呼吸机人机交互系统的设计与实现

论文总字数：27683字

摘 要

呼吸机是常用的医疗设备，对于管理麻醉呼吸，治疗呼吸衰竭以及挽救危重病人生命起到重要的作用。随着电子信息技术的不断发展进步，呼吸机的功能也日趋丰富和强大。而呼吸机的人机交互系统作为用户直接操作呼吸机的区域，要求人机交互简单友好，功能实现正确稳定。本文设计并实现了一种基于组态屏的呼吸机人机交互系统，系统使用组态屏作为显示设备，STM32作为主控芯片，拥有友好的人机交互界面和完善的功能，满足了呼吸机在临床上的实际需求。

论文首先介绍了呼吸机的发展历程，国内外发展现状和呼吸机的整体结构，分析了呼吸机人机交互系统的功能需求、性能需求及其他需求，例如呼吸参数和呼吸机工作状态的显示，通信功能，报警系统，自检与校正等功能。

随后论文介绍了在组态屏上进行人机交互界面设计的方法，和以STM32为核心的上位机控制板的软件实现。系统采用组态屏作为界面的显示设备，配合VisualTFT软件设计出美观友好的主界面、自检界面、校正界面、设置界面这四个功能界面；上位机控制板采用STM32F103作为主控芯片，外接薄膜按键与飞梭作为用户的操作方式，同时与下位机和组态屏相连接分别实现通信，在实现的呼吸机基本功能的基础上，增加了报警系统、自检与校正等扩展功能。

论文最后对该人机交互系统进行了多个环节的测试，测试结果表明该系统已经具备有预期的正确性、完善性和稳定性。

关键词：呼吸机，人机交互系统，组态屏，STM32

Abstract

Ventilator is a commonly used medical device, which plays an important role in managing anesthesia breathing, treating respiratory failure and saving the lives of critically patients. With the continuous development of electronic technology, the function of ventilators is becoming more and more abundant and powerful. The human-computer interaction system of the ventilator, as the area where the user directly operates the ventilator, requires simple and friendly human-computer interaction, and the function is implemented correctly and stably. This paper designs and implements a ventilator human-computer interaction system based on the configuration screen. The system uses the configuration screen as the display device, and the STM32 acts as the main control chip. It has a friendly human-computer interaction interface and perfect functions to meet the actual clinical needs of the ventilator.

At first, the paper introduces the development history of the ventilator, the development status at home and abroad and the overall structure of the ventilator. It analyzes the functional requirements, performance requirements and other requirements of the ventilator human-computer interaction system, such as the display of respiratory parameters and ventilator working status, communication functions, alarm systems, self-test and correction functions and so on.

Then the paper introduces the method of designing human-computer interaction interface on the configuration screen and the software implementation of the upper computer control board with STM32 as the core. The system adopts the configuration screen as the interface display device, and cooperates with the Visual TFT software to design the four functional interfaces: the main interface, the self-test interface, the calibration interface and the setting interface. The upper control panel adopts STM32F103 as the main control chip. The external buttons and shuttles act as the user's operation mode. The upper control panel is connected with the lower computer and the configuration screen to realize communication. On the basis of the basic functions of the ventilator, the alarm system, self-test and correction and other extended functions are added.

At the end of the paper, the human-computer interaction system was tested in several aspects. The test results show that the system has the expected correctness, perfectness and stability.

KEY WORDS: ventilator, human-computer interaction system, configuration screen, STM32

目 录

摘要……………………………………………………………...………………………………I

Abstract……………………………………………………………………………………..…...II

第一章 绪论…………………………………………………………………………………….1

1.1 研究的背景和意义…………………………………………………………………….1

1.2 呼吸机的发展现状…………………………………………………………..………...1

1.2.1 呼吸机的发展历程………………………………………………..…………….1

1.2.2 国内外呼吸机发展现状……………………………………………..………….2

1.3 本论文的主要内容……………………………………………………..……………...3

第二章 呼吸机人机交互系统的需求分析……………………………………………..……...4

2.1 呼吸机的系统结构…………………………………..………………………………...4

2.2 人机交互系统功能需求分析…………………………………..……………………...5

2.3 人机交互系统的其他需求……………………………………..……………………...9

第三章 基于组态屏的呼吸机人机交互界面设计………………………………………..…..10

3.1 组态屏的介绍………………………………………..……………………………..…10

3.1.2 组态屏较传统屏的优势……………………………………..…………………10

3.1.3 组态屏的选型…………………………………………………..………………11

3.1.4 组态屏的设计方法………………………………………………..……………12

3.2 呼吸机人机交互界面的设计……………………………………..…………………..12

3.2.1 主界面………………………………………………..…………………………13

3.2.2 自检界面…………………………………………………..……………………16

3.2.3 报警界面…………………………………………………………………..……17

3.2.4 设置界面………………………………………………………..………………19

第四章 上位机控制板的软件实现…………………………………………………..………..21

4.1 系统工作的流程……………………………………………………….……………...22

4.1.1 整体工作过程………………………………………………………..…………22

4.1.2 正常工作过程…………………………………………………..………………22

4.1.3 校正过程……………………………………………..…………………………23

4.2 功能需求的实现……………………………………………………..………………..23

4.2.1 用户操作的检测与处理…………………………………………….…….……23

4.2.1 通信的实现………………………………………………………..……………25

4.2.2 图像的绘制………………………………………………………..……………26

4.2.3 报警系统………………………………………………………..………………29

4.3 呼吸机人机交互系统的测试……………………………………………………..…..30

第五章 总结与展望…………………………………………………..………………………..32

5.1 总结…………………………………………………………………..………………..32

5.2 展望……………………………………………………………..……………………..32

致谢……………………………………………………………………………………………..33

参考文献………………………………………………………………………………………..34

第一章 绪论

• 1. 研究的背景和意义

呼吸机是现代临床医学中十分重要的医疗设备，它能有效地人工替代自主通气功能，从而在管理麻醉呼吸，治疗呼吸衰竭以及挽救危重病人生命方面扮演着至关重要的角色^[1]。起初呼吸机只是单纯地起到一个机械通气的功能，其基本工作原理就是通过体内外气压差将氧气与空气的混合气体送入患者的肺中，并将呼吸作用产生的二氧化碳等气体排出肺外^[2]。随着电子机械行业的不断发展进步，呼吸机的功能也日臻丰富与完善。现代化的呼吸机不仅需要根据特定病人的体重、肺顺应性、具体病情等设置针对性的呼吸模式及呼吸参数；还要求实时监控病人的呼吸，用图像或者数字等直观的形式显示出来；当呼吸出现异常时，能产生不同类型的报警信息，提醒医护人员注意。

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