一種用於二氧化碳濃度計算的多參數補償方法
2023-06-29 00:43:06
專利名稱：一種用於二氧化碳濃度計算的多參數補償方法
技術領域：
本發明屬生物醫學工程領域，涉及一種二氧化碳濃度計算方法。
背景技術：
在醫用臨床上監測二氧化碳濃度有著重要的意義，可以反映患者的02與C02的代 謝情況。無論是旁流式還是主流式二氧化碳濃度檢測儀，實際中的二氧化碳濃度檢測系統 在測量過程中，都存在一定程度上的信號失真，由於紅外光源的波動和探測器的溫漂，以及 主流通道內其他氣體如氧氣、二氧化氮、水蒸汽、各種麻醉氣體對4. 26 y m的紅外線的測量 幹擾等因素，會直接影響到結果的輸出。因此需要通過實驗總結自適應經驗算法，利用軟體 算法對系統的濃度進行補償校正計算。
發明內容
本發明的主要目的是提出一種根據主流式二氧化碳濃度檢測儀的實時連續測量 得到的數據信號的自適應多參數補償方法。一種用於二氧化碳濃度計算的多參數補償方法，應用於對帶有主檢測端和參考端 的主流式二氧化碳濃度檢測儀的軟體補償，主測量端和參考端相互靠近，採用相同的紅外 傳感器分別採集不同特定波長光的光強信號，由置於主測量端和參考端之間的熱敏電阻作 為溫度傳感器，包括(1)建立熱敏電阻值與紅外傳感器值的關係圖，其中檢測點為不同溫度下測得的 實際傳感器值，並作出熱敏電阻值與實際傳感器值的擬合曲線；(2)根據實際傳感器值和熱敏電阻值的擬合曲線的特徵得到溫度補償偏移量計算 公式A=a(R' -20)+b(R' 2-202)+c(R' 3_203)，R，為由紅外傳感器監測的熱敏電阻值；(3)採集無呼吸時參考端的穩定數據v' f ；(4)在通道中有呼吸氣體流動時，採用如下的方法實現二氧化碳濃度計算的多參 數補償(a)實時採集參考端信號vf和主檢測端信號；(b)計算此時的衰變率7 =
(c)計算利用衰變率補償至無呼吸狀態下主檢測端的信號值v' ffl
,_ Vm _ vm-v'fvm=--=—,-
1-77 2vf-vf _ ，(d)根據採集的溫度信號，計算熱敏電阻值，並代入上一步得到的溫度補償偏移量 計算公式進行反向補償運算，得到偏移量A ；(e)根據所獲得的偏移值對信號值進行補償，並計算將呼吸衰減補償和溫度漂移 補償後得到的二氧化碳濃度
Cco2=k-Ln(-^- + A)k:濃度計算中的常係數。本發明提出一種適用於二氧化碳監測儀中二氧化碳濃度計算的自適應多參數補 償算法，綜合考慮了實際系統中由呼吸氣體流動造成的信號衰減和溫度漂移兩大因素造成 的數據誤差情況，分別對其進行自適應補償計算，從而使最終分析得到二氧化碳濃度數據 更加精確而有價值，可以大大提高二氧化碳濃度監測系統的精確度。
圖1本發明的主流式二氧化碳濃度測量裝置的檢測通道布局圖。圖2本發明的主流式二氧化碳濃度測量裝置的電路結構框圖。圖3熱敏阻值與紅外傳感器值的關係曲線圖。圖4本發明的多參數補償方法示意圖。
具體實施例方式本發明的二氧化碳濃度多參數補償方法針對主流式二氧化碳濃度檢測儀而提出， 下面首先給出本發明的補償算法適用的一種檢測儀。該種主流式二氧化碳濃度監測裝置如圖1所示的紅外光源1與紅外傳感器3，4構 成的檢測端垂直相對，其方向與氣體呼吸主通道中氣體流動的方向相垂直，主檢測端與參 考端並列設置在主呼吸通道璧上，以達到在呼吸的過程中，在氣體流動的同時實時檢測二 氧化碳濃度的目的，為了減少溫度漂移造成的誤差，在兩個檢測端的中間設置一枚由熱敏 電阻構成的溫度傳感器5，以便收集主檢測端和參考端工作溫度數據和溫度漂移數據，用來 進行溫度漂移的反向補償。在光路設計中使用了三層濾波在紅外光源1與測量通道間設置了 3. 9 u m-4. 35um的光源濾波片2 ；在主測量端和參考端之前的測量通道上設置兩層濾波 片，第一層是採用3. 9 u m-4. 35um的濾波片7對測量端和參考端統一濾波，第二層主測量 端使用4. 26 y m的窄帶濾波片8，第二層參考端使用4 u m的窄帶濾波片9。主流式二氧化碳濃度測量裝置的電路結構框圖見圖2。測量過程如下原始信號的產生由窄帶濾波片和紅外傳感器構成的檢測端會將檢測出的物體吸 收的紅外線能量變化量轉換為原始電信號輸出。原始信號的預處理由於原始信號十分微弱並且存在一定幹擾，故需要將收集到 得原始信號進行放大、濾波等預處理。計算二氧化碳濃度值對預處理後的信號進行數位化處理，使之轉換為數位訊號 並傳送至計算單元，本實施例的計算單元為高速數字處理單元CPU，CPU對採集到的數據進 行分析和轉換並計算得到二氧化碳濃度。計算單元也可以採用計算機或者其他的微處理
o考慮到實際呼吸氣體流動造成的信號衰減和傳感器溫度漂移所造成的各種失真 的具體情況，根據對實驗數據的分析，本發明設置了兩個補償部分，參見圖4。1、呼吸衰減補償
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檢測系統中由光源產生光子，光子運動到對面的傳感器上產生電信號。在實際的 呼吸作用下，由於氣流流動對光子有衝擊作用，傳感器接受的信號會受到影響，信號會衰 減。光子的在呼吸時和無呼吸時的不同變化反映到參考端和主檢測端的電壓信號上表現為 有呼吸時刻之後的信號衰減。因此，在對co2濃度值進行計算的時候，不能直接採用主測量 端和參考端的值，而應該採用考慮了呼吸衰減並進行補償後的值。在通道中沒有氣流運動時，主檢測終端和參考監測終端的採樣信號保持穩定，而 在通道中有氣流運動時後，由主監測終端和參考監測終端監測到的信號由於呼吸對光子的 影響而產生衰減，假設兩個信號分別衰變到了 V2和V4，因此，在對二氧化碳濃度值進行計 算的時候，不能直接採用主測量端和參考端的值。若檢測通路入射光強為、，主檢測終端無 呼吸時的穩定信號值定義為v' m，而參考監測終端的穩定信號值定義為v' f，同時由於吸 收峰值在4. Oym波長的氣體不參與呼吸過程，所以其濃度保持不變，當通道中的氣體流速 為v，則參考端信號^和主檢測端信號可計算得到，此時的衰變率為
vf -v'f？7= ,
v/將主檢測端信號vm根據衰減率補償到無呼吸作用下穩定信號值v' ffl為
「 n, VmVm'V'fvm = =
1-；7 2vf-vf2、溫度漂移補償氣體監測傳感器在進行信號採集時存在著一定的溫度漂移，在當前濃度不變的情 況下，若給監測裝置進行升溫，通過觀察溫度傳感器來檢測的信號變化可以發現當系統溫 度由r升到rl時，傳感器測量端會有微小的信號漂移A Vm。在主監測通道中傳感器旁邊設置一熱敏電阻來監測當前通道的溫度，在沒有呼吸 作用時，改變通道溫度，圖3給出熱敏電阻值與傳感器值的關係。圖中點為不同溫度下對同 一濃度測得的實際傳感器值，實線為熱敏阻值與傳感器值的擬合曲線。其擬合多項式為V = aXR+bX R2+c X R3+kV為傳感器電壓值，R為熱敏電阻值，a, b，c, k為擬合係數。根據以上的漂移定量漂移值，隨著傳感器s的溫度採集量的變化，系統可以實時 的修正由於溫度變化帶來的微小信號偏移，補償方法如下計算單元根據採集的溫度信號，計算熱敏電阻值，並採用上述擬合多項式對傳 感器檢測端的信號進行反向補償運算，將各個熱敏電阻值的監測值反補償到熱敏阻值為 20KQ (熱敏電阻在常溫下的值為20KQ)下對應的信號值，偏移量公式為A = a(R' -20)+b (R' 2-202)+c (R' 3_203)，式中，R，為由紅外傳感器測得的熱 敏電阻值。最後，將呼吸衰減補償和溫度漂移補償後得到的二氧化碳濃度為Cco2=k.Ln(-^- + A)k 濃度計算中的常係數。
權利要求
一種用於二氧化碳濃度計算的多參數補償方法，應用於對帶有主檢測端和參考端的主流式二氧化碳濃度檢測儀的軟體補償，主測量端和參考端相互靠近，採用相同的紅外傳感器分別採集不同特定波長光的光強信號，由置於主測量端和參考端之間的熱敏電阻作為溫度傳感器，包括(1)建立熱敏電阻值與紅外傳感器值的關係圖，其中檢測點為不同溫度下測得的實際傳感器值，並作出熱敏電阻值與實際傳感器值的擬合曲線；(2)根據實際傳感器值和熱敏電阻值的擬合曲線的特徵得到溫度補償偏移量計算公式Δ＝a(R′-20)+b(R′2-202)+c(R′3-203)，R』為由紅外傳感器監測的熱敏電阻值；(3)採集無呼吸時參考端的穩定數據v′f；(4)在通道中有呼吸氣體流動時，採用如下的方法實現二氧化碳濃度計算的多參數補償(a)實時採集參考端信號vf和主檢測端信號vm；(b)計算此時的衰變率 = v f- v f vf ; (c)計算利用衰變率補償至無呼吸狀態下主檢測端的信號值v′m v m = vm 1- = v m v f 2 v f - v f ; (d)根據採集的溫度信號，計算熱敏電阻值，並代入上一步得到的溫度補償偏移量計算公式進行反向補償運算，得到偏移量Δ；(e)根據所獲得的偏移值對信號值進行補償，並計算將呼吸衰減補償和溫度漂移補償後得到的二氧化碳濃度 C c o 2 =kLn ( v m 2 vf - vf + ) k濃度計算中的常係數。
全文摘要
本發明屬生物醫學工程領域，涉及一種用於二氧化碳濃度計算的多參數補償方法，包括建立熱敏電阻值與紅外傳感器值的關係圖，其中檢測點為不同溫度下測得的實際傳感器值，並作出熱敏電阻值與實際傳感器值的擬合曲線；根據實際傳感器值和熱敏電阻值的擬合曲線的特徵得到溫度補償偏移量計算公式Δ＝a(R′-20)+b(R′2-202)+c(R′3-203)；採集無呼吸時參考端的穩定數據v′f；在通道中有呼吸氣體流動時；計算將呼吸衰減補償和溫度漂移補償後得到的二氧化碳濃度。本發明可以大大提高二氧化碳濃度監測系統的精確度。
文檔編號A61B5/08GK101874735SQ20101021633
公開日2010年11月3日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者李 傑, 楊嘉琛, 武強一, 汪磊, 王斌, 範超偉, 韋娜 申請人:天津大學