗用的呼吸机,常用于病情较复杂较重的病人,要求功能较齐全,可进行各种呼吸模式,以适应病情变 化的需要。而麻醉呼吸机主要用于麻醉手术中的病人,病人大多无重大心肺异常,要求的呼吸机,只要可变通气量、 呼吸频率及吸呼比者,能行IPPV,基本上就可使用。


工作过程:

注入病人气体的压力,由机内涡轮泵产生。大气通过过滤器进入安需阀,安需阀开启的大小 和泵的转速由CPU控制,通气的压力和容量大小由医生根据SARS病人的需要设定,调节适量的气体通过单向阀 进入人体面罩,并进人人体,即吸人正压;单向阀关小,吸人压力降低,病人肺部的吸人正压自动流出,即通 过面罩呼出。


注入病人气体的压力,氧气瓶的氧气压力和正压空气产生。


医用氧气通过减压阀与经过过滤器的空气混合进入储气罐,流量调节器由CPU控制,通气的压力 和容量由医生根据SARS病人的需要设定,调节适量的气体通过单向阀进人人体面罩,并进人人体,即吸人正压 ,病人呼气时,单向阀关小,吸人压降低,病人肺部吸人正压自动流出,即通过面罩呼出。


美信


连续正气压呼吸机(CPAP):持续性正压呼吸器、持续性阳压呼吸器是一种在呼吸道施加压力的人工呼吸器。


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来源美信官网(蓝色方框属于美信可提供产品部分)


该CPAP呼吸机由以下几个部分组成:

1,气压可调节风机,气压变化由微控制器嵌入式系统控制。嵌入式系统包含空气监测传感器和电机控制传感器。


2,面罩压力由输入传感器监测,测量温度、湿度和压力。与电机相关的传感器包括:电机绕组电流输入检测和电机电压检测,此外,还有温度传感器等。


3,系统输出包括:电机速度、蜂鸣报警或语音报警。


4,用户界面主要包括开/关、压力控制按钮,压力指示。对于较昂贵的系统,系统指示可使用背光LED实现,价位较低的系统可使用简单的信号灯LED。


5,有些CPAP呼吸机为电池供电的便携式设计,但大多数采用电网供电(床头插座)。电网供电设备也可以包括电池备份,以便在断电时正常工作。


其中在电机控制和检测部分,空气面罩压力传感器输入用于控制风机速度。风机电机的转速一般为1k RPM至最高30或40k RPM,以获取需要的压力。这是非常高的转速,并且CPAP应用要求转速变化非常快。所以,必须监测电机绕组电流,确保电机不会严重过载。


通常监测电机输入电压,以确保电源和电池处于正常状态。电压监测可由电压检测芯片或简单比较器完成。


电机绕组的电流范围为0A至2A。所以,12位ADC一般可提供所需分辨率,达毫伏范围。ADC必须工作在较高速度,对最高电机转速进行采样。电机电流首先连接至电流检测放大器,将电流值转换为电压并放大。


Maxim的电流检测放大器和ADC通常用于监测绕组电流。


资料来源:

https://www.maximintegrated.com/cn/design/partners-and-technology/solutions/healthcare/continuous-positive-airway-pressure.html/tb_tab0



德州仪器


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截取自德州仪器官网


压力传感器在呼吸设备中扮演着重要角色,它负责将物理值(例如气道压力和流量)转换成差动信号。空气和流量传感器生成的信号能帮助微处理器调节电机,从而调节/维持病人吸气或呼气所需的气压。通常情况下,这些传感器极具成本效益并具有大偏移和偏移漂移,从而导致信号超标、随温度变化和非线性。具有低偏移电压和较小的时间和温度漂移的放大器是信号调节的理想选择。


通过对三个电流相位中的至少两个相位和为电机驱动桥供电的直流总线电压进行监控,可以实际控制直流电机。对相电流而言,可以使用两种方法:高侧或低侧。直接相位测量或高侧方法需要高速差动放大器或电流分流监视器,这种方法通常更加精确。低侧方法测量接近于半桥接地并使用更为简单的放大器,这种方法成本更低,但是精度也更低。直流电机由分立式 FET驱动。其中TI 的 DRV 系列提供了具有散热保护功能的集成驱动器和桥接器,并且体积更小具有更高的精度和效率。


微处理器负责执行多个操作,其中包括对压力信号进行采样和计算所需的气道压力及流量,以便与电机进行通信。要高效实时地完成这些操作,应使用高速、低功耗、高度集成的微处理器。高质量 DSP 可用于此类应用,并且还将为患者提供超静音操作。


下图为此方案中MPU部分,TI可提供的方案。

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资料来源:

http://www.ti.com.cn/solution/cn/cpap-machine?variantid=34104&subsystemid=14174#referencedesigns



意法半导体


ST的电机控制集成电路帮助实施非常精确的运动配置文件,减少了声学噪音,提高了患者的舒适性。此外,我们还提供一系列MEMS运动、压力和湿度传感器、高性能STM32微控制器、以及高精度运算放大器和低功耗调节器,帮助开发先进的CPAP呼吸机。


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截取自ST官网


资料来源:

https://www.st.com/zh/applications/medical-and-healthcare/cpap-and-respirators.html



恩智浦


恩智浦CPAP机可以通过持续监控系统压力与呼吸机电机控制调速相结合来保持恒定的气流。其中黄绿色方框属于NXP可以提供方案部分。

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截取自恩智浦官网(蓝黄色方框为NXP可以提供方案部分)


资料来源:

https://www.nxp.com.cn/applications/solutions/industrial/healthcare/continuous-positive-airway-pressure-cpap-machine:AIRWAY-PRESSURE-CPAP-MACHINE#0



Microchip


CPAP设计人员会使用各类马达,而具有弹性整合式马达控制週边装置的Microchip PIC微控制器可控制所有这些马达。


Microchip为CPAP设计人员提供:

●具有整合式週边装置的dsPIC数位讯号控制器可用于实作众多马达控制策略,包括无感测器的BLDC控制。


●一系列免费且低成本的程式码范例、软体函式库及开发工具,可减少马达控制系统设计的时间和风险。


●高准确度温度感测器让提供的气温维持在舒适程度。


●低偏移、低杂讯运算放大器可用于在类比转数位之前放大和调节温度与压力感测器中的讯号。


●硬体和软体mTouch解决方桉可针对易于在黑暗中使用的系统进行触控、邻近操作和自由空间手势控制。


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截取自Microchip官网



瑞萨电子


CPAP通常需要具有专用的气体流量传感器实时监测气体供给情况,气体流量传感器的精度和稳定性直接关系到患者的生命安全。


瑞萨Synergy S7微控制器和IDT(瑞萨收购)推出的FS2012气体流量传感器搭配使用,可以合理控制电机速度,以获得更好的流量精度。另外,通过气体流量传感器提供闭环反馈以确定电机故障,确保CPAP呼吸机的持续可靠运行,同时其具有内置LCD控制器以扩展系统功能。这种组合非常适用于CPAP和高速流体流量控制系统,瑞萨提供的解决方案还可以选配电源和时序设备。


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瑞萨Synergy S7微控制器和FS2012气体流量传感器应用图示



安路科技


安路科技是中国本土的FPGA供应商,提供基于FPGA的SoC产品,本文推荐使用EF2M系列SoC芯片作为主控,提出一种正压呼吸机的系统控制方案。


一般采用直流电机控制的气压,电机的控制为PWM信号,调节PWM信号的占空比和周期可以控制电机的转速。FPGA逻辑可以产生高精度的PWM信号,气压控制平缓、精准,提供舒适稳定的气压。


直流电机工作后将气流送至面罩内,面罩内有压力传感器,压力传感器把压力转换为电流信号,送到主控板需要通过ADC采集。安路的EF2M45LG144 SoC集成双ADC,可以采集高达15路模拟信号。获得气压数据后对气流进行回馈调节,可以防止突然间的误动作、气管漏气、以及供电电压波动带来的压力精度偏移。


安路SoC是集成了 FPGA、MCU、ADC和Flash的单芯片系统,框图如下:


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安路EF2M45LG144器件在呼吸机系统控制方案上有下面几个优点:


1. 支持高达114个通用IO,可以连接按键、显示、通讯等更多外部接口。


2. 内置CortexM3硬核,工作频率125MHz,集成I2C、SPI、Uart等外设,片内大容量SRAM作为MCU工作需要的ROM、RAM,是一个完备的单片机系统。单片机系统可完成参数设置、数据传输、状态显示、管理交互等功能。


3. MCU通过AHB总线和FPGA逻辑交互,完成PWM信号的参数配置,逐步调节PWM Step,这样不会使气流忽大忽小,让患者的呼吸系统感到不适。


4. 内置ADC,采集高达15路模拟信号。


5. 内置Flash,存储MCU程序、FPGA配置,芯片上电后,MCU、FPGA两个部分都可以启动工作。

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