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

概念部分

呼吸機(jī)，是一種能代替、控制或改變?nèi)说恼Ｉ砗粑?，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(chǔ)備能力的裝置。當(dāng)嬰幼兒并發(fā)急性呼吸衰竭時(shí)，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(yīng)考慮氣管插管及呼吸機(jī)。

呼吸機(jī)必須具備四個(gè)基本功能，即向肺充氣、吸氣向呼氣轉(zhuǎn)換，排出肺泡氣以及呼氣向吸氣轉(zhuǎn)換，依次循環(huán)往復(fù)。因此必須有：⑴能提供輸送氣體的動(dòng)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(dòng)力源：可用壓縮氣體作動(dòng)力（氣動(dòng)）或電機(jī)作為動(dòng)力（電動(dòng)）呼吸頻率及吸呼比亦 可利用氣動(dòng)氣控、電動(dòng)電控、氣動(dòng)電控等類型，呼與吸氣時(shí)相的切換，常于吸氣時(shí)于呼吸環(huán)路內(nèi)達(dá)到預(yù)定壓力 后切換為呼氣（定壓型）或吸氣時(shí)達(dá)到預(yù)定容量后切換為呼氣（定容型），不過現(xiàn)代呼吸機(jī)都兼有以上兩種形式。

治療用的呼吸機(jī)，常用于病情較復(fù)雜較重的病人，要求功能較齊全，可進(jìn)行各種呼吸模式，以適應(yīng)病情變 化的需要。而麻醉呼吸機(jī)主要用于麻醉手術(shù)中的病人，病人大多無重大心肺異常，要求的呼吸機(jī)，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(jī)內(nèi)渦輪泵產(chǎn)生。大氣通過過濾器進(jìn)入安需閥，安需閥開啟的大小 和泵的轉(zhuǎn)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(shè)定，調(diào)節(jié)適量的氣體通過單向閥 進(jìn)入人體面罩，并進(jìn)人人體，即吸人正壓；單向閥關(guān)小，吸人壓力降低，病人肺部的吸人正壓自動(dòng)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(jìn)入儲(chǔ)氣罐，流量調(diào)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(shè)定，調(diào)節(jié)適量的氣體通過單向閥進(jìn)人人體面罩，并進(jìn)人人體，即吸人正壓 ，病人呼氣時(shí)，單向閥關(guān)小，吸人壓降低，病人肺部吸人正壓自動(dòng)流出，即通過面罩呼出。

美信

連續(xù)正氣壓呼吸機(jī)(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(lán)色方框?qū)儆诿佬趴商峁┊a(chǎn)品部分）

該CPAP呼吸機(jī)由以下幾個(gè)部分組成：

1，氣壓可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，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(jī)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(jī)相關(guān)的傳感器包括：電機(jī)繞組電流輸入檢測和電機(jī)電壓檢測，此外，還有溫度傳感器等。

3，系統(tǒng)輸出包括：電機(jī)速度、蜂鳴報(bào)警或語音報(bào)警。

4，用戶界面主要包括開/關(guān)、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(shí)現(xiàn)，價(jià)位較低的系統(tǒng)可使用簡單的信號(hào)燈LED。

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

其中在電機(jī)控制和檢測部分，空氣面罩壓力傳感器輸入用于控制風(fēng)機(jī)速度。風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，并且CPAP應(yīng)用要求轉(zhuǎn)速變化非?？臁Ｋ?，必須監(jiān)測電機(jī)繞組電流，確保電機(jī)不會(huì)嚴(yán)重過載。

通常監(jiān)測電機(jī)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(jī)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(dá)毫伏范圍。ADC必須工作在較高速度，對最高電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣。電機(jī)電流首先連接至電流檢測放大器，將電流值轉(zhuǎn)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(shè)備中扮演著重要角色，它負(fù)責(zé)將物理值（例如氣道壓力和流量）轉(zhuǎn)換成差動(dòng)信號(hào)。空氣和流量傳感器生成的信號(hào)能幫助微處理器調(diào)節(jié)電機(jī)，從而調(diào)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(dǎo)致信號(hào)超標(biāo)、隨溫度變化和非線性。具有低偏移電壓和較小的時(shí)間和溫度漂移的放大器是信號(hào)調(diào)節(jié)的理想選擇。

通過對三個(gè)電流相位中的至少兩個(gè)相位和為電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋供電的直流總線電壓進(jìn)行監(jiān)控，可以實(shí)際控制直流電機(jī)。對相電流而言，可以使用兩種方法：高側(cè)或低側(cè)。直接相位測量或高側(cè)方法需要高速差動(dòng)放大器或電流分流監(jiān)視器，這種方法通常更加精確。低側(cè)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(jī)由分立式 FET驅(qū)動(dòng)。其中TI 的 DRV 系列提供了具有散熱保護(hù)功能的集成驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)執(zhí)行多個(gè)操作，其中包括對壓力信號(hào)進(jìn)行采樣和計(jì)算所需的氣道壓力及流量，以便與電機(jī)進(jìn)行通信。要高效實(shí)時(shí)地完成這些操作，應(yīng)使用高速、低功耗、高度集成的微處理器。高質(zhì)量 DSP 可用于此類應(yīng)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(dǎo)體

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

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(jī)可以通過持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)壓力與呼吸機(jī)電機(jī)控制調(diào)速相結(jié)合來保持恒定的氣流。其中黃綠色方框?qū)儆贜XP可以提供方案部分。

截取自恩智浦官網(wǎng)（藍(lán)黃色方框?yàn)镹XP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(shè)計(jì)人員會(huì)使用各類馬達(dá)，而具有彈性整合式馬達(dá)控制週邊裝置的Microchip PIC微控制器可控制所有這些馬達(dá)。

Microchip為CPAP設(shè)計(jì)人員提供：

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

●一系列免費(fèi)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(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。

●高準(zhǔn)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(yùn)算放大器可用于在類比轉(zhuǎn)數(shù)位之前放大和調(diào)節(jié)溫度與壓力感測器中的訊號(hào)。

●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(jìn)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(shí)時(shí)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(guān)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(jī)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(jī)故障，確保CPAP呼吸機(jī)的持續(xù)可靠運(yùn)行，同時(shí)其具有內(nèi)置LCD控制器以擴(kuò)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(shí)序設(shè)備。

瑞薩Synergy S7微控制器和FS2012氣體流量傳感器應(yīng)用圖示

安路科技

安路科技是中國本土的FPGA供應(yīng)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(jī)的系統(tǒng)控制方案。

一般采用直流電機(jī)控制的氣壓，電機(jī)的控制為PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比和周期可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。FPGA邏輯可以產(chǎn)生高精度的PWM信號(hào)，氣壓控制平緩、精準(zhǔn)，提供舒適穩(wěn)定的氣壓。

直流電機(jī)工作后將氣流送至面罩內(nèi)，面罩內(nèi)有壓力傳感器，壓力傳感器把壓力轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，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(dá)15路模擬信號(hào)。獲得氣壓數(shù)據(jù)后對氣流進(jìn)行回饋調(diào)節(jié)，可以防止突然間的誤動(dòng)作、氣管漏氣、以及供電電壓波動(dòng)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(jī)系統(tǒng)控制方案上有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1. 支持高達(dá)114個(gè)通用IO，可以連接按鍵、顯示、通訊等更多外部接口。

2. 內(nèi)置CortexM3硬核，工作頻率125MHz，集成I2C、SPI、Uart等外設(shè)，片內(nèi)大容量SRAM作為MCU工作需要的ROM、RAM，是一個(gè)完備的單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)可完成參數(shù)設(shè)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(hào)的參數(shù)配置，逐步調(diào)節(jié)PWM Step，這樣不會(huì)使氣流忽大忽小，讓患者的呼吸系統(tǒng)感到不適。

4. 內(nèi)置ADC，采集高達(dá)15路模擬信號(hào)。

5. 內(nèi)置Flash，存儲(chǔ)MCU程序、FPGA配置，芯片上電后，MCU、FPGA兩個(gè)部分都可以啟動(dòng)工作。