一種實時反饋多模式氧控制系統的製作方法

2023-10-28 04:33:05

本發明涉及醫學實驗領域，具體涉及一種實時反饋多模式氧控制系統。

背景技術：

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣症候群(OSAHS)以患者睡眠中反覆發生上氣道完全和(或)不完全阻塞導致呼吸暫停或低通氣為特徵，其關鍵的病理生理環節為慢性間歇低氧(chronic intermittent hypoxia，CIH)。因其對心腦血管等系統的損害而逐漸受到人們關注，且成為近年來研究的熱點問題之一。建立理想的OSAHS動物模型存在很大難度，因此實際研究中大多應用睡眠呼吸暫停模式的間歇低氧動物模型，模擬周期性缺氧再氧合過程，以研究OSAHS的多系統損害。實現慢性間歇低氧(CIH)的方式主要為間歇吸入低氧混合氣體與間歇通氣阻斷法。其中前者是目前應用最廣的CIH模型。上述模型的原理是通過各種方法實現動物體內SaO2周期性降低和恢復，從而模擬OSAHS病人體內的慢性間歇低氧過程。根據供氧方式不同，目前建立慢性間歇低氧動物實驗模型的實驗裝置有不同類型:①往復運動式低氧艙，是低氧艙在動物艙之間往復運動，使動物艙間歇進入低氧環境，可基本模擬反覆缺氧－復氧的病理生理特徵，但對設備要求高，操作複雜，且不能排除反覆移動動物對實驗產生的影響；②低壓低氧艙，通過改變氧艙升降速率模擬不同的海拔高度，產生不同的壓力和氧濃度，從而達到低氧－復氧的效果，對設備的要求較高，不能準確反映常壓下缺氧的情況；③低O2高CO2箱，採用單片機技術和反饋原理，自動調節氧艙內O2、CO2濃度，建立低氧和CO2瀦留模型，不能排除CO2在低氧－復氧機制研究中的幹擾作用；④低氧混合氣體艙，亦是採用單片機技術和反饋原理，自動調節氧艙內O2濃度，通過間歇提供低氧混合氣體及常氧氣體，模擬間歇低氧過程，同時通過快速換氣或在艙體內放置石灰石吸附CO2維持艙體內CO2保持在低水平。

上述裝置均可通過電腦程式自動控制可根據需要快速方便地調節低氧的程度、頻率以及持續時間等參數，滿足不同程度及不同持續時間CIH的要求，但上述裝置仍存在一定缺點，如：

(1)單面進氣、快速間歇給予低氧氣體可能引起艙內氧濃度分布不均導致每隻動物體內缺氧程度不一致，供氣裝置缺陷導致缺氧復氧過程艙體內壓力變化大，不能模擬常壓實驗狀態；

(2)缺乏對每隻實驗動物SaO2的長期實時監測，不能明確是否造模成功；

(3)由於動物艙體及氣體控制裝置的限制，每次只能進行同一組實驗組造模，時間成本高；

(4)更關鍵的是上述實驗裝置均是通過檢測艙體內氧濃度作為評判低氧程度的指標，並通過艙體內氧濃度反饋調節供氧濃度，但艙體內氧濃度並不能代表動物體內的實際氧合情況，機體血氧飽和度主要取決於動脈血樣分壓，受肺泡通氣量、供氧濃度等多因素影響，艙體內氧濃度不均勻、動物個體差異等因素均可導致動物體內氧合程度不同，使同組實驗結果產生誤差，故使用艙體內氧濃度作為評估實驗動物缺氧程度並不符合生理要求。

技術實現要素：

綜上所述，為了克服現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種實時反饋多模式氧控制系統。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種實時反饋多模式氧控制系統，包括壓縮氧氣瓶、壓縮氮氣瓶、壓縮空氣瓶、動物艙體和單片機控制系統，所述單片機控制系統包括計算機、單片機主機、壓力傳感器、氧濃度傳感器、血氧飽和度探頭以及數據處理模塊，在動物艙體內設置有氧濃度傳感器和壓力傳感器，所述動物艙體內的每一隻實驗動物身上均綁定血氧飽和度探頭，所述血氧飽和度探頭、壓力傳感器和氧濃度傳感器通過數據線連接所述單片機控制系統的數據處理模塊；所述數據處理模塊用於接收、處理及轉換採集到的動物艙體內的氣壓、氧濃度和血氧飽和度原始數據，並將轉換過後的數據輸送給單片機主機進行反饋調節，同時再經單片機輸送到計算機經計算機顯示屏顯示出來進行實時監測；

所述壓縮氧氣瓶的出口通過氧氣管、所述壓縮氮氣瓶的出口通過氮氣管以及所述壓縮空氣瓶通過空氣管匯集到進氣管，所述進氣管再分成五個不同支路管分別向所述動物艙體內提供氣體；

在所述氧氣管上設有控制氧氣進入到所述動物艙體內的第一氣體控制裝置，在所述所述氮氣管上設有控制氮氣進入到所述動物艙體內的第二氣體控制裝置，在所述空氣管上設有控制空氣進入到所述動物艙體內的第三氣體控制裝置，所述單片機控制系統通過所述第一氣體控制裝置、第二氣體控制裝置和第三氣體控制裝置來分別控制從所述壓縮氧氣瓶、所述壓縮氮氣瓶和所述壓縮空氣瓶輸送至所述動物艙體內相應的氣體流量，並且所述單片機控制系統可以通過調節所述第一氣體控制裝置、所述第二氣體控制裝置和第三氣體控制裝置使動物艙體內實現間歇低氧模式、持續低氧模式、常氧模式或者持續高氧模式的供氧模式，從而實現在不同供氧環境下對所述動物艙體內的動物進行不同的醫學實驗。

本發明的有益效果是：該控制系統使用動物體內血氧飽和度、動物艙體內氧濃度及氣壓作為反饋信息，通過計算機向單片機設定所需的不同程度的血氧飽和度或氧濃度及持續時間並輸入單片機控制系統中的單片機控制程序，從而調節各氣體進入到動物艙體內的氣體流量，使動物艙體內迅速達到所需供氧環境，同時通過多點多面供氣使動物艙體內氧濃度迅速均勻分布，進而使動物體內血氧飽和度儘可能保持擬合併維持在預設範圍，模擬不同的供氧環境進行醫學實驗，同時可實時監測動物體內的實際氧合情況。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下進一步的改進：

進一步，所述第一氣體控制裝置包括第一氣體流量計、第一電磁閥和第一定時器，所述第一氣體流量計入口連接所述壓縮氧氣瓶的出口，所述第一氣體流量計出口通過所述第一電磁閥連接所述氧氣管，在所述第一電磁閥上設有定時控制其開啟或者關閉的所述第一定時器，所述單片機控制系統通過控制所述第一定時器定時開關所述第一電磁閥；

所述第二氣體控制裝置包括第二氣體流量計、第二電磁閥和第二定時器，所述第二氣體流量計入口連接所述壓縮氮氣瓶的出口，所述第二氣體流量計出口通過所述第二電磁閥連接所述氮氣管，在所述第二電磁閥上設有定時控制其開啟或者關閉的所述第二定時器，所述單片機控制系統通過控制所述第二定時器定時開關所述第二電磁閥；

所述第三氣體控制裝置包括第三氣體流量計和第三電磁閥，所述第三氣體流量計出口通過所述第三電磁閥連接所述空氣管。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：通過相應的氣體控制裝置調節輸入動物艙體內相應氣體的輸入流量，從而實現向動物艙體提供不同的供氧濃度，最終模擬不同的供氧環境進行醫學實驗。

進一步，所述動物艙體為方體結構，五個所述支路分別從所述動物艙體的四個側面以及頂面連通到動物艙體內。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：多面供氣使氣體在動物艙體內迅速均勻分布。

進一步，所述動物艙體的底面可抽拉出動物艙體外，在所述動物艙體的一側設有用於對其內部進行操作的窗口。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：便於對動物艙體內部的清理和操作。

進一步，在所述動物艙體的一側設有用於排出其內部氣體的出氣口，所述出氣口通過管道連接排氣流量計和排氣電磁閥。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：使所述動物艙體內的氣壓始終保持在常壓狀態。

進一步，所述動物艙體內放置有用於吸附二氧化碳的碳酸鈣。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：維持動物艙體內CO2在低水平，排除動物艙體內高CO2對實驗的影響。

進一步，所述動物艙體設有多個，並且與所述動物艙體一一對應的設有第一氣體控制裝置、第二氣體控制裝置以及第三氣體控制裝置。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：每一動物艙體進行一組動物實驗，可同時進行多組同一實驗參數的動物實驗，亦可同時進行多組不同實驗參數的動物實驗。

進一步，所述單片機控制系統還包括血氧飽和度報警裝置，所述計算機可設置所述報警裝置的報警值。

採用上述進一步技術方案的有益效果為：避免因個體差異導致個別動物嚴重缺氧死亡。

進一步，所述單片機控制系統還包括分別用於檢測並顯示所述第一電磁閥、第二電磁閥以及第三電磁閥開啟或者關閉的指示燈。

採用上述進一步技術方案的有益效益是：通過觀察相應指示燈的關閉狀態，實時監測動物艙體內氧氣、氮氣和空氣供氣狀態。

附圖說明

圖1為本發明的連接示意圖(一個動物艙體，並除去單片機控制系統)；

圖2為本發明原理控制框圖(兩個動物艙體)。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1、壓縮氧氣瓶，2、壓縮氮氣瓶，3、壓縮空氣瓶，4、動物艙體，5、第一氣體流量計，6、第一定時器，7、第一電磁閥，8、氧氣管，9、第二氣體流量計，10、第二定時器，11、第二電磁閥，12、氮氣管，13、第三氣體流量計，14、第三電磁閥，15、空氣管，16、進氣管，18、出氣口，17、排氣流量計，19、排氣電磁閥。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。

如圖1所示，一種實時反饋多模式氧控制系統，包括壓縮氧氣瓶1、壓縮氮氣瓶2、壓縮空氣瓶3、動物艙體4和單片機控制系統，所述單片機控制系統包括計算機、單片機主機、壓力傳感器、氧濃度傳感器、血氧飽和度探頭以及數據處理模塊，在動物艙體4內設置有氧濃度傳感器和壓力傳感器，所述動物艙體4內的每一隻實驗動物身上均綁定血氧飽和度探頭，所述血氧飽和度探頭、壓力傳感器和氧濃度傳感器通過數據線連接所述單片機控制系統的數據處理模塊；所述數據處理模塊用於接收、處理及轉換採集到的壓力、氧濃度和血氧飽和度原始數據，並將轉換過後的數據輸送給單片機主機進行反饋調節，同時再經單片機輸送到計算機經計算機顯示屏實時顯示出來。

所述動物艙體4內放置有用於吸附二氧化碳的碳酸鈣，通過碳酸鈣吸收一部分CO2後維持動物艙體4內CO2在低水平，排除動物艙體4內高CO2對實驗的影響。

所述壓縮氧氣瓶1的出口通過氧氣管8、所述壓縮氮氣瓶的2出口通過氮氣管12以及所述壓縮空氣瓶3通過空氣管15匯集到進氣管16，所述進氣管16再分成五個不同支路管分別向所述動物艙體4內提供氣體。所述動物艙體4為方體結構，五個所述支路分別從所述動物艙體4的四個側面以及頂面連通到動物艙體4內。所述動物艙體4的底面可抽拉出動物艙體4外，在所述動物艙體4的一側設有用於對其內部進行操作的窗口。在所述動物艙體4的一側設有用於排出其內部氣體的出氣口18，所述出氣口18通過管道連接排氣流量計17和排氣電磁閥19，所述單片機控制系統通過調節及控制所述排氣流量計17和排氣電磁閥19控制排出氣體流量，進而使所述動物艙體4內的氣壓始終保持在常壓狀態。如圖2所示，根據實際需要，所述動物艙體4設有一個或者多個，並且與所述動物艙體4一一對應的設有第一氣體控制裝置、第二氣體控制裝置以及第三氣體控制裝置。通過單片機程序設置進行不同供氧環境的動物實驗，可同時進行一組或多組動物實驗。

在所述氧氣管8上設有控制氧氣進入到所述動物艙體4內的第一氣體控制裝置，在所述氮氣管12上設有控制氮氣進入到所述動物艙體4內的第二氣體控制裝置，在所述空氣管15上設有控制空氣進入到所述動物艙體4內的第三氣體控制裝置。第一氣體控制裝置、第二氣體控制裝置和第三氣體控制裝置具體如下：

所述第一氣體控制裝置包括第一氣體流量計5、第一定時器6和第一電磁閥7，所述第一氣體流量計5入口連接所述壓縮氧氣瓶1的出口，所述第一氣體流量計5出口通過所述第一電磁閥7連接所述氧氣管8，在所述第一電磁閥7上設有定時控制其開啟或者關閉的所述第一定時器6，所述單片機控制系統通過控制所述第一定時器6定時開關所述第一電磁閥7；

所述第二氣體控制裝置包括第二氣體流量計9、第二定時器10和第二電磁閥11，所述第二氣體流量計9入口連接所述壓縮氮氣瓶2的出口，所述第二氣體流量計9出口通過所述第二電磁閥11連接所述氮氣管12，在所述第二電磁閥11上設有定時控制其開啟或者關閉的所述第二定時器10，所述單片機控制系統通過控制所述第二定時器10定時開關所述第二電磁閥11；

所述第三氣體控制裝置包括第三氣體流量13計和第三電磁閥14，所述第三氣體流量計13出口通過所述第三電磁閥14連接所述空氣管15。

所述單片機控制系統通過所述第一氣體控制裝置、第二氣體控制裝置和第三氣體控制裝置來分別控制從所述壓縮氧氣瓶1、所述壓縮氮氣瓶2和所述壓縮空氣瓶3輸送至所述動物艙體4內相應的氣體流量，並且所述單片機控制系統通過調節所述第一氣體控制裝置、所述第二氣體控制裝置、所述第三氣體控制裝置可以使動物艙體4內的環境變為間歇低氧、持續低氧、常氧或者持續高氧的多種供氧環境，從而實現在不同供氧環境下對所述動物艙體4內的動物進行醫學實驗。所述單片機控制系統還包括分別用於檢測並顯示所述第一電磁閥7、第二電磁閥11以及第三電磁閥14開啟或者關閉的指示燈，通過觀察相應指示燈的關閉狀態，實時監測動物艙體內氧氣、氮氣和空氣供氣狀態，當相應的指示燈亮起時，表示對應的電磁閥為開啟狀態，即對應的氣體正向動物艙體內供氣。

該控制系統經過單片機控制系統的PLC程序進行編程，可對各種氣體流量及時間進行控制，可執行間歇低氧模式、常氧模式、持續低氧模式、高氧模式的多種工作模式，下面分別說明：

(一)間歇低氧模式實施舉例：

實驗預設：單片機控制系統預設該實驗組動物艙體4內動物的血氧飽和度目標值範圍為82％-85％，控制氮氣供給的第二定時器10工作時間為30s，間歇時間為40s，即低氧間歇為30s，常氧間歇為40s。

實施方案：

①通過單片機控制系統關閉控制氧氣控供給的第一定時器6，並設定血氧飽和度目標值範圍為82％-85％，控制氮氣供給的第二定時器10工作時間為30s，間歇時間為40s------參數設置；

②啟動單片機控制系統的間歇低氧模式程序後，控制氮氣供給的第二定時器10和第二電磁閥11打開，迅速向動物艙體4內輸送氮氣，同時排氣電磁閥19亦打開，單片機控制系統根據動物身上的血氧飽和度檢探頭檢測到的數據及氧濃度傳感器檢測到的數據調節控制氮氣供給的第二氣體流量計9，從而控制輸入動物艙體4內的氮氣流量，根據動物艙體4內壓力傳感器檢測到的數據調節排氣流量，以維持動物艙體4內壓力不變，使動物艙體4內氧濃度迅速下降，以最快的速度使動物艙體4內各動物的血氧飽和度下降至預設範圍，並儘可能保持擬合-------此為氮氣輸送環節，即實現低氧過程；

③當動物艙體4內動物血氧飽和度下降至預設水平，並趨於擬合後控制氮氣供給的第二電磁閥11及排氣電磁閥19關閉，維持動物艙體4內低氧狀態30s------低氧維持階段，即低氧間歇；

④達到30s後控制氮氣供給的第二定時器10自動關閉，同時控制氮氣供給的第二電磁閥11亦自動關閉，此時控制氧氣供給的第一電磁閥7及排氣電磁閥19自動開放，開始向動物艙體4內輸送氧氣，以最快的速度使動物艙體4內氧濃度恢復至常氧狀態，使動物血氧飽和度恢復至正常水平------復氧過程；

⑤當動物艙體4內氧氣濃度達到常氧狀態後控制氧氣供給的第一電磁閥7自動關閉，控制空氣供給的第三電磁閥14開放，開始向動物艙體4內輸送空氣，維持動物艙體4內常氧狀態，直到控制氮氣供給的第二定時器10間歇時間達40s後重新開放------常氧維持階段，即常氧間歇；

⑥此時控制氮氣供給的第二電磁閥11及排氣電磁閥19再次開放，再次向動物艙體4內輸送氮氣，如此反覆，重複輸送氮氣-氧氣-空氣，以達到低氧-復氧-常氧的循環-----第二次循環。

另外，如果有多個動物艙體4，每一個動物艙體4工作方式均受單片機控制系統的獨立控制，可執行不同的實驗參數，如另外動物艙體4要求預設血氧飽和度目標值為65％-68％％，控制氮氣供給的第二定時器10的工作時間為40s，間歇時間為50s，而通過單片機程序設計，可發送不同的實驗參數指令，對不同的動物艙體4同時執行不同的實驗參數，即同時進行多組實驗參數不同的動物實驗。

(二)常氧模式

最簡單，除了空氣控制電磁閥及排氣電磁閥外其他開關均關閉，持續往艙體內輸送空氣，可作為實驗對照組模式。

(三)持續低氧模式

實驗預設：預設動物艙體4內動物血氧飽和度目標值範圍為70％-73％，低氧持續時間為3h。

實施方案：

①通過單片機控制系統關閉控制氧氣供給的第一定時器6，設定預設血氧飽和度目標值範圍為70％-73％，並設置控制氮氣供給的第二定時器10的工作時間為3h-----參數設置；

②啟動單片機控制系統的持續低氧模式程序後，控制氮氣供給的第二電磁閥11和第二定時器10同時開放，開始向動物艙體4內輸送氮氣，動物艙體4內氧濃度迅速下降，以使動物血氧飽和度迅速達到預設範圍，並儘可能趨於擬合，同時排氣電磁閥19亦開放，以維持動物艙體4內壓力穩定並維持在常壓狀態------實現低氧過程；

③此時控制氧氣供給的第一電磁閥7開放，同時向動物艙體4內輸送氧氣和氮氣，單片機控制系統根據動物艙體4內氧濃度及動物的血氧飽和度調節氧氣和氮氣的輸送流量，使動物艙體4內動物的血氧飽和度始終維持在預設水平，直到控制氮氣供給的第二定時器10的工作時間達到3h後系統自動關閉------低氧維持階段。

(四)持續高氧模式

實驗預設：艙體內氧濃度為80％，高氧維持時間為3h

實施方案：

①通過單片機控制系統的程序關閉控制氮氣供給的第二定時器10，並設定預設氧濃度為80％，設定控制氧氣供給的第一定時器6的工作時間為3h-----參數設置；

②啟動單片機控制系統的持續高氧模式程序後，控制氧氣供給的第一電磁閥7及排氣電磁閥19開放，開始向動物艙體4內輸送氧氣，使動物艙體4內氧濃度迅速達到預設水平，同時排氣電磁閥19開放，以維持動物艙體4內壓力穩定並維持在常壓狀態-----實現高氧過程；

③此時控制氮氣供給的第二電磁閥11打開，同時向動物艙體4內輸送氮氣和氧氣，單片機控制程序根據動物艙體4內氧濃度調節氧氣和氮氣的輸送流量，使動物艙體4內氧濃度始終維持在預設水平，直到控制氧氣供給的第一定時器6的工作時間達到3h後系統自動關閉-----高氧維持階段。

綜上所述，該系統具有如下優點：

1、快速間歇給予低氧氣體可能引起艙內氧濃度分布不均導致每隻動物體內缺氧程度不一致，通過對供氣管道及動物艙體的改進，實現多面多點供氣，使艙體內氣體迅速分布均勻，同時使用血氧飽和度和氧濃度作為反饋信息，反饋至單片機控制系統，根據預設血氧飽和度或氧濃度水平進行供氣流量調節，使同一動物艙體內同組實驗動物的血氧飽和度趨於擬合，並保持在預設範圍，減少同組實驗誤差；

2、快速間歇供氧導致艙體內氣壓不穩定，通過壓力傳感器反饋及排氣電磁閥的調節，使艙體內壓力始終保持在常壓狀態；

3、缺乏對每隻實驗動物SaO2的長期實時監測，不能明確是否造模成功，該系統以血氧飽和度作為實時反饋信息，展現動物體內的實際氧合情況，比檢測艙體內氧濃度進行缺氧程度評估更準確，並可即時明確造模是否成功；

4、由於動物艙體及氣體控制裝置的限制，每次只能進行同一組實驗組造模，時間成本高，該系統通過對實驗艙體、氣體控制裝置、PLC程序編程等多方面改進，通過設定不同程度的血氧飽和度或氧濃度及持續時間，可實現多種模式的供氣要求，不同動物艙體可同時進行一組相同實驗參數的動物實驗，亦可同時進行不同實驗參數的多組動物實驗，縮短造模時間，節約時間成本；

5、單片機控制系統的PLC控制程序可設置血氧飽和度報警裝置，可設定不同範圍的報警值，避免因個體差異導致個別動物嚴重缺氧死亡。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。