一种呼吸机的制作方法

本实用新型涉及医疗器械领域，更具体地，提出了一种呼吸机。

背景技术：

呼吸机作为一种能够替代或辅助病人完成机械通气的医疗设备，在临床上已普遍应用。对于那些上了呼吸机的病人，通常情况下不能自行排痰。如果痰液、痰痂在呼吸道内堆积，会直接影响呼吸道的通畅和有效通气，从而造成患者呼吸急促、血氧浓度下降，严重造成呼吸衰竭、肺不张。同时痰液也是细菌的温床，可能会造成患者呼吸系统感染，加重病情。因此，及时而有效的清除痰液是非常必要的，定期吸痰已经成为临床对呼吸机病人护理的核心工作之一。常规的方式是吸痰管吸痰，但是这种侵入式的吸痰方式，由于局部的负压很高，加上导管的插入和移动，很容易对气道造成伤害或气道疤痕，同时，会中断病人的机械通气，另外痰液的清除也不是很彻底。

专利WO2007054829首次提出了一种与呼吸机联合工作，辅助病人呼吸、咳嗽，去除病人气道分泌物的咳痰系统，病人咳痰时不必中断病人的正常呼吸，可以根据预设的咳痰时间和咳痰次数对病人进行咳痰，能够随时、即时咳痰。专利CN 201510657436.2则进一步丰富了该专利，提升了该咳痰系统的安全性、临床适应能力，避免了咳痰机工作时呼吸机的报警等问题，咳痰机咳出的痰被收集到一个集痰容器里，再定期由护士通过医院配置的中心负压吸引系统将痰液吸走。

在以上所列两个专利中，咳痰机的触发咳痰是依靠系统中的压力或流量传感器来判断呼吸机对病人实施机械通气的进程，也就是说，呼吸机和咳痰机是没有通讯的，咳痰机只是被动地通过检测呼吸机气路的压力信号，再进行处理、分析得到呼吸进程的信息，但这通常会带来以下五个问题：

1、精确性和响应快速性：毕竟是两台不同的机器，不能做到呼吸机与咳痰机工作的真正同步。在咳痰系统的压力或流量传感器检测到呼吸机的呼吸进程压力信号转换成电信号后，这个信号要经过传输、放大、过滤、A/D转换后，再交由信息处理器处理，判断、发出指令，然后再经过D/A转换、功率放大，可驱动的直流电压，驱动阀门或风机工作。这会在控制上有一定程度的时间滞后，影响咳痰效果。

2、安全性：受制于各种环境条件，呼吸进程的检测可能会带来错误的结果，容易造成误判断，呼吸管路内部条件很复杂，气态的水蒸气和液态的水，甚至病人咳出的痰，有可能分布于呼吸管路的各个角落，这些因素会直接影响压力或流量传感器的检测结果的精度，甚至是错误的结果。从而造成安全隐患。

3、咳痰的实施只能由医生根据阶段来执行，系统不能全程自动完成，不能满足临床需求。咳不咳痰必须由医生或护士主观人为判断决定，无法达到真正的全自动和更好地满足临床需求。

4、没有对PEEP病人的咳痰提出可行的方案。

呼气末正压(positive end expiratory pressure，PEEP)主要用于低氧血症、肺炎、肺水肿，大手术后预防、肺不张、COPD等患者，主要功能是增加患者的氧合、防止肺泡塌陷。当这类患者需要清理气道痰液时，如果撤掉呼吸机进行常规的吸痰管操作，等于一段时间内中断或削弱了患者的氧合，使患者的肺泡直接暴露于压力低于PEEP值的大气中，显然对病人是非常不利的。专利WO2007054829和专利CN 201510657436.2阐述的咳痰方法并没有针对PEEP病人如何进行咳痰进行阐述，但就本领域技术人员理解该方法，可以采用缩短咳痰时间，提前结束咳痰来保证PEEP病人所需的咳痰末正压(Positive End-Cough Pressure，PECP)，但是这种仅用时间控制PECP、没有闭环反馈、没有直接压力监测的方法，亦没有进行实际压力控制，显然无法精确控制PECP，从而可能给患者造成伤害。

5、管路连接复杂，占用空间体积大，成本高、故障点、泄漏点多。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提出了一种呼吸机，所述呼吸机具有更高的精确性、响应性及安全性。

本实用新型的呼吸机，包括：吸气气路，其上设有为病人提供正压的正压源；呼气及咳痰气路，其上设有为病人提供负压的负压源以及串接于负压源与病人之间的快门阀，负压源不工作时进气口和出气口相通。

本实用新型的呼吸机，其有益效果在于：呼气回路与咳痰回路采用同一气动回路，同一中央处理器控制，简化了系统构成，使咳痰机可以作为模块内嵌在呼吸机中，使呼吸机的呼吸及咳痰工作达到真正的同步。

同一中央处理器可以对从传感器、阀门及风机等多个部件接收的信息进行整合处理，在一定程度上减小时间滞后，提高了系统的精确性及快速响应性，提升了咳痰效果。

采用同一气动回路，降低了呼吸管路内部条件的复杂程度，提高了管路内部的传感器的检测精度，为中央处理器提供更为精确的数据，令中央处理器更为准确地对呼吸机的呼吸及咳痰过程中的气体压力值及流量值进行控制，为病人提供更加安全的呼吸及咳痰过程。

本实用新型还在呼气、咳痰共用回路上串接大流量PEEP/PECP控制组件，从而可实现对病人呼吸末正压和咳痰末正压的双重控制。

引入监控患者的血氧浓度、气道压力、呼吸音特性等生理指标的变化，由系统判定是否应该咳痰的理念，不再局限于由医生或护士来决定何时咳痰和咳痰时长，使医生拥有更多选择，提升了系统的自动化程度。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施方式的功能架构框图。

图2为本实用新型的一种实施方式的电子架构框图。

图3为本实用新型的一种实施方式的软件架构框图。

图4为本实用新型的一种实施方式的气路结构框图。

具体实施方式

下面参照附图描述本实用新型的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

图1是本实用新型的一个双管路的呼吸机的功能架构框图。根据本实用新型的一个或多个实施例，该呼吸机的吸气气路(即病人101与呼吸机之间进行吸气的通道)部分基于一个正压源115，该正压源115可以是一个微涡轮风机、带有驱动装置的橡胶折叠气囊或气缸、各种结构形式的低压空气压缩机及各种类型的风机等，这些流体动力元件能够把电能转换成压力势能，即抽吸室内的空气进入到空气进口116，氧气进入到氧气入口118，随后通过混氧组件117进行混氧，正压源115对混合气体进行加压后，通过输出压力、流量、潮气量控制组件111对混合气体的流量、压力、潮气量等参数控制调节，经过第一压力及流量传感器114、病人吸气口107、吸气管路105、Y型接头103、气管插管或鼻插管102，提供气体给病人101。正压源115也可以是从空气入口116直接引入的高压空气，替代正压源115，所述高压气体经过减压后再提供给病人101。

该系统的咳痰气路(即病人101与呼吸机之间进行咳痰的通道)部分基于一个负压源110，该负压源110也可以是一个各种类型的风机、泵，或者可以接收外部压力势能并储备势能的负压罐。咳痰前，该负压源110在关闭的快门阀108与负压源110的管路之间产生负压，当快门阀108快速打开后，病人101气道压力与该负压产生之间的压力势能转化成动能，病人101肺内的气流经过Y形三通接头103、呼气暨咳痰管路104、呼气口106、快门阀108、第二压力及流量传感器109、负压源110，从PEEP/PECP控制组件113控制的呼气阀112呼出，从而实现模拟病人101的咳嗽及咳痰的功能。

该系统的咳痰气路同时也是该系统的呼气气路(即病人101与呼吸机之间进行呼气的通道)，在其管路上依次串接快门阀108、第二压力及流量传感器109、负压源110及由PEEP/或PECP控制组件113控制的呼气阀112。优选地，所述呼气阀112为大流量呼气阀。

病人101转换到呼气后，呼出的气体也将经过Y形三通接头103、呼气暨咳痰管路104、呼吸机呼气口106、快门阀108、第二压力及流量传感器109、负压源110，从PEEP/PECP控制组件113控制的呼气阀112呼出。此时，负压源110要满足的条件就是在不工作时，进气口和出气口相通。

所述呼吸机的PEEP/PECP控制组件113能够产生一个可以控制的先导压力，这个先导压力被施加给大流量呼气阀112，在病人101吸气阶段关闭呼气阀112；在病人101呼气阶段，控制病人101的呼气末正压(PEEP)；而在病人101的咳痰阶段，控制咳痰末正压(PECP)。

本实用新型的呼吸机可以通过一个内置的混氧组件117交付期望氧气浓度的混合气体给呼吸机，在吸气管路105中交付的混合气体可以被氧气浓度传感器127监测，检测后的数据通过氧气浓度检测接口120进入呼吸机，经相关处理器数据处理后，气体浓度可以被显示在用户界面123上或供闭环控制氧气浓度使用。

同样地，病人101的血氧浓度及心率数据也可以由与病人101手指128(或其他部位)连接的血氧浓度传感器125检测到，通过血氧浓度检测接口122，进入呼吸机后，相关处理器对数据进行处理后，显示在用户界面123上或供呼吸机作为是否启动智能咳痰的条件。

在病人101的两个肺部贴有若干呼吸音接收贴膜129，通过呼吸音传感器126可以将声音信号转换成电子模拟信号，通过呼吸音检测接口121进入呼吸机后，相关处理器同样进行数据处理后，转换成病人101不同部位的呼吸波形影像信号，并显示在用户界面123上或由相关处理器运行软件进行技术分析，根据频率、频幅等数据，判断出呼吸音性质，例如是正常音还是哮鸣音，是喘鸣音还是啰音.....不同的呼吸音可以判断出病人101的呼吸状态，同样作为是否启动智能咳痰的条件。

在一个或者更多的具体实施例中，一个Y形接头103被使用，其中的一端与气管插管或鼻插管102连接，另两端分别呼吸机的呼气暨咳痰管路104和吸气管路105连接。

第二压力及流量传感器109及第一压力及流量传感器114可以把感知的吸气、呼气、咳痰的压力信号或流量信号、压差信号等输入呼吸机，中央处理器206对数据进行处理，或显示在用户界面123上或采样临界值，供呼吸机的控制使用。

总而言之，上述的病人101气道内的氧气浓度、压力、流量、潮气量、血氧浓度及肺部呼吸音特性等数据进入呼吸机后，一方面可能会显示在用户界面123上，一方面由呼吸机的相关处理器进行计算、分析、决策，判断后，对病人101的呼吸过程和咳痰过程进行控制，甚至智能控制。

本呼吸机还具有电源系统124，所述电源系统124为AC/DC直流电源，或者可以输入外部直流或交流电源的输入口。如果设计成便携式系统，或在停电状态下的应急使用，电源系统124还可以包括可更换的可充电电池以及配套的充电系统以及为了防止更换电池时信息丢失，可以进行短暂供电的备用电池等。

在图2中，本实用新型的呼吸机的电子架构可以被分成八个部分：中央处理器206、吸气控制模块224、负压控制模块241、呼气及咳痰控制模块233、传感器模块255、混氧控制模块202、用户界面模块217及电源模块207。下面针对每个模块做更详细的描述。

中央处理器206通过运行内部的软件程序，去发出指令、作为中转站，或者监测、协调位于各个功能模块内的子处理器来控制整个呼吸机的功能。这其中的每一个子处理器也都分别可以通过运行内部的软件去完成一个特定的任务或各自子模块的任务。当然，另一个可选的实施例，一个独立的子处理器也可以同时执行多个子模块的任务。在本例中，中央处理器206可以分别同吸气控制模块224，呼气及咳痰控制模块233、负压控制模块241、混氧控制模块202、传感器模块255及用户界面模块217内的各个子处理器进行通讯。当然，在一个备选的方案，这些模块与中央处理器206的通讯也可以由一个处理器来完成。

在吸气控制模块224，吸气控制处理器223可以控制正压源115的正压，正压源115包括前述的微涡轮风机、带有驱动装置的橡胶折叠气囊或气缸、各种结构形式的低压空气压缩机及各种类型的风机等，其驱动源采用第一BLDC电机(直流无刷电机)229。因此，吸气控制处理器223通过运行内置的换向软件控制第一BLDC电机229的转速，从而实质上控制正压源115，以实现正压源115输出压力或流量的调节。其具体工作过程如下：

当第一BLDC电机229定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用，驱动转子旋转。

第一BLDC电机229中的第一霍尔传感器228将转子永久磁钢位置、速度信息转换成电信号，经过一个可以设计在吸气控制处理器223内部或外部的第一A/D转换(模拟数字转换电路)225，进行采样并把模拟信号转换成数字信号，进入吸气控制处理器223，通过运行吸气控制处理器223内部的换向调速软件进行分析处理，以逻辑电平信号的形式向第一逆变器226输出命令，第一逆变器226再把来自吸气控制处理器223的逻辑电平换向信号转换成大功率交变电流或调制的PWM方波电流，从而驱动第一BLDC电机229。通过换向调速软件调节交变电流的频率或PWM方波的占空比，可以达到最终调节正压源115的目的。

当然，一个可选择的方案，是采用无霍尔无刷直流BLDC电机，该方案可以减小设备的体积，使控制变得更简单。

吸气控制模块224还包括吸气控制阀230，在呼吸机输出控制中，如果仅仅通过调节转速来调节压力和流量，不仅控制上的延迟较大，正压源115需要频繁启闭，同时遇到压力、流量控制目标高时需要的加减速力矩很大、噪音大，需要的驱动电源功率大，且其驱动源第一BLDC电机229的寿命会缩短；虽然较容易控制压力，但控制流量比较困难，特别是小潮气量下的小流量精确控制很难实现，因此吸气控制模块224需要配置吸气控制阀230。

在本实施例中，吸气控制阀230是一个比例压力控制阀或比例流量控制阀，其控制过程如下：

吸气控制处理器223通过控制吸气控制阀230的流量通径或开启关闭的频率，协同第一BLDC电机229的速度调节，来控制正压源115输出给病人101的压力和流量，同时吸气控制处理器223还接收经由传感器模块255处理，校准、经由中央处理器206中转传递过来的吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250(此二者为第一压力及流量传感器114的一种实施方式)的信息，通过运行内部的软件，结合第一BLDC电机229转速/压力的信息，对所有信息综合处理后，输出两路逻辑电平信号，一路给第一逆变器226，去控制第一BLDC电机229，另一路逻辑电平控制信号给第一电磁阀驱动器227，第一电磁阀驱动器227将逻辑电平信号转换成大功率直流电流去驱动吸气控制阀230，调节吸气控制阀230的流通口径或开关频率。吸气控制处理器223时刻接收来自吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250的信息并进行判断处理，以确保吸气控制阀230、第一BLDC电机229的闭环控制。一个常规的具体实施例：通过控制第一BLDC电机229的转速使输出给病人101压力和流量稳定在一定范围，更精细的动态调节则采用闭环控制吸气控制阀230。

一个可替换的实施例是由中央处理器206而不是吸气控制处理器223，去接收来自吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250的处理后信号，运行软件后输出逻辑PWM电平信号去控制吸气控制阀230。

吸气控制模块224同时还有另外一个功能，就是第一BLDC电机229的低速运转协同闭环控制吸气控制阀230实现PEEP先导压力的输出，这在后面的有关PEEP的控制描述中将有所体现。

吸气控制处理器223可以包括(片上或片外)静态随机存储器(SRAM)、闪存程序存储器(FLASH)及可擦除只读存储器(EEPROM)。闪存程序存储器及可擦除只读存储器可以由厂家进行系统编程，便于生产、售后服务和软件升级。

吸气控制处理器223通过一个高速同步串口(SSIO)236与中央处理器206进行通讯。吸气控制处理器223能够对吸气控制模块224的电子器件进行校准，并把校准后的数据储存在EEPROM里，同时监控吸气控制模块224的电子元件的健康状态，生成的自检报告反馈给中央处理器206。

呼气及咳痰控制模块233主要负责两项功能：1、完成呼气和咳痰；2、实现PEEP和PECP的控制，下面分别进行说明。

关于呼气无PEEP控制的说明。

中央处理器206时刻接收来自传感器模块255中经过处理的吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250的传感信息，并根据预先设定的呼吸参数数据进行比照、计算，以判断呼吸进程。当中央处理器206判断出，吸气即将完成，呼气即将开始，中央处理器206通过运行呼气软件程序，向吸气控制处理器223发出停止吸气的指令，同时向呼气及咳痰控制处理器237发出呼气指令，呼气及咳痰控制处理器235运行内部软件，向第二电磁阀驱动器232输出逻辑电平信号，第二电磁阀驱动器232将逻辑电平信号转换成大功率直流电流去驱动快门阀108，使快门阀108打开，完成无PEEP控制的呼气。

关于咳痰无PECP控制的说明。

当中央处理器206通过高速串行接口208接到用户界面模块217发来的咳痰指令及咳痰参数信息，中央处理器206开始运行内部的软件程序，首先通过高速接口243向负压控制处理器242发出运行指令及传送咳痰参数信息，负压控制处理器242接到中央处理器206传递过来的信息后，控制相关负压源110按指定技术参数运行，产生负压，详细内容见后面对负压控制模块241的描述。

然后，中央处理器206时刻接收来自传感器模块255中经过处理的吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250信息，并对照、计算，以判断呼吸进程及是否满足咳痰条件。当中央处理器206判断出，吸气即将完成，呼气即将开始，且满足设定的咳痰条件，例如潮气量足够大，将向呼气及咳痰控制处理器235发出咳痰指令，呼气及咳痰控制处理器235接到咳痰指令后，运行内部软件，向第二电磁阀驱动器233输出逻辑电平信号，第二电磁阀驱动器232将逻辑电平信号转换成大功率直流电流去驱动快门阀108，使快门阀108打开，完成无PECP控制的咳痰。

PEEP/PECP控制组件113常规是采用一个呼气阀112，呼气阀112是一个气控阀，是一个球囊或膜片结构，通过输入一个可调节的气体压力，呼气阀112可以控制开启和关闭的临界压力，即可以控制PEEP或者PECP的数值。如果不输入可调节气体压力，球囊和膜片是与大气相通的，如前所述，即不进行PEEP和PECP的控制。此时，呼气阀112具有最大开度。

关于呼气PEEP控制的说明。

中央处理器206时刻接收来自传感器模块255中经过处理的吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250的信息，并进行对照、计算，以判断呼吸进程。当中央处理器206判断出，吸气即将完成，呼气即将开始，中央处理器206通过运行呼气软件程序，向吸气控制处理器223发出结束吸气，开始PEEP控制的运行指令及输送指定的PEEP压力数值。同时向呼气及咳痰控制处理器235发出呼气指令。

吸气控制处理器235接到指令和指定PEEP压力数值后，如前所述，结束吸气，通过储存其中的压力/转速表格检索或计算出对应的第一BLDC电机229的转速，运行内部的换向软件程序，控制第一BLDC电机229降低转速至该转速，此时，吸气控制处理器235还通过中央处理器206接收PEEP/PECP传感器(本实施例中即吸气及PEEP压力传感器248)的经过处理的实际压力信息，通过运行软件与中央处理器206提供的预定压力参数进行比较、计算等处理后，输出逻辑电平信号给第一电磁阀驱动器227，第一电磁阀驱动器227将该逻辑电平信号转换成大功率可调交变或PWM直流电流去驱动控制吸气控制阀230，进一步精细调节PEEP值，缩小设定值和实际值偏差。吸气控制处理器235时刻接收来自吸气及PEEP压力传感器248的压力信息并进行比较计算处理，以确保PEEP压力的闭环控制。

呼气及咳痰控制处理器235接到呼气指令后，同样运行内部的软件，向第二电磁阀驱动器232输出逻辑电平信号，第二电磁阀驱动器232将逻辑电平信号转换成大功率直流电流去驱动快门阀108、PEEP/PECP控制阀231，使快门阀108、PEEP/PECP控制阀231打开。快门阀108打开使呼气气路接通，PEEP/PECP控制阀231打开使由正压源115产生的PEEP压力进入呼气阀112，对PEEP进行控制。

关于咳痰PECP控制的说明。

当中央处理器206通过高速串行接口208接到用户界面模块217发来的咳痰指令及咳痰参数信息，中央处理器206开始运行内部软件程序，首先通过高速接口243向负压控制处理器242发出运行指令及传送咳痰参数信息，负压控制处理器242接到中央处理器206传递过来的信息后，控制负压源110按指定技术参数运行，产生负压，详细内容仍然见后面对负压控制模块241的描述。

然后，中央处理器206随时接收来自传感器模块255经过处理的吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250信息，并进行对照、计算，以判断呼吸进程及是否满足咳痰条件。当中央处理器206判断出，吸气即将结束，呼气即将开始，且满足设定的咳痰条件，将向呼气及咳痰控制处理器235发出咳痰指令；同时向吸气控制处理器223发出结束吸气，开始PECP控制的运行指令及输送指定的PECP压力数值给吸气控制处理器223。

吸气控制处理器223接到运行指令及指定的PECP压力数值后，通过储存片内或片外的压力/转速表格检索或计算出对应的第一BLDC电机229的转速，运行内部的换向软件，控制调节第一BLDC电机229以该转速运行，此时，吸气控制处理器223还通过中央处理器206接收吸气及PEEP压力传感器248的经过处理的实际压力信息，通过运行软件与中央处理器206提供的设定的PECP压力参数进行比较、计算等处理后，输出逻辑电平信号给电磁阀驱动器227，第一电磁阀驱动器227将该逻辑电平信号转换成大功率交变或PWM直流电流去驱动控制吸气控制阀230，进一步精细调节PECP值，减小指定值和实际值偏差。吸气控制处理器223时刻接收来自吸气及PEEP压力传感器248的压力信息并进行比较计算处理，以确保PECP压力的闭环控制。

呼气及咳痰控制处理器235接到呼气指令后，运行内部的软件，向第二电磁阀驱动器232输出逻辑电平信号，第二电磁阀驱动器232将逻辑电平信号转换成大功率直流电流去驱动快门阀108及PEEP/PECP控制阀231，使快门阀108及PEEP/PECP控制阀231打开。快门阀108打开使咳痰气路接通，PEEP/PECP控制阀231打开使由正压源115产生的，经闭环控制的PECP压力气体进入呼气阀112，对PECP进行控制。

在以上有关PEEP及PECP的描述中，其中帮助吸气控制处理器223进行闭环控制吸气控制阀230的吸气及PEEP压力传感器248的压力信息，它的模拟信号被第一放大器247放大和过滤，然后经过第三A/D转换249采样并进行A/D转换后(就是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成)，然后传输给呼气及咳痰控制处理器235进行处理，处理后的信号通过高速同步串口205传递给中央处理器206，再由中央处理器206通过高速同步串口236传递给吸气控制处理器223。

与吸气控制处理器223一样，呼气及咳痰控制处理器235可以包括(片上或片外)静态随机存储器(SRAM)、闪存程序存储器(FLASH)及储存校准数据的EEPROM，同样地，闪存程序存储器和EEPROM可以由厂家进行系统编程，便于生产、售后服务和软件升级。

如前所述，呼气及咳痰控制处理器235同样可以和中央处理器206通过一个高速同步串口(SSIO)234进行通讯。

呼气及咳痰控制处理器235可以提供一种校准呼气及咳痰控制模块233的电子器件的机制，同时可以把校准后的数据储存在EEPROM里。

呼气及咳痰控制处理器235也可以提供一种额外的能力去监控呼气及咳痰控制模块233的电子元件的健康状态，生成的自检反馈给中央处理器206，或反馈给一个独立的测试装置。

在传感器模块255内部，传感信息处理器244既可以把输入的经放大器放大和滤波的信号进行采样和处理、校准，同时也作为一个中转站，把每个传感器输出的经放大滤波处理的连续传感信息经中央处理器206，传递给用户界面模块217中的用户界面处理器210，以供其触摸屏221显示实时压力、流量、呼吸音、血氧浓度等信息或输出实时曲线。

传感信息处理器244还可以监测、计算处理来自吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250、呼气及咳痰压力传感器252及呼气及咳痰流量传感器254(此二者为第二压力及流量传感器109的一种实施方式)、血氧浓度传感器125、呼吸音传感器126的临界值信息，并将这些临界值通过高速同步串行接口传输给中央处理器206，以供中央处理器206判断、决策以及发出指令。

同时，这些传感器在把信息发送给传感信息处理器244之前，通常要经过放大器放大、滤波。如图2中表示的，第二放大器251对呼气及咳痰压力传感器252及呼气及咳痰流量传感器254的传感信号进行处理；第一放大器247对吸气及PEEP压力传感器248及吸气流量传感器250信号进行处理；第三放大器246对血氧浓度传感器125感应信号进行处理；第四放大器245对呼吸音传感器126感应信号进行处理。

在一个具体实施例中，负责对呼气及咳痰流量传感器254信号放大的第二放大器251可以是一个双通道的放大器，一个通道提供高增益、窄范围，流量偏移补偿。偏移补偿通过使用一个软件控制的第四数字模拟转换电路(DAC)253来实现。另一个通道是低增益，宽范围，以对病人101呼气或咳痰流量的动态数据进行全覆盖。同时，第二放大器251也负责对呼气及咳痰压力传感器252压力感应信号的放大。

同样地，负责对吸气流量传感信号250放大的第一放大器247也可以是一个双通道的放大器，一个通道提供高增益、窄范围，流量偏移补偿。偏移补偿通过使用一个软件控制的第三数字模拟转换电路(DAC)249来实现。另一个通道是低增益，宽范围，以对病人101吸气流量的动态数据进行全覆盖。同时，第一放大器247也负责对吸气及PEEP压力传感器248压力感应信号的放大。

同其他模块信息处理器一样，传感信息处理器244可以包括(片内或片外)静态随机存储器(SRAM)、闪存程序存储器(FLASH)及可擦除只读存储器(EEPROM)。闪存程序存储器和可擦除只读存储器可以由厂家进行系统编程，便于生产、售后服务和软件升级。传感信息处理器244可以和中央处理器206通过一个高速同步串口(SSIO)205进行通讯。

传感信息处理器244也可以提供一种校准传感器模块255的电子器件的机制，同时可以把校准后的数据储存在EEPROM里。

传感信息处理器244也可以提供一种额外的能力去监控传感器模块255的电子元件的健康状态，生成的自检反馈给中央处理器206，或反馈给一个独立的测试装置。

负压控制模块241主要功能是呼吸机咳痰时，提供所需要的负压。

在负压控制模块241内部，和吸气控制模块224一样，负压控制处理器242可以控制负压源110的输出，负压源110同样包括微涡轮风机、各种结构形式的真空泵及各种类型的风机等，其驱动为第二BLDC电机238。因此同样地，负压控制处理器242通过运行内置的换向软件控制第二BLDC电机238的转速，从而实质上控制负压源110的输出，以实现负压源110压力的调节。

负压控制处理器242同时还负责监测来自传感器模块中呼气及咳痰压力传感器252的压力，以对负压源110的压力进行闭环控制。呼气及咳痰压力传感器252输出的模拟信号被第二放大器251放大和过滤，然后经过第四A/D转换253采样并转换成数字信号后，传感数据经高速串口205、中央处理器206、串口243，传输给负压控制处理器242进行处理。其控制过程如下：

当中央处理器206通过高速串行接口208接到用户界面模块217发来的咳痰指令及咳痰参数信息，中央处理器206开始运行内部的软件程序，首先通过高速接口243向负压控制处理器242发出运行指令及指定的咳痰负压值，负压控制处理器242接到中央处理器206传递过来的信息后，通过储存在片内或片外存储器内的负压/转速表格检索或计算出对应的第二BLDC电机238的转速，运行内部的换向软件程序，控制第二BLDC电机238至该转速，此时，负压控制处理器242还接收经串口205、中央处理器206、串口243传输过来的呼气及咳痰压力传感器252的经过第二放大器251处理的实际负压信息，与中央处理器206提供的预定负压参数进行比较、计算等处理后，输出新的逻辑电平换向信号给第二逆变器240，第二逆变器240再把来自负压控制处理器242的新的逻辑电平换向信号转换成新的交变电流或调制的新的PWM方波电流，从而可以达到最终对第二BLDC电机238增速及减速的目的，以实现咳痰负压的闭环控制。

内置在第二BLDC电机238内部的第二霍尔传感器237，同前面第一霍尔传感器228的功能相同，即将BLDC电机转子磁钢位置、速度信息转换成电信号，发送给模拟数字转换电路第二A/D转换239。

第二A/D转换239同前述的第一A/D转换225功能相同，即对第二霍尔传感器237输出的模拟电信号进行采样和把模拟信号转换成数字信号，传递给负压控制处理器242。

同其他模块信息处理器一样，负压控制处理器242可以包括(片内或片外)静态随机存储器(SRAM)、闪存程序存储器(FLASH)及可擦除只读存储器(EEPROM)。闪存程序存储器和可擦除只读存储器可以由厂家进行系统编程，便于生产、售后服务和软件升级。负压控制处理器242可以和中央处理器206通过一个高速同步串口(SSIO)243进行通讯。

负压控制处理器242也可以提供一种校准负压控制模块241的电子器件的机制，同时可以把校准后的数据储存在EEPROM里。

负压控制处理器242也可以提供一种额外的能力去监控传感器模块255电子元件的健康状态，生成的自检反馈给中央处理器206，或反馈给一个独立的测试装置。

混氧控制模块202的主要功能是控制输入的氧气流量以及检测、控制输送给病人101的氧气浓度，并将氧气浓度信息经由中央处理器206发送给用户界面模块217供显示。在混氧控制模块202内部，来自检测输入氧气压力的氧气压力传感器256和检测输送给病人101气体氧气浓度的氧气浓度传感器127的模拟信号被第五放大器257、第六放大器259放大和过滤，然后经过A/D转换，即将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。处理后的数据传输给混氧控制处理器204进行处理。混氧控制处理器204运行内部软件，进行比较、计算等处理，输出逻辑电平信号给第三电磁阀驱动器201，第三电磁阀驱动器201把由混氧控制处理器204生成的逻辑电平信号转换成大功率交变或PWM直流电流去驱动混氧控制阀258。混氧控制处理器204时刻接受来自氧气浓度传感器127的信息，以确保混氧控制阀258的闭环控制。之所以要检测来自输入氧气的压力，主要是某些混氧控制阀258可能只能控制体积流量，而如果没有压力参数，混氧控制处理器204很难计算出质量流量，而混氧控制处理器204对最终混合氧气浓度的计算需要质量流量数据。

同吸气控制处理器223和呼气及咳痰控制处理器235一样，混氧控制处理器204可以包括(片上或片外)静态随机存储器(SRAM)、闪存程序存储器(FLASH)及储存校准数据的EEPROM，同样地，闪存程序存储器和EEPROM可以由厂家进行系统编程，便于生产、售后服务和软件升级。

混氧控制处理器204同样可以和中央处理器206通过一个高速同步串口(SSIO)203进行通讯。

混氧控制处理器204可以提供一种校准混氧控制模块202的电子器件的机制，同时可以把校准后的数据储存在EEPROM里。

混氧控制处理器204也可以提供一种额外的能力去监控混氧模块202的电子元件的健康状态，生成的自检反馈给中央处理器206，或反馈给一个独立的测试装置。

用户界面模块217功能是建立呼吸机与用户或其它外围设备的接口，例如给用户提供信息：病人101状态的声音和视觉的反馈、报警、机器状态等，还可以监测和接受用户的控制设置、报警条件等的输入(例如通过按钮211、触摸屏221)，这些输入可以通过串行通道208，被中央处理器206接收并进行处理。此外，用户界面模块217还具备维护设置、通过非易失性存储器存储机器事件记录和控制设置更改记录、进行外部通讯、看门狗等功能。此外，用户界面模块217还可以监测及控制电源模块207。

在用户界面模块217内部，用户界面处理器210执行软件程序去控制整个用户界面模块217的功能。

用户界面模块217通常包括一个显示装置，同时还配置有供输入、输出数据及信息的各种部件。例如，一个用户界面的实施方式是采用彩色液晶LCD显示屏(TFT或VGA)219，配合(电容或电阻)触摸屏221，这样可以给用户提供内容丰富、易操作的用户界面。LCD控制器215负责执行LCD显示屏219的刷新任务，一个随机图像缓冲存储器(片上或片外)通过一个高速LVDS接口216把储存的连续图像数据发送给LCD控制器215以支持刷新。

由于液晶屏背光灯管启动电压很高，背光逆变器220负责给LCD背光灯管提供能使其点亮的电压和功率。背光的亮度控制，通过用户界面处理器210运行内部的软件控制背光控制电路214的输出信号，调节背光控制电路214传输给背光逆变器220的PWM脉冲信号，使背光逆变器220输出的PWM脉冲电压的占空比改变，从而调节液晶屏背光的亮度。

触摸屏控制器213负责对触摸屏221进行全屏扫描，并且在用户触摸触摸屏221的期间，把触摸信息和数据提供给用户界面处理器210。

用户界面模块217还包括：一个或多个按钮211，用于某些重要或特殊的功能，例如设备开启和关闭、手动咳痰等；指示灯218，用于各种状态的指示，如显示正常运行状态，警示、警告状态的指示等；蜂鸣器222，根据警报级别发出不同频率的声音。用户界面处理器210可以时刻追踪按钮211的用户是否按下的状态，如果用户按下按钮211，用户界面处理器210启动内部软件运行。

用户界面处理器210也可以根据报警需求运行内部软件输出逻辑电平信号给报警驱动器212，控制蜂鸣器222和指示灯218发出声光报警，满足相关医疗设备报警标准要求。

用户界面处理器210还可以通过SMBUS接口209执行对电源模块207监测和管理，例如，一个实施例，用户界面处理器210可以监控电源模块207的电源的输入、输出，选择使用何种类型电源，控制内部可充电电池充电，除此之外，用户界面处理器210还可以监测设备开关状态、电池状态和充电状态等。

用户界面处理器210可以作为本设备的看门狗，例如，在一个具体实施例中，前述的每一个子模块定期向用户界面处理器210报告健康状况，用户界面处理器210也定期向报警驱动器212发出各子模块健康状况信息，如果报警驱动器212在一定时间段未能收到上传的各子模块健康状况良好的报告，则驱动蜂鸣器222和指示灯218发出声光报警。

包含在用户界面处理器210内的(片内或片外)非易失性存储器(片内或片外)，用于呼吸机的事件和控制设置变更等的长期记录。当事件发生后，用户界面处理器210可以把数据写入到非易失性存储器。包含在用户界面处理器210内的(片内或片外)快闪程序存储器可以通过系统编程，以方便生产、售后服务、现场软件更新。

电源模块207用于给整个系统提供能源支持，它可以来自外部的一个直流电源，通过电源插口直接供电，或者内部的一个输入为交流，输出为所需伏数的医用直流电源，亦或是一个安装在内部的可更换、可充电电池。另外，电源模块207最好有一个备用电池，以便在电池更换时，呼吸机不断电。同时，电源模块207内部还要有用于给可充电电池充电的充电器，用于给可更换电池和备用电池保持充电。

电源模块207通过一个SMBUS系统管理总线209与用户界面处理器210连接，接受该处理器的监视和控制。

图3是一个说明本实用新型呼吸机软件架构的框图。

在一个具体实施例中，所述呼吸机通过包含内嵌的软件(或固件)去控制各自的硬件，实现要求的系统工作特性。这些软件分布于系统中各个子模块的处理器中。在图3中，所述呼吸机的软件分布于如下处理器之中：用户界面处理器210、中央处理器206、混氧控制处理器204、呼气及咳痰控制处理器235、吸气控制处理器223、负压控制处理器242及传感信息处理器244。下面将对相应的处理器执行的软件功能进行说明。

本实用新型描述的功能仅用于说明目的，并且不应当被认为是一个详尽地，彻底地表述。为了便于说明，运行在每个处理器上的软件将被命名为相应处理器的名字。

用户界面软件(运行在用户界面处理器210)可以同中央处理器206通讯，向中央处理器206发送呼吸机控制的数据(例如呼吸和咳痰设置、设备和功能的启动和报警上下限值设置等)，用户界面软件也可以把呼吸、咳痰数据曲线、呼吸机的机器设定、用户设置的数据储存在非易失性存储器NVRAM302里，并且可以在实时钟303的帮助下，记录事件，例如控制变更、报警和故障等，并储存在闪存301内。

用户界面软件可以为报警驱动器212、按钮211提供低电平驱动信号，使指示灯218、蜂鸣器222发出声光报警，使按钮211在按下时能把信息输入用户界面处理器210；用户界面软件还可以驱动显示器用户界面，例如驱动LCD显示219、背光控制电路214、触摸屏221、以显示从中央处理器206接收到或中转接收的监控数据和报警信息。

除此之外，用户界面软件也可以监测可充电电池的电池状态304并发出电池充电305指令。

中央处理器软件(运行在中央处理器209)的主要功能为，接收用户界面模块217发来的用户命令信息，发出呼气、吸气和咳痰的指令，协调吸气控制模块224、呼气及咳痰控制模块233、传感器模块255、混氧控制模块202完成机械通气任务，协调负压控制模块241、呼气及咳痰控制模块233、传感器模块255完成咳痰任务；协调吸气控制模块224、呼气及咳痰控制模块233完成PEEP或PECP的控制；接收传感器模块255传来的压力、流量、血氧浓度、呼吸音等临界数据信息，计算、判断、决策并发出响应命令，如发出报警信息，启动咳痰或完成其他动作。

中央处理器软件还执行一些由用户界面软件发出临时命令的指令发送，例如吸气保持、呼气保持等。

混氧控制软件(运行在混氧控制处理器204)执行混氧响应动作去控制混氧控制阀258，以调节氧气浓度、混氧控制软件还可以监控和校准氧气压力传感器256、氧气浓度传感器127，给中央处理器206发送氧气浓度传感器127的传感数据。

呼气及咳痰软件(运行在呼气及咳痰处理器235)可以接收呼气及咳痰压力传感器252的输入信息，同时把处理后的传感信息发送给中央处理软件，以使中央处理软件给吸气控制处理模块224发出指令，以完成PEEP或PECP的控制压力的生成。

呼气及咳痰软件也可以控制快门阀108、PEEP/PECP控制阀231的开启和关闭，以完成呼气或咳痰或在呼气、咳痰的同时，开启对呼吸(咳痰)气路的PEEP/PECP的控制；呼气及咳痰软件同时能够管理呼气及咳痰压力传感器252的校准。

传感器软件(运行在传感信息处理器244)可以对传感器的压力数值、流量数值、血氧浓度数值、呼吸音特性等数据在从传感信息处理器244发给中央处理器206之前进行修正、校准。并把实时的数值发送给中央处理器206，中央处理器206检索储存在其内部的咳痰条件表格，如吸气压力增高，血氧浓度下降、呼吸音为喘鸣音，血氧浓度下降、吸气流量减小、吸气压力升高等；满足表格中的任意两条或以上并达到相应的阙值，则具备咳痰条件，运行咳痰软件，协调各子模块，进入咳痰模式，无需医护人员参与，自动智能启动咳痰。

吸气控制软件(运行在吸气控制处理器223)可以执行正压源115的驱动源第一BLDC电机229的变速、无刷换向的响应。为了方便实施第一BLDC电机229的变速和无刷换向，吸气控制软件也可以校准电机的第一霍尔传感器228；根据来自第一霍尔传感器228的输出数据，计算出转子的位置和速度。

吸气控制软件也可以执行第一BLDC电机229的开启和关闭。吸气控制软件还可以通过接收传感器信息处理器244发出来的气道压力、流量信息并进行处理，输出PWM逻辑电平信号对吸气控制阀230进行闭环控制，以控制正压源115的压力或流量。

同吸气控制软件相似，负压控制软件(运行在负压控制处理器242)也可以执行负压源110的驱动源第二BLDC电机238的调速、无刷换向的响应。为了方便实施第二BLDC电机238的变速和无刷换向，吸气控制软件也可以校准电机的第二霍尔传感器237、根据来自第二霍尔传感器237的输出数据，计算出转子的位置和速度。

负压控制软件也可以执行第二BLDC电机238的开启和关闭。吸气控制软件还可以通过接收呼气及咳痰压力传感器252的传感信息并进行处理，输出PWM逻辑电平信号对第二BLDC电机238进行闭环控制，以控制负压源110的压力或流量。

图4为本实用新型所述呼吸机具有咳痰功能时呼吸机气路的一种实施方案。

在图4的系统中，室内空气经过过滤器414进入呼吸机，随后，空气进入一个具有储气和消声功能的混氧罐401，在这里，空气和氧气根据需要被混合，然后混合气体进入一个第一微涡轮风机403(正压源115的一种实施方式)的进气口；第一微涡轮风机403由一个第一BLDC电机229驱动，属于旋转离心式流体机械，把第一BLDC电机229的机械能转变成气体混合物的势能和动能，也就是能够提供有压力和流量的气体给病人101。第一微涡轮风机403输出的流量、压力与第一BLDC电机229的转速具有成比例的相关性，这些相关性数据可以以表格或者公式的形式存储在吸气控制模块224相关储存器中，供吸气控制处理器223使用，使吸气控制处理器223控制第一BLDC电机229根据需要加速和减速，实现压力和流量、潮气量的控制。另一个可以选择的实施例是这些表格或公式存储在中央处理器206相关存储器中，由中央处理器206完成调用，中央处理器206只需向吸气控制处理器223输出转速数据。吸气流量传感器250及吸气及PEEP压力传感器248实时全程测量交付给病人101的混合气体流量、压力，并发送给传感信息处理器244进行处理，以供显示流量曲线或计算、控制使用。吸气控制阀230用于更精确的控制流量和压力，如前所述，如果简单地依靠调节第一BLDC电机229的转速来调节交付给病人101混合气体的压力和流量，对于更复杂的通气模式或输出PEEP压力，可能会达不到要求的精度和响应快速性。同时也避免第一微涡轮风机403频繁地启闭或调节，增大系统功率。吸气控制阀230可以分流一部分第一微涡轮风机403输出的混合气体，从而对输出压力、流量进行更精确地控制，分流后的混合气体再次进入混氧罐401，供第一微涡轮风机403循环利用。吸气控制阀230可以是比例流量控制阀或比例压力控制阀。输出气体储气罐404一方面可以继续起到消声的作用，另一方面可以对PEEP/PECP先导压力具有缓冲作用，保证PEEP/PECP的控制精度。第二单向阀405防止呼气或咳痰时，病人101呼出的气体进入吸气气路。

前面提到了混氧，下面介绍图4中的混氧气路。

通常氧气的来源分两种：高压氧气和低压氧气，考虑到如果氧气压力过高，可能会增大第一微涡轮风机403的负载，损伤第一微涡轮风机403的叶片，因此高压氧气进入混氧之前要进行降压。因此，图4的混氧气路，对于氧气的输入，分成了高压氧气和低压氧气两个输入端口。低压氧气可以经过一个第二过滤器409、第一单向阀410、比例流量控制阀413(混氧控制阀258的一种实施方式)，直接进入混氧罐401；而高压气体则要经过第三过滤器412、减压阀411、第一比例流量控制阀413，进入混氧罐401。

比例流量控制阀413的作用是控制进入混氧罐401的氧气质量流量，从而实现调节氧气浓度的目标，具体控制方式是：氧气浓度传感器127时刻监控输送给病人101混合气体的氧气浓度，经过放大、滤波处理后，把氧气浓度的信息发送给混氧控制处理器204，混氧控制处理器204同时也通过氧气压力传感器256接收输入氧气源氧压力信息，混氧控制器204运行软件，与操作者预先设定的氧气浓度进行比照，结合输入氧气源的压力进行计算，输出不同占空比的PWM逻辑电平信号给第三电磁阀驱动器201，以控制比例流量控制阀413的流量，实现氧气浓度的控制。

当给病人101交付混合气体的吸气完成，进入呼气状态，如果不需要进行PEEP控制，PEEP/PECP控制阀231将保持图4的关闭状态，此时，呼气阀112的先导孔直接和大气相通，呼气阀112是打开的。但是在吸气阶段，由于快门阀108一直是关闭的，第一微涡轮风机403交付给病人101的气体不会进入呼气(咳痰)气路。呼气开始，快门阀108打开，病人101呼出的气体将经过快门阀108、呼气及咳痰流量传感器254及呼气及咳痰压力传感器252、第二微涡轮风机406(负压源110的一种实施方式，第二微涡轮风机406在不工作时，进气口和出气口是相通的)、呼气阀112，通过消声器408排放到大气中。

如果呼气需要PEEP控制，则在吸气向呼气转换的一瞬间，在快门阀108打开的同时，两位三通电磁阀407(即PEEP/PECP控制阀231的实施例)也将同时打开，第一微涡轮风机403此时并未关闭，其气路一方面经过吸气流量传感器250及吸气及PEEP压力传感器248、两位三通阀407(即PEEP/PECP控制阀231实施例)与呼气阀112的控制球囊接通，另一方面迅速降低转速，和比例溢流阀402(即吸气控制阀230的实施例)联合控制输出的压力值和设定的PEEP压力值接近，然后联合吸气及PEEP压力传感器248闭环控制，以完成更精确的调节。

在呼气气路上，呼气及咳痰流量传感器254及呼气及咳痰压力传感器252时刻检测呼出气流的流量和压力，并把数据发送给传感信息处理器244进行校准等处理，处理后的数据发送给中央处理器206进行后续的显示、控制或报警。

当需要咳痰，并且不需要PECP控制，两位三通阀407(即PEEP/PECP控制阀231的实施例)将保持图4的关闭状态，此时，第二微涡轮风机406在负压控制处理器242及呼气及咳痰压力传感器252的协同控制下启动，实现预期的咳痰压力。此时吸气流量传感器250及吸气及PEEP压力传感器248时刻检测输送给病人101的压力、流量和潮气量并通过传感信息处理器244处理后发送给中央处理器206以判断吸气状态，一旦中央处理器206认为吸气结束，中央处理器206随即发出指令给呼气及咳痰控制模块233，快门阀108打开，在病人101肺内气体与第二微涡轮风机406之间压差作用下，病人101肺内的气体突然快速地经由快门阀108、呼气及咳痰流量传感器254、呼气及咳痰压力传感器252及第二微涡轮风机406、呼气阀112，消声器409排出，完成一次咳痰。

如果咳痰时需要PECP控制，则中央处理器206认为吸气结束后，不仅需要向呼气及咳痰控制模块233发出指令，打开快门阀108，两位三通阀407(即PEEP/PECP控制阀231实施例)得电；还需要向吸气控制模块224发出指令，使第一微涡轮风机403产生预设的PECP压力，完成咳痰时对PECP的控制。

以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。