技术领域
[0001] 本
发明属于机械医疗技术领域，尤其涉及一种新型变压变位机械通气系统，是一种针对呼吸困难、呼吸窘迫综合征（ARDS）及急性呼吸衰竭的患者实施救治的非损伤性机械通气设备，该设备结合同步变位和变压两种辅助呼吸模式，完成无创、高效通气。
背景技术
[0002]
呼吸机作为一种重要的医疗仪器，它的控制方式关系到病人的安全性、舒适度以及
治疗的可靠性、时效性。因此，呼吸机系统控制方式的合理选择尤为重要。近年来，随着计算机技术的应用，呼吸机研究中的智能控制技术得到了快速发展，掌握和运用呼吸机智能控制技术拓宽其应用范围，对提高了急危重症呼吸衰竭患者救治成功率，延长患者的存活时间具有重要作用。
[0003] 自20世纪80年代以来，机械通气技术迅速发展，1981年Servo 900c和Engstrom呼吸机开发出压
力支持通气(Pressure Support Ventilation, PSV)模式，PSV与SIMV很快成为部分通气支持的常用模式。1980年Gattinoni采用体外CO2去除(ECco2R)技术与低频
正压通气相结合治疗急性呼吸衰竭，可降低急性呼衰的死亡率。Ravizza于1983年发现延长吸气时间可改善
氧合，从而提出反比通气模式。美国伟康公司于1989年研制出双
水平气道
正压通气(BiPAP)模式，尤适宜于睡眠呼吸暂停患者。
[0004] 机械通气技术已经历了数百年的改进和完善，如今正压通气技术已经成为了当前治疗呼吸衰竭、实现呼吸维持的主要手段，应用了到社会各级主要医院。但是正压通气也存在着诸如呼吸机相关
肺炎、肺损伤、动态性过度充盈、低血压和撤机困难等弊端，使得该技术在实现呼吸维持功能的同时也给病患者带来了更严重的生命威胁。随着人类物质文明和精神文明的高速发展，人类的要求已不是过去那种能挽救生命、保住生命，而是追求治疗的安全性、微创或无创、无后遗症，为了满足发展要求，许多人一直在致力于对正压通气技术的改进完善研究，但由于正压通气技术自身存在的
缺陷使得这些改进方法没有达到明显的效果，因此大家都在寻求更加安全有效的新的机械通气方法。
发明内容
[0005] 针对上述
现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种新型变压变位机械通气系统，本发明的机械通气系统结构简单、成本低廉，打破了正压机械通气的传统模式，通过巧妙地运用与呼吸同步变换体位和对斜俯卧位悬空腹变压的方法，通过重力和
惯性力的作用，充分调动、发挥膈肌的呼吸潜能，不仅充分利用横隔膜在呼吸过程中的效用，而且提高了呼吸潮气量。
[0006] 为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：一种新型变压变位机械通气系统，其特征在于，包括转动床体、旋转
支架、落地支架以及
电路控制及驱动单元，所述的转动床体包括头胸托板（1）、头面托枕（2）、腹部托板（3）、腹部托板
转轴（4）、腹腿托板（5）、小腿托板转轴（6）和小腿托板（7），所述的头面托枕（2）安装在头胸托板（1）上，所述的腹部托板转轴（4）连接在腹部托板（3）和腹腿托板（5）之间，所述的腿托板转轴（6）连接在腹腿托板（5）和小腿托板（7）之间；所述的旋转支架包括固定架转轴（10）、床体固定架（11）和圆弧轮（13），所述的转轴（10）通过四根金属臂与床体固定架（11）相连，所述床体固定架（11）将圆弧轮（13）与转动床体连成一体；所述的落地支架包括
支撑脚架（14）和支撑底架（15），所述的支撑脚架（14）与固定架转轴（10）相连；所述的电路控制及驱动单元包括电路控制箱（8）、摇杆驱动单元（9）和
电机驱动轮（12），所述的电路控制箱（8）安装在头胸托板（1）的下方，所述的摇杆驱动单元（9）连接腹部托板（3），所述的电机驱动轮（12）驱动圆弧轮（13）转动。
[0007] 该新型变压变位机械通气系统中，所述电路控制箱（8）控制电机驱动轮（12）旋转使圆弧轮（13）与转动床体一起前后来回滚动；所述的摇杆驱动单元（9）包括动力电机和减速器，将电机的旋转运动转换成腹部托板（3）的上下往复运动；系统采用PC机作为上位
控制器，通过编程对数字运动控制卡，进行输出控制，完成电机要求动作，所述的数字运动控制卡型号为Advantech PCI-1240。
[0008] 本发明的有益效果是：本发明采用伏卧同步变压、变位方式进行辅助呼吸，伏卧同步变位时，当患者开始吸气后，人体由平躺变为倾斜，此时横隔膜因受到重力和惯性力的作用而向足侧移动，形成肺内
负压，辅助吸气；而当患者开始呼气后，人体由倾斜变为平躺，此时横隔膜因受到重力和惯性力的作用而向头侧移动，对肺部形成正压，辅助呼气。俯卧同步变压，是令患者斜俯卧在有腹下托板的床体上，当患者开始吸气后，腹下托板从床面
位置开始下移最终至脱离腹部的位置，此时患者腹部悬空、下垂，拉动横隔膜向足侧移动，形成肺内负压，辅助吸气；当患者开始呼气后，腹下托板开始向上复位，最后恢复至床面位置，此时患者腹部被向上托压，横隔膜向头侧移动，形成肺内正压，辅助呼气。同步变位压，是俯卧同步变位和同步变压的双重作用，能更有效地形成肺内正、负压，辅助呼、吸气。
[0009] 与基于传统正压通气方法的呼吸机相比，该新型变压变位机械通气系统有如下几个特点：(1) 无创通气。该新型变压变位机械通气系统采用的是托压腹部和变换体位的方法实现通气，无须经鼻插入
导管或割开喉咙，因此实现了真正意义上的无创通气。
[0010] (2) 高效通气。实验表明斜俯卧位时与呼气时相同步托压悬空的腹部所测得的潮气量和以大
角度与呼吸同步变换体位时的潮气量相近，均高达静态时的2倍以上，对受试者同时实施上述两种方法，所测得的潮气量可高达静态呼吸潮气量的3倍以上；与呼吸同步变换体位时测得的潮气量均明显大于各种体位静态时的潮气量，有的甚至可高出静态的1倍以上。
[0011] 腹部托压机械通气系统分为两个基本工作模式：(1) 辅助通气(Assited Ventilation, AV)模式：是自主呼吸与呼吸床通气同步
叠加的通气模式，呼吸
频率由患者呼吸决定，并由患者触发机械通气，潮气量则由呼吸机决定。
用呼吸
传感器信号控制人工呼吸床，使床体腹部托板的变化幅度由潮气量测值
自动调节。
人工呼吸床的呼、吸动作时相分别占自主呼、吸时相的2/3；
(2) 控制通气(Control Ventilation, CV)模式：指不用自主呼吸触发，呼吸床完全按照预先设定的腹压工作。当潮气量低于预先设置的值时，腹部托板的变位频率和幅度自动增大，先增幅度后增频率。托
压板角度变化范围为0～45°可调，频率6～20次/分可调。
吸、呼时相比为1：2~1：4可调，人工呼吸床的呼、吸动作时相分别占自主呼、吸时相的2/3。
[0012] 本发明的机械通气系统结构简单、成本低廉，巧妙地运用与呼吸同步变换体位和对斜俯卧位悬空腹变压的方法，通过重力和惯性力的作用，充分调动、发挥膈肌的呼吸潜能，不仅充分利用横隔膜在呼吸过程中的效用，而且提高了呼吸潮气量。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
[0013] 图1是该通气系统的整体结构示意图；图2是该通气系统的呼吸床主视图；
图3是该通气系统的呼吸床俯视图；
图4是该通气系统的呼吸床左视图；
图5是该通气系统的腹下托板架主视图；
图6是该通气系统的腹下托板架俯视图；
图7是该通气系统的腹下托板架左视图；
图8是该通气系统的控制总体
框图；
图9是该通气系统的
软件总体框图；
图10是该通气系统的初始化
流程图；
图11是该通气系统的运动过程主程序流程图。
具体实施方式
[0014] 图1是该通气系统的整体结构示意图，包括转动床体、旋转支架、落地支架以及电路控制及驱动单元，所述的转动床体包括头胸托板（1）、头面托枕（2）、腹部托板（3）、腹部托板转轴（4）、腹腿托板（5）、小腿托板转轴（6）和小腿托板（7），所述的头面托枕（2）安装在头胸托板（1）上，所述的腹部托板转轴（4）连接在腹部托板（3）和腹腿托板（5）之间，所述的腿托板转轴（6）连接在腹腿托板（5）和小腿托板（7）之间；所述的旋转支架包括固定架转轴（10）、床体固定架（11）和圆弧轮（13），所述的转轴（10）通过四根金属臂与床体固定架（11）相连，所述床体固定架（11）将圆弧轮（13）与转动床体连成一体；所述的落地支架包括支撑脚架（14）和支撑底架（15），所述的支撑脚架（14）与固定架转轴（10）相连；所述的电路控制及驱动单元包括电路控制箱（8）、摇杆驱动单元（9）和电机驱动轮（12），所述的电路控制箱（8）安装在头胸托板（1）的下方，所述的摇杆驱动单元（9）连接腹部托板（3），所述的电机驱动轮（12）驱动圆弧轮（13）转动。
[0015] 图2~4是该通气系统的呼吸床三视图，其中头胸托板留有椭圆形口孔，考虑便于使用呼吸器。它与中间的腹腿托板构成悬腹孔，可由它的调头安装改变悬腹孔的形状，可略加平移头胸段以改变悬腹孔头足向跨度尺寸。 腹腿托板托起患者身体的耻骨联合、髋骨和大腿部，腹部可由腹下托板托起，小腿托板除了托起小腿之外还起到抵住身体下滑的作用，头胸托板的支架下有调节床体倾斜角度
手柄，可调节床体使用角度，头面托枕用于托起头面部，托枕下面的开口方便受试者佩戴呼吸面罩。
[0016] 图5~7是该通气系统的腹下托板架三视图， 腹下托板架连接摇杆机构，在电机的作用下进行上下运动，完成腹部的变压过程，辅助病人呼吸。
[0017] 图8是该通气系统的总体框图，系统采用PC机作为上位控制器，通过编程对数字运动控制卡Advantech PCI-1240进行输出控制，从而
驱动电机按要求动作。根据腹部托板的动作特性可知，力矩输出要求低转速、大力矩，因此在采用
伺服电机与减速器配合以满足要求。PCI-1240伺服运动控制卡采用
PCI总线技术与上位机（微机）连接，伺服
驱动器和运动控制卡的连接根据不同的控制方案有不同的连接方式，主要有速度控制、位置控制和转矩控制，本实验用床控制系统采用位置控制，之间的连接方式主要有CW脉冲、CCW脉冲、伺服反馈以及伺服ON输出。PCI-1240伺服运动控制卡既可以支持DOS平台，也可以支持Windows平台。在Windows下采用32位动态连接库驱动程序，可以在VC、VB、BC++和Delphi等环境下实现对控制卡的底层操作，开发出界面友好的控制系统。
[0018] PCI-1240 4轴步进/脉冲伺服
马达控制卡的设计,适用于通用型极端动作应用。PCI-1240为PCI总线用高速4轴动作控制卡,可简化步进式及脉冲式伺服马达控制,并充分发挥马达潜能。该卡使用NOVA® MCX314动作ASIC芯片，内建多种动作控制函数，如T/S曲线
加速率/减速率等。进阶应用更提供Windows DLL驱动程序及容易上手的实例，以降低用户程序设计的工作负担。而且，透过免费的随机动作公用程序，使用户可以轻易的完成组态设定及环境诊断。
[0019] 图9是该通气系统的软件总体框图，依据软件设计要求，腹压通气实验用床智能控制软件系统采用模
块化设计思想，以便于管理和升级。软件共包括如下四大模块：1、呼吸
信号处理模块。实现呼吸气流信号采集、滤波处理、呼吸周期计算、呼吸周期预测功能； 2、腹部托板驱动模块。实现托板复位、托压控制通气、托压同步辅助通气功能； 3、实验数据存储模块。实现实验数据实时存储功能； 4、
人机界面模块。实现控制输入
接口、状态输出接口功能。
[0020] 通过各模块相互配合工作，可以形成腹压通气实验用床的智能控制系统。软件启动后，腹部托板驱动模块自动执行复位操作，将托板回归到与床体平行，同时呼吸信号处理模块按人机界面设定任务开始工作，将采集到的气流信号进行滤波处理，计算得到呼、吸周期，并应用多
算法混合预测算法对呼、吸周期进行预测；腹部托压驱动模块取得预测结果，并根据人机界面命令和呼、吸触发信号驱动托板；通过人机界面设定，人机界面模块可以对实验数据进行选择性存储。 软件编程工具采用微软公司的Visual C++ 6.0，
数据库系统为Access， 图10、11分别是该通气系统的初始化流程图和运动过程主程序流程图。
[0021] 为了避免系统受到干扰，影响正常工作，应在电机驱动器的电源输入线上连接二次无源
滤波器，所有信号线均换成屏蔽线（除膈肌信号采集导管非屏蔽），给电机和驱动器分别制作了3cm厚的屏蔽
铁盒，电机驱动器、信号采集与放大设备、屏蔽线均统一接地。
