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完美世界手游物品上架:一氧化碳吸入裝置的設計與實現


完美世界手游职业技能介绍 www.bfupu.icu 一氧化碳吸入裝置的設計與實現,目的一氧化碳 (carbon monoxide, CO) 是一種重要的內源性介質, 可用于**新生兒持續肺動脈高壓、急性肺損傷等嚴重**。但目前有關一氧化碳吸入裝置的報道較少, 因此本文設計并實現了一種與呼吸機聯用的一氧化碳吸入裝置以滿足臨床需求。方法 通過氣體稀釋公式計算出在**條件下CO標氣的流量, 并由轉子流量計控制CO標氣送入呼吸回路, 采用CO電化學傳感器對進入患者前的**氣中CO濃度進行檢測, 具有實時監測、顯示濃度、超標聲光報警等功能, 并與呼吸機聯用后檢驗了該裝置的示值誤差和響應時間。結果 該裝置的示值誤差為2.2%, 響應時間平均為23.5 s, 能滿足臨床實驗的需求。結論 本文所研發的與呼吸機聯用吸入裝置的濃度監測范圍、輸出流量、響應時間及顯示精度等技術參數滿足預期的設計要求。

一氧化碳 (carbon monoxide, CO) 因其更易于和體內血紅蛋白結合引發機體中毒, 曾長期被人們視作有毒氣體。直到1991年, Marks等[1]發現一氧化碳具有重要的生理作用, CO才受到研究者的關注。新近的研究結果表明, CO的確是一種重要的細胞信使分子, CO通過增加細胞內環磷酸鳥苷 (cyclic guanosinc monophosphate, c GMP) 生成, 導致血管舒張和抑制血小板凝集, 從而在各個組織系統中發揮重要的**、抗凋亡及抗氧化應激作用[2,3]。CO還具有調控血管張力、參與**調節、?;ど窬壬镅ё饔肹4~6]。Lo等[7]證實CO與心血管中心、壓力反射調節以及神經傳遞有關。宮麗敏等[8]應用**組織化學技術及原位缺口末端標記法研究了CO對缺氧大鼠肺動脈平滑肌細胞增殖和凋亡的調節作用, 進而改善缺氧性肺血管的重建機制。有關CO的生物學性質及其在多種臨床****中的作用開始受到高度重視, 而相關的CO吸入裝置卻少有報道, 王燦等[9]使用了7中不同濃度的標準CO壓縮氣瓶, 經減壓閥減壓后由受試者通過非復吸面罩吸入, 發現吸入CO濃度≤60 ppm (1 ppm=1μL/L) 在新生兒肺炎中是安全的。國外也有研究使用了一些簡易的CO吸入裝置來探討CO吸入療法在**和動物應用中的安全性[10,11], 但這些簡易的CO吸入裝置不能對CO的濃度進行準確的調節和監測, 也不具備CO濃度超標報警功能, 因此限制了臨床對CO吸入療效的評價, 另一方面考慮到目前正在廣泛使用的一氧化氮 (NO) 吸入儀**存在部分患者反應不佳和產生毒性氮氧化合物的問題[12], 因此研制出控制**、調節靈活、安全性好的CO吸入裝置具有重要意義。
         
 圖1 CO吸入裝置原理框圖 (粗實線表示氣路, 虛線表示電路)
1 設計要求
根據用戶臨床實驗需求, 對于一氧化碳吸入裝置需首先設置其CO氣體的濃度和流量, 并能將呼吸機輸入的空氣和CO氣體按比例混合后輸送到患者呼氣端口, 同時對混合后的氣體進行實時監控, 當CO氣體濃度過高或者過低儀器能夠進行聲光報警, 為此研制一氧化碳吸入裝置, 且需達到的主要技術指標如下。
(1) CO濃度在0~200 ppm范圍內可調, 誤差為應為讀數值的±4%。
(2) CO顯示分辨率:當一氧化碳濃度<100ppm時, 顯示分辨率應為0.1 ppm;當一氧化碳濃度≥100 ppm時, 顯示分辨率應為1 ppm。

圖2 輸送系統原理框圖
(3) 一氧化碳濃度監控和誤差:一氧化碳高濃度監控設定范圍應為5~200 ppm, 當監測值超過預設值時, 儀器會發出聲光報警, 誤差應為±1 ppm;CO低濃度監控設定范圍應為0~195 ppm, 當監測值超過預設值時, 儀器會發出聲光報警, 誤差應為±1 ppm。
(4) CO吸入裝置的響應時間不應超過30s。
2 系統原理
所設計的CO吸入裝置主要由電磁閥、氣體流量計、抽氣泵、CO傳感器和主控電路等組成, 其結構如圖1所示。
該吸入裝置主要由輸送系統和監控系統組成[13]。輸送系統功能主要是保證CO標氣持續地與呼吸機供給的氣體混合形成含有一定CO濃度的**氣體, 供患者吸入。首先CO標氣是以N2為底氣的混合氣體, 濃度根據實驗需求配置成1000 ppm的醫用標準氣體, 流量計采用的是玻璃轉子流量計, 儀器工作時, CO標氣經減壓閥減壓后, 儀器控制電磁閥打開, 醫護人員根據患者所需的CO濃度調節流量計將一氧化碳送至呼吸機吸氣管道內后與呼吸機供氣混合后成為**氣體, 經“Y”形管由患者吸入**。監測系統主要功能是對混合后的**氣體進行檢測, 該吸入裝置使用期間兩位三通電磁閥也處于打開狀態, 抽氣泵采樣適量氣體輸送到CO傳感器, 對**氣體濃度進行監測, 若檢測的濃度大于所設置的*高濃度或者濃度低于所設置的*低濃度時, 單片機會驅動蜂鳴器進行報警, 直到醫護人員調節流量計到所設置的合理濃度, 報警才會消除。
3 結構設計
3.1 輸送系統
輸送系統主要由CO標氣、電磁閥、轉子流量計 (0~100 m L/min, 0~500 m L/min) 及呼吸機等構成, 其原理如圖2所示。
在呼吸機產生空氧混合氣后, 吸入裝置打開進氣電磁閥, CO標氣經轉子流量計調節進入呼吸回路, 與空氧混合氣混合形成含有一定濃度CO的氣體, 供患者吸入。在使用時, 應先設置好呼吸機的各項**參數, 如吸呼比、呼吸頻率以及呼吸機的通氣流量 (Fv) 等, 然后根據患者病情或者臨床實驗需求確定**氣體濃度 (CCO設) , 依據氣體稀釋公式 (1) 計算出轉子流量計的供給流量 (FCO) , 然后調節轉子流量計到指定流量, 釋放CO標氣, 完成氣體的混合。氣體稀釋公式如下:

式中:FV為呼吸機通氣流量;FCO為轉子流量計流量;CCO設為CO**濃度;CCO標為CO標氣。
由公式 (1) 可知, 患者所需要的**濃度與CO標氣濃度、轉子流量計調節的流量, 以及呼吸機的通氣量有關。這里CO標氣濃度即醫用CO鋼瓶中的CO濃度, 患者所需要的**濃度在臨床實際中需由醫護人員根據患者的病情決定, 呼吸機的通氣量由患者的年齡與身體狀況決定。假設所需**濃度為20 ppm, 呼吸機的流量為5 L/min, 即潮氣量為334m L, 呼吸頻率設為15次/min, 由式 (1) 可得FCO約為100 m L/min, 即調節轉子流量計為100 m L/min。

圖3 硬件電路的原理框圖
圖2中的轉換電磁閥為二位三通的電磁閥, 由主控電路控制, 用來轉換監測的氣體是**氣體還是環境氣體, 當環境氣體中CO濃度過高時, 同樣會驅動報警, 并表示該裝置可能發生泄漏。
3.2 監測系統
監測系統主要通過對主控電路的設計來實現該吸入裝置的實時顯示濃度, 超標聲光報警等功能。主控電路的設計以ATmega2560單片機為核心, 與電源電路、信號處理電路、聲光報警電路、OLED顯示電路、按鍵控制電路、電磁閥控制電路、負壓吸氣泵電路等外圍電路構成一套完整的系統, 其結構如圖2所示。本文將介紹其中幾個重要???。
3.2.1 信號采集電路
本設計選用的CO傳感器是瑞士membrapor公司的CO/CF-200電化學一氧化碳傳感器。電化學傳感器因其靈敏度高, 體積小, 操作簡單, 攜帶方便而被廣泛應用[14]。電化學傳感器利用被檢測氣體在其敏感電極進行氧化還原反應, 在工作級輸出與氣體濃度成正比的電流, 通過對電流的放大與轉換, 從而達到實時測量CO濃度的目的, 本設計采用的電化學傳感器具體參數如表1所示。

 表1 CO傳感器參數Table 1 Parameters of carbon monoxide sensor
電化學傳感器輸出的電流信號十分微弱, 而且容易受到外界環境因素的影響。所以要經過放大電路將微弱的電流信號放大并轉換到處理器工作電壓范圍之內, 具體的信號采集電路如圖3所示。
該圖的電路主要包括CO/CF-200傳感器, 恒電位電路和I/V變換電路。其中R22、R23、C22構成恒電位電路。Q4為?;さ緶? 保證感測極和參考電極處于相同的電勢從而防止傳感元件上電沖擊以及縮短啟動時間。傳感元件的工作極經過電阻R30到運算放大器的輸入端將電流信號轉換為電壓信號。輸入電流與電壓的關系由公式 (1) 可計算:

              

圖4 信號采集電路
將參考電壓VRR=1.3 V, 代入得V7=1.3+0.007n, 式中n代表CO氣體的濃度, ppm。由式 (1) 可知, 當檢測濃度n在0~200 ppm之間波動時, V7在1.3~2.7 V之間, 滿足A/D轉換電路的正常工作范圍。
3.2.2 吸氣泵電路
負壓吸氣泵通過在管道里產生一個負壓將**氣體或者環境氣體吸入至傳感器進行檢測。氣泵的選擇需要考慮兩個因素, 一是流量不能過大, 否則會影響**效果, 二是流量不能過小, 太小會達不到傳感器的檢測范圍 (該裝置需求的流量為100 m L/min) 。本設計選用的是SP200EC-LC (德國, Schwarzer Przision) 型負壓吸氣泵, 其主要參數為:直流工作電壓5 V, 當輸出口的阻力為0時, 流量為680 m L/min, 滿足實驗裝置的需求。負壓吸氣泵的電路如圖4所示。
4 儀器標定與檢驗
4.1 儀器標定
由于CO傳感器本身的線性度比較好, 因此儀器的標定采用兩點標定法。首先將儀器置于純凈空氣中, 待顯示數據穩定后將此點作為**點即零點并調整儀器顯示值為零;然后將濃度為27.8 ppm的標準CO氣體通入儀器并調整標準氣瓶氣體流速為200 m L/min, 保持氣流穩定流過傳感器約1 min, 待顯示器讀數穩定后, 將此點的濃度作為第二點并調節儀器顯示值為27.8 ppm, 然后關閉氣瓶, 由此完成儀器的標定。

圖5 采樣氣泵控制電路
4.2 儀器檢驗
一氧化碳吸入裝置的標定之后, 還需對儀器的精度誤差、響應時間進行檢驗[15]。本次實驗使用是德爾格公司生產的Drager呼吸機, 與一氧化碳吸入裝置連接后實物圖如圖6所示。
4.2.1 一氧化碳吸入裝置的示值誤差
首先將呼吸機的潮氣量設為334 m L, 呼吸頻率設為15次/min, 使得呼吸機的傳送的流量為5L/min, 使用的標準CO氣體濃度為1000 ppm, 然后調節CO吸入裝置的流量計, 使其從50 m L/min開始以50 m L/min遞增直到600 m L/min, 每次待數據穩定后記下, 重復實驗3次, 并根據示值誤差計算公式 (3) 計算。

圖6 CO吸入裝置與呼吸機聯用實物

                  
式中:Δe為示值誤差;珔A為讀數算術平均值;As為理論氣體濃度值;R為量程 (200 ppm) 。
實際測得的CO濃度、平均值以及示值誤差如表2所示。

由表2可知當待測氣體中CO濃度較大時, 示值誤差較大, 誤差出現的原因可能是:手動調控轉子流量計時出現的誤差, 轉子流量計調節精度較差以及氣體濃度與采樣電壓之間并非完全的線形關系等。CO的示值誤差平均為2.2%, *大示值誤差為3.7%小于滿量程的4%, 滿足設計的要求。
4.2.2 CO濃度調節響應時間測量
CO濃度的調節主要是通過流量計向呼吸機內輸入的CO流量來實現的, 當呼吸機的流量不變時, 調節轉子流量計的流量越高, **氣體中CO的濃度就會越高, 而且它們的關系是線性的, 但CO的濃度不是在極短時間內就能變化到理論值的, 定義響應時間T為從CO標氣流量變化開始, 到儀器顯示的CO濃度值達到穩定所需要的時間, T是反應儀器靈敏度的一個重要指標。同樣將呼吸機的潮氣量設為334 m L, 呼吸頻率為15次/min, 流量計的流量從50 m L開始以每次50 m L/min的流量遞增直到600 m L, 重復實驗3次, 記錄數據如表3所示。

 表3 CO吸入裝置的響應時間
響應時間T主要由氣體在管路中混合運輸時間以及傳感器的響應時間組成, 由表3可知響應時間平均為23.5 s小于30 s, 滿足設計的要求。
5 小結
由于本文設計的一氧化碳吸入裝置采用了精度較好的轉子流量計, 靈敏度高的電化學傳感器以及高性能低功耗的ATmega2560單片機, 通過與呼吸機聯用檢測, 主要指標中響應時間、精度誤差、報警設置等也都滿足預期的設計要求, 并且具有實時顯示濃度、超標聲光報警, 改變監測模式等功能, 因此該吸入裝置可滿足相關臨床實驗的應用需求。

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