正压睡眠呼吸机硬件设计方案

睡眠呼吸机是用于治疗在睡眠状态下，病人上呼吸道阻塞的一种设备。睡眠的上呼吸道阻塞会造成鼾声、血氧降低、代谢紊乱等状况，长期会导致或加重各种慢性疾病：如高血压、糖尿病、心脑血管疾病、神经性疾病等。睡眠呼吸机通过对患者呼吸道持续输送一定压力的气流，从而形成气体支架，支撑患者的气道开放，保证患者的呼吸通畅，消除鼾声以及OSAHS所带来的负面影响。

本次技术型授权代理商Excelpoint世健邀请到了行业资深工程师沈工来分享他的实战设计经验。沈工及团队设计的正压睡眠呼吸机硬件方案由电机控制系统、压力/流量测量系统、气路系统、加热/加湿系统和人机界面等组成。

多数使用正压睡眠呼吸机的患者是在睡眠期间使用该设备，所以呼吸机的通气舒适度及静音性能是其重要指标。另外，睡眠呼吸机的功能之一是在系统发生异常时，能及时发现并立即采取适合的保护措施，其核心要点即是呼吸机风机的控制。

这款正压睡眠呼吸机硬件设计方案有三个重要特征。第一涵盖极高动态的电机转速范围：双水平模式下，电机转速范围会在10000rpm以内及25000rpm以上快速切换，转速切换时间可低于0.5秒。第二可维持尽可能小的噪声。呼吸机压力为10cm水柱时，一般要求低于30dB，高端的产品可以做到23dB及以下。第三具有灵活方便的系统诊断，保护机制：以方便的结合驱动器信息及相关传感器定位相关异常事件，包括呼吸面罩脱落、呼吸管路漏气、风机堵转等等。

家用正压睡眠呼吸机要求小巧的体积及极小的运行噪声，因此电机控制需要采用FOC算法，根据负载（系统压力和流量状况），控制风机稳定运行，减小转矩脉动，从而大大减少电机自身的运行噪声。通常工程师在产品开发中，会选择直接购买风机配套的驱动板，这样成本相对比较高，而且接口控制不够灵活。 沈工的方案则能以较低的成本达到更好的性能及灵活度。

1.呼吸机风机控制系统

表1 呼吸机风机参数


图1 所用医用级风机实物图

在TMC4671和呼吸机风机参数的基础上，沈工及团队开发了风机驱动板，电机控制部分简要框图如下：

图2 电机控制部分简要框图

电机控制核心FOC算法及控制由ADI Trinamic的TMC4671完成，功率驱动部分及电流采样使用ADI Trinamic的TMC6200完成。TMC4671极大简化了电机控制部分的算法，解放了MCU的算力，使用户可以专注于系统应用级的设计，如更适于患者的压力流量曲线等。
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