呼吸機芯片方案盤點

小編從各大芯片廠商官網(wǎng)以及新聞稿中，搜集了關于呼吸機的完整方案示意圖，供讀者參考，也歡迎大伙在評論區(qū)留言補充。

概念部分

呼吸機，是一種能代替、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，減輕呼吸功消耗，節(jié)約心臟儲備能力的裝置。當嬰幼兒并發(fā)急性呼吸衰竭時，經(jīng)過積極的保守治療無效，呼吸減弱和痰多且稠，排痰困難，阻塞氣道或發(fā)生肺不張，應考慮氣管插管及呼吸機。

呼吸機必須具備四個基本功能，即向肺充氣、吸氣向呼氣轉換，排出肺泡氣以及呼氣向吸氣轉換，依次循環(huán)往復。因此必須有：⑴能提供輸送氣體的動力，代替人體呼吸肌的工作；⑵能產(chǎn)生一定 的呼吸節(jié)律，包括呼吸頻率和吸呼比，以代替人體呼吸中樞神經(jīng)支配呼吸節(jié)律的功能；⑶能提供合適的潮氣量 （VT）或分鐘通氣量（MV），以滿足呼吸代謝的需要；⑷供給的氣體最好經(jīng)過加溫和濕化，代替人體鼻腔功能 ，并能供給高于大氣中所含的O2量，以提高吸入O2濃度，改善氧合。動力源：可用壓縮氣體作動力（氣動）或電機作為動力（電動）呼吸頻率及吸呼比亦 可利用氣動氣控、電動電控、氣動電控等類型，呼與吸氣時相的切換，常于吸氣時于呼吸環(huán)路內達到預定壓力 后切換為呼氣（定壓型）或吸氣時達到預定容量后切換為呼氣（定容型），不過現(xiàn)代呼吸機都兼有以上兩種形式。

治療用的呼吸機，常用于病情較復雜較重的病人，要求功能較齊全，可進行各種呼吸模式，以適應病情變 化的需要。而麻醉呼吸機主要用于麻醉手術中的病人，病人大多無重大心肺異常，要求的呼吸機，只要可變通氣量、 呼吸頻率及吸呼比者，能行IPPV，基本上就可使用。

工作過程：

注入病人氣體的壓力，由機內渦輪泵產(chǎn)生。大氣通過過濾器進入安需閥，安需閥開啟的大小 和泵的轉速由CPU控制，通氣的壓力和容量大小由醫(yī)生根據(jù)SARS病人的需要設定，調節(jié)適量的氣體通過單向閥 進入人體面罩，并進人人體，即吸人正壓；單向閥關小，吸人壓力降低，病人肺部的吸人正壓自動流出，即通 過面罩呼出。

注入病人氣體的壓力，氧氣瓶的氧氣壓力和正壓空氣產(chǎn)生。

醫(yī)用氧氣通過減壓閥與經(jīng)過過濾器的空氣混合進入儲氣罐，流量調節(jié)器由CPU控制，通氣的壓力 和容量由醫(yī)生根據(jù)SARS病人的需要設定，調節(jié)適量的氣體通過單向閥進人人體面罩，并進人人體，即吸人正壓 ，病人呼氣時，單向閥關小，吸人壓降低，病人肺部吸人正壓自動流出，即通過面罩呼出。

美信

連續(xù)正氣壓呼吸機(CPAP)：持續(xù)性正壓呼吸器、持續(xù)性陽壓呼吸器是一種在呼吸道施加壓力的人工呼吸器。

來源美信官網(wǎng)（藍色方框屬于美信可提供產(chǎn)品部分）

該CPAP呼吸機由以下幾個部分組成：

1，氣壓可調節(jié)風機，氣壓變化由微控制器嵌入式系統(tǒng)控制。嵌入式系統(tǒng)包含空氣監(jiān)測傳感器和電機控制傳感器。

2，面罩壓力由輸入傳感器監(jiān)測，測量溫度、濕度和壓力。與電機相關的傳感器包括：電機繞組電流輸入檢測和電機電壓檢測，此外，還有溫度傳感器等。

3，系統(tǒng)輸出包括：電機速度、蜂鳴報警或語音報警。

4，用戶界面主要包括開/關、壓力控制按鈕，壓力指示。對于較昂貴的系統(tǒng)，系統(tǒng)指示可使用背光LED實現(xiàn)，價位較低的系統(tǒng)可使用簡單的信號燈LED。

5，有些CPAP呼吸機為電池供電的便攜式設計，但大多數(shù)采用電網(wǎng)供電(床頭插座)。電網(wǎng)供電設備也可以包括電池備份，以便在斷電時正常工作。

其中在電機控制和檢測部分，空氣面罩壓力傳感器輸入用于控制風機速度。風機電機的轉速一般為1k RPM至最高30或40k RPM，以獲取需要的壓力。這是非常高的轉速，并且CPAP應用要求轉速變化非?？?。所以，必須監(jiān)測電機繞組電流，確保電機不會嚴重過載。

通常監(jiān)測電機輸入電壓，以確保電源和電池處于正常狀態(tài)。電壓監(jiān)測可由電壓檢測芯片或簡單比較器完成。

電機繞組的電流范圍為0A至2A。所以，12位ADC一般可提供所需分辨率，達毫伏范圍。ADC必須工作在較高速度，對最高電機轉速進行采樣。電機電流首先連接至電流檢測放大器，將電流值轉換為電壓并放大。

Maxim的電流檢測放大器和ADC通常用于監(jiān)測繞組電流。

資料來源：

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

德州儀器

截取自德州儀器官網(wǎng)

壓力傳感器在呼吸設備中扮演著重要角色，它負責將物理值（例如氣道壓力和流量）轉換成差動信號。空氣和流量傳感器生成的信號能幫助微處理器調節(jié)電機，從而調節(jié)/維持病人吸氣或呼氣所需的氣壓。通常情況下，這些傳感器極具成本效益并具有大偏移和偏移漂移，從而導致信號超標、隨溫度變化和非線性。具有低偏移電壓和較小的時間和溫度漂移的放大器是信號調節(jié)的理想選擇。

通過對三個電流相位中的至少兩個相位和為電機驅動橋供電的直流總線電壓進行監(jiān)控，可以實際控制直流電機。對相電流而言，可以使用兩種方法：高側或低側。直接相位測量或高側方法需要高速差動放大器或電流分流監(jiān)視器，這種方法通常更加精確。低側方法測量接近于半橋接地并使用更為簡單的放大器，這種方法成本更低，但是精度也更低。直流電機由分立式 FET驅動。其中TI 的 DRV 系列提供了具有散熱保護功能的集成驅動器和橋接器，并且體積更小具有更高的精度和效率。

微處理器負責執(zhí)行多個操作，其中包括對壓力信號進行采樣和計算所需的氣道壓力及流量，以便與電機進行通信。要高效實時地完成這些操作，應使用高速、低功耗、高度集成的微處理器。高質量 DSP 可用于此類應用，并且還將為患者提供超靜音操作。

下圖為此方案中MPU部分，TI可提供的方案。

資料來源：

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

意法半導體

ST的電機控制集成電路幫助實施非常精確的運動配置文件，減少了聲學噪音，提高了患者的舒適性。此外，我們還提供一系列MEMS運動、壓力和濕度傳感器、高性能STM32微控制器、以及高精度運算放大器和低功耗調節(jié)器，幫助開發(fā)先進的CPAP呼吸機。

截取自ST官網(wǎng)

資料來源：

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

恩智浦

恩智浦CPAP機可以通過持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)壓力與呼吸機電機控制調速相結合來保持恒定的氣流。其中黃綠色方框屬于NXP可以提供方案部分。

截取自恩智浦官網(wǎng)（藍黃色方框為NXP可以提供方案部分）

資料來源：

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

Microchip

CPAP設計人員會使用各類馬達，而具有彈性整合式馬達控制週邊裝置的Microchip PIC微控制器可控制所有這些馬達。

Microchip為CPAP設計人員提供：

●具有整合式週邊裝置的dsPIC數(shù)位訊號控制器可用于實作眾多馬達控制策略，包括無感測器的BLDC控制。

●一系列免費且低成本的程式碼范例、軟體函式庫及開發(fā)工具，可減少馬達控制系統(tǒng)設計的時間和風險。

●高準確度溫度感測器讓提供的氣溫維持在舒適程度。

●低偏移、低雜訊運算放大器可用于在類比轉數(shù)位之前放大和調節(jié)溫度與壓力感測器中的訊號。

●硬體和軟體mTouch解決方桉可針對易于在黑暗中使用的系統(tǒng)進行觸控、鄰近操作和自由空間手勢控制。

截取自Microchip官網(wǎng)

瑞薩電子

CPAP通常需要具有專用的氣體流量傳感器實時監(jiān)測氣體供給情況，氣體流量傳感器的精度和穩(wěn)定性直接關系到患者的生命安全。

瑞薩Synergy S7微控制器和IDT（瑞薩收購）推出的FS2012氣體流量傳感器搭配使用，可以合理控制電機速度，以獲得更好的流量精度。另外，通過氣體流量傳感器提供閉環(huán)反饋以確定電機故障，確保CPAP呼吸機的持續(xù)可靠運行，同時其具有內置LCD控制器以擴展系統(tǒng)功能。這種組合非常適用于CPAP和高速流體流量控制系統(tǒng)，瑞薩提供的解決方案還可以選配電源和時序設備。

瑞薩Synergy S7微控制器和FS2012氣體流量傳感器應用圖示

安路科技

安路科技是中國本土的FPGA供應商，提供基于FPGA的SoC產(chǎn)品，本文推薦使用EF2M系列SoC芯片作為主控，提出一種正壓呼吸機的系統(tǒng)控制方案。

一般采用直流電機控制的氣壓，電機的控制為PWM信號，調節(jié)PWM信號的占空比和周期可以控制電機的轉速。FPGA邏輯可以產(chǎn)生高精度的PWM信號，氣壓控制平緩、精準，提供舒適穩(wěn)定的氣壓。

直流電機工作后將氣流送至面罩內，面罩內有壓力傳感器，壓力傳感器把壓力轉換為電流信號，送到主控板需要通過ADC采集。安路的EF2M45LG144 SoC集成雙ADC，可以采集高達15路模擬信號。獲得氣壓數(shù)據(jù)后對氣流進行回饋調節(jié)，可以防止突然間的誤動作、氣管漏氣、以及供電電壓波動帶來的壓力精度偏移。

安路SoC是集成了 FPGA、MCU、ADC和Flash的單芯片系統(tǒng)，框圖如下：

安路EF2M45LG144器件在呼吸機系統(tǒng)控制方案上有下面幾個優(yōu)點：

1. 支持高達114個通用IO，可以連接按鍵、顯示、通訊等更多外部接口。

2. 內置CortexM3硬核，工作頻率125MHz，集成I2C、SPI、Uart等外設，片內大容量SRAM作為MCU工作需要的ROM、RAM，是一個完備的單片機系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)可完成參數(shù)設置、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)顯示、管理交互等功能。

3. MCU通過AHB總線和FPGA邏輯交互，完成PWM信號的參數(shù)配置，逐步調節(jié)PWM Step，這樣不會使氣流忽大忽小，讓患者的呼吸系統(tǒng)感到不適。

4. 內置ADC，采集高達15路模擬信號。

5. 內置Flash，存儲MCU程序、FPGA配置，芯片上電后，MCU、FPGA兩個部分都可以啟動工作。