基于物聯網下新型呼吸機的設計研究

陳金虎　白浩笛　竹永寬　梁一星　童慧聰

關鍵詞：物聯網；呼吸機；遠程醫療

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0089-03

1 前言

當下，呼吸機作為臨床醫療中新一代重要醫療儀器，在預防和治療急慢性呼吸衰竭、減少呼吸類疾病帶來的各種并發癥，以及挽救患者和延長重癥患者生命過程中有著較為重要的意義。在現代康復醫療領域中，呼吸機也占據著十分重要的市場地位。由于呼吸機能夠直接替代人體的自主控制通氣功能，因此已被廣泛地應用于治療各種原因導致缺氧的急慢性呼吸器官衰竭、大手術搶救、麻醉性通氣呼吸復蘇管理和各種緊急呼叫復蘇治療中[1]。

2 研究目的和意義

2.1 研究背景

呼吸是人類生存不可或缺的一種新陳代謝方式，正常情況下，健康的人類可以通過呼吸攝入的氧氣滿足人體各器官氧化代謝的需要，但是如果呼吸系統的生理功能出現問題時，就需要像呼吸機一樣人工輸送氧氣的急救設備為醫生治療提供輔助且有效的幫助[2]。

近幾年，隨著全球環境污染的加劇，全球感染肺部疾病的人數已達6億之多，這使得呼吸機設備變得供不應求。然而，任何技術的發展的同時也伴隨著問題的產生，呼吸機技術也同樣不可避免。因此，智能化呼吸機的出現迫在眉睫[3]。

2.2 國內外發展現狀

目前，醫院對呼吸機的使用存在一系列的問題，集中表現為：呼吸機參數的偏差、氣源不足、自檢失效、設備的管理和維護不到位。呼吸機參數出現偏差時，會嚴重影響到所得數據的精確性，甚至也會使得測量人員無法得出準確的判斷；氣源不足也會影響到呼吸機的使用，機器的零件損耗問題要及時處理，避免影響到設備的工作性能；自檢失效意味著呼吸機無法正常檢索自身的問題，可能導致問題無法及時解決；設備也需要定期保養，否則會出現短路、斷路、接觸不良等問題[4]。

現在市面上呼吸機的工作原理是根據人的常規呼吸在于內外氣體的壓力差原理設計的，其主要的操作方式是人為控制氣體流速，但是不能根據患者實際需要隨時改變氣流速度，使患者呼吸系統長時間處于強氣流或弱氣流中，會對患者的呼吸系統造成不可逆轉的傷害[5]。

2.3 研究現狀

本項目研究的新型智能呼吸機，是基于物聯網傳感技術實現對呼吸機使用情況的智能調控。呼吸機是一種能夠代替、控制或改變人的正常生理呼吸，增加肺通氣量，改善呼吸功能，減輕呼吸功能消耗， 節約心臟儲備能力的裝置。傳感技術是整個物聯網系統運行的基礎，賦予了萬物“感官”功能。應用物聯網傳感器的感知層檢測并獲取物品信息完成初步的數據整合處理，依托傳感器與傳感網絡的相互協調感應機制，并融合嵌入式計算、微電子、網絡通信等技術，通過各類高度集成化的微型傳感器，實現實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息。而本項目研究的新型智能呼吸機是二者結合的產物，其發展前景與市場優勢具有很大的潛力[6]。

2.4 研究意義

呼吸機的主要特點：1）重要性：其作用是搶救、通氣，它可以直接影響患者的搶救成功率；2）普及性：目前醫院、急診、ICU病房中均需使用呼吸機；3）價值性：機械呼吸技術和電子技術不斷發展，呼吸機作用日益增強，從而導致費用極高；4）復雜性：呼吸機內部構造復雜；5）危險性：呼吸機是一種與患者生命息息相關的急救儀器，構造復雜且容易發生故障，有一定危險性。因而呼吸機的后期保障工作必須要做到位，以延長它的使用時間。呼吸機在使用后必須進行徹底的消毒和維護，以節省時間和提高搶救成功率。本項目研究的智能呼吸機便針對其特點和需求進行設計與改善，具體表現如下。

首先，本項目研究的智能呼吸機改變了現在市面上呼吸機人為控制氣體流速且長時間無法調控氣流強弱的弊端，利用物聯網傳感技術實時監測患者的呼吸情況，做出相應氣流的改變，使其減少對患者呼吸系統的傷害；其次，通過傳感器與傳感網絡的協調機制，判斷出患者的呼吸強弱情況，并實時調整為最適合患者現實情況的氣體流速，以達到對患者的有效治療，同時又使患者使用舒適；最后，在呼吸機的功能設計方面，為其氣管內側添加了水分供給裝置，供需要長時間使用呼吸機的患者提供合適的水分補充，以保證患者鼻黏膜濕潤，達到幫助患者稀釋和排除痰液的作用，如圖1所示。

3 新型呼吸機的功能

3.1 遠程醫療監護

新型呼吸機可以實時監測患者的健康狀況，并且能夠將采集的數據傳到使用者的電子病例或醫院監控系統中，供醫務工作者隨時查看。若發現數據異常，可及時進行診斷和治療，提高診斷和治療水平。醫院和健康中心需將物聯網技術更快、更好地應用于遠程醫療監護系統中，實現普遍的實時健康監測和護理[7]。

3.2 智能調控

新型呼吸機可以隨時根據使用者的數據進行呼吸機數據參數的修改，以保證使用者能夠在自己需要的氣體環境下正常呼吸，而不是在醫生根據經驗設置的參數，長時間呼吸同一強度下，特別是昏迷的使用者，醫生不能得到使用者的具體情況，這樣不僅會使使用者不適，還有可能損壞使用者的呼吸系統。新型呼吸機還可以在使用者各項數據趨于平穩時，控制氣流強度，來引導使用者自己呼吸，從而增強呼吸系統的呼吸能力。

4 新型呼吸機的工作原理

隨著信息技術的不斷發展，物聯網技術也逐漸興起，并且朝著未來智能化、自動化的發展方向。物聯網是一種通過傳感網絡采集識別物品信息，并將其傳送至互聯網內，通過后臺服務器上的信息分析處理過程，來實現對于物品的管理與控制。隨著物聯網技術在遠程醫療、遠程監護等領域的應用，呼吸機也在向著網絡化方向發展，本文研究的呼吸機通過可選的Wi-Fi或藍牙方式與移動客戶端建立通信連接，可以進行實時參數、呼吸報告、遠程治療方案的傳遞，通過與遠程醫療服務器進行數據交互，可以實現遠程醫療監控和診斷等功能，如圖2所示。

4.1 信息的采集

為了保障儀器的靈敏度和數據的精確性，選擇用壓電傳感器作為呼吸測量的“感覺器官”，將其置入或連通氣道，調整好參數，它就可以用于檢測并獲取使用者信息并完成初步的數據整合處理。在醫療監護應用中，信息的采集通過傳感器節點來對監護對象的生理信號或所在環境信息進行檢測。在呼吸機系統中，通過設置在氣道中的壓力傳感器或流量傳感器，新型呼吸機設備在為使用者提供氣體時，也在實時采集用戶的氣道壓力及流量信息，根據相關呼吸信號處理算法，獲取用戶在呼吸治療過程中的潮氣量、呼吸頻率等參數，并對各種呼吸異常情況進行檢測與處理，如圖3所示。

4.2 信息的傳送

傳送功能負責實現與外部網絡的通信功能，傳輸方式可以選擇Wi-Fi、藍牙等短距離傳輸方式，也可以通過GSM、GPRS等遠程數據通信方式。呼吸機系統提供了可選的Wi-Fi與藍牙兩種數據通信方式來完成用戶治療數據的傳輸。通過Wi-Fi或藍牙方式，呼吸機控制系統可以將檢測到的氣道壓力、呼吸流量、潮氣量等治療參數實時傳遞至移動客戶端，還可以在一次完整的呼吸治療過程結束后根據用戶的治療數據生成呼吸報告傳送至移動客戶端，并由移動客戶端將用戶治療數據上傳至遠程醫療服務器，實現遠程醫療監控功能。

4.3 信息的反饋

新型呼吸機通過獲得的數據與世界衛生組織的數據進行比較，如果所得數據與衛生組織的數據相差較大，將會啟動預警信號發給使用者的主治醫生，讓醫生可以更快地了解到使用者的相關信息。同時新型呼吸機也將啟動自身調節系統，改變相應的呼吸機參數，使使用者達到最適的氣體環境下，為醫生的準備提供充足的時間。在平時的醫療監護應用中，呼吸機服務器對使用對象的生理參數或醫療數據進行存儲，可以提供給醫療專家進行病情監控，通過對相關治療數據的分析，醫療專家可以進行遠程診斷，并將診療方案傳遞給使用對象，從而降低疾病治療的難度。

5 結束語

隨著中國科學技術和醫療水平的不斷提高，我們不僅要更好更快地治療患者，更要讓患者在接受治療時減輕痛苦。未來物聯網在臨床數據中的應用，將有助于提高相應儀器的性能，識別數據資源的整合，減輕醫療專業人員的工作量，有助于深化數據管理，減少差錯和事故，提高運行效率，提高現代醫院管理水平。隨著物聯網技術的日益成熟，醫院將會轉變為人性化、主動、精準、創新的服務模式，實現智能管理、臨時醫療流程、智能供應鏈管理等，滿足人們對高質量醫療衛生服務的需求。