一種與呼吸高同步的呼吸的製造方法
2023-05-06 15:57:01
一種與呼吸高同步的呼吸的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種與呼吸機高同步的呼吸機，包括壓力傳感器、流量傳感器、微控制器、鼻面罩、電機控制器和功率放大器、鼓風機和供氣管道，所述壓力傳感器和流量傳感器安裝在供氣管道的輸入端，供氣管道末端接鼻面罩，壓力傳感器和流量傳感器的輸出端接微控制器，微控制器的輸出端通過電機控制器和功率放大器後接鼓風機，鼓風機通過觸發信號給供氣管道提供不同氣壓的空氣。該呼吸機通過鼓風機的轉速為供氣管道提供不同的呼吸壓力支持，不同於傳統通過電磁閥的開啟和關斷以控制供氣管道的不同壓力。本實用新型呼吸機為雙水平呼吸機，減少了吸氣閥與呼氣閥，進一步的降低了呼吸機的產品成本。
【專利說明】—種與呼吸高同步的呼吸機【技術領域】[0001]本實用新型涉及醫療器械呼吸機的機械通氣控制【技術領域】，更具體地，涉及一種與呼吸高同步的呼吸機。【背景技術】[0002]呼吸機與人的呼吸同步供氣控制是指呼吸機的供氣與病人的呼吸需求相一致，SP 呼吸機的供氣周期(吸氣開始時間、吸氣持續時間、吸氣與呼氣切換時間及呼氣持續時間) 和輔助強度必須與病人呼吸需求的呼吸周期以及中樞吸氣需求程度一致，否則病人與呼吸機之間將發生相互影響，出現人機不同步，會對病人造成呼吸做功增加、呼吸肌的損傷、降低輔助治療效果、病人呼吸困難病情加重等傷害。[0003]現有雙水平正壓呼吸機與人的呼吸同步控制系統框圖與方法有如附圖1所示:其功能是根據人的吸氣相和呼氣相的觸發，以相應的提供較高和較低的壓力支持。[0004]圖1中的雙水平正壓氣路供氣通道工作原理:其雙水平供氣原理主要涉及到吸氣電磁閥102與呼氣電磁閥104的開啟與關斷的控制。首先由氣源101為整個供氣管道提供較高的吸氣壓力，當吸氣電磁閥102開啟與呼氣電磁閥104關斷時，鼻面罩103端將產生相應於吸氣相的較高壓力支持，反過來當吸氣電磁閥102關斷與呼氣電磁閥104開啟時，鼻面罩103端將直接與外界大氣相通產生相應於呼氣相的較低壓力支持，此即為呼吸機的雙水平正壓供氣氣路原理。[0005]圖1中欲獲得呼吸機的不同壓力的電氣觸發信號，首先得通過流量壓力傳感器 108採集供氣管道內的壓力和流量信號，該壓力P (t)和流量F(t)信號作為PID控制器的實際反饋信號，實際反饋信號與大氣設定的吸氣和呼氣壓力值通過迭加器107得到PID控制的輸入偏差值e(k)，輸入偏差經PID控制器109後得到輸出電壓控制信號，電壓控制信號經功率驅動電路110驅動吸氣電磁閥102與呼氣電磁閥104。[0006]根據上述呼吸機系統結構主要有最早的經典PID、積分改進、模糊PID控制等 PID改進方法，如附圖2所示的基於PID控制的積分改進方法:其基於對積分作用的有效控制，儘量減少系統的超調的考慮，在當被控量與設定的呼吸流量和壓力偏差較大時， 取消積分作用，以免由於積分作用使系統的穩定性降低，超調量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，此時的積分不僅起到了控制精度的作用，並且為系統減少超調提供了正面積極的作用。具體程序流程如附圖2所示。程序開始後，首先進行吸氣相和呼氣相的壓力設定等參數初始化過程，然後選取反饋回來的流量信號r(t)和壓力信號 y(t)，設定值與反饋值之間產生的偏差值e(t)和偏差變化量Λ e(t)，當偏差值與偏差變化量滿足e(t)=0 U e(t).Λ e(t)〈O時執行PID控制。當偏差值與偏差變化量滿足 e(t)≠O η Δ e (t) =0 U e (t).Δ e (t) >0時偏差過大去除積分調節作用而執行F1D控制， 此時可避免產生過大的超調，又使系統有較快的響應。[0007]通過該系統吸氣、呼氣電磁閥進行氣源管道與外界大氣之間的切換，和積分改進方法可以使氣道內的壓力儘快穩定在指定壓力範圍，在一定程度上提高了呼吸機的同步性。
實用新型內容
[0008]本實用新型的主要目的在於提高呼吸機的人機同步性，提出一種與呼吸高同步的呼吸機，無需採用電磁閥進行吸氣和呼氣管道的切換實現雙水平正壓，從而降低呼吸機的硬體成本。該呼吸機克服了現有呼吸機沒有真正克服由整個氣路系統由吸氣轉換為呼氣時在鼻面罩端的空氣積聚而造成的人機對抗，從而提高人機同步性以更加符合人的呼吸生理特性。
[0009]為了實現上述目的，其技術方案為:
[0010]一種與呼吸高同步的呼吸機，包括壓力傳感器、流量傳感器、微控制器、鼻面罩、電機控制器和功率放大器、鼓風機和供氣管道，所述壓力傳感器和流量傳感器安裝在供氣管道的輸入端，供氣管道輸出端接鼻面罩，壓力傳感器和流量傳感器的輸出端接微控制器，微控制器的輸出端通過電機控制器和功率放大器後接鼓風機，鼓風機通過觸發信號給管道提供不同氣壓的空氣。
[0011]所述呼吸機還包括電壓放大器、，所述微控制器的輸出端通過電壓放大器接電機控制器，
[0012]所述功率放大器包括MOS管半橋控制器和MOS管電機驅動器，所述電機控制器的輸出端接MOS管半橋控制器的輸入端，MOS管半橋控制器的輸出端接MOS管電機驅動器的輸入端，MOS管電機驅動器驅動鼓風機。
[0013]所述呼吸機還包括液晶顯示器和按鍵，所述液晶顯示器的輸入端接微控制器的輸出端，按鍵的輸出端接微控制器的輸入端。
[0014]所述呼吸機還包括報警裝置，所述報警裝置的輸入端接微控制器的輸出端。
[0015]所述呼吸機還包括呼吸供電裝置，所述呼吸供電裝置分別向鼓風機、壓力傳感器、流量傳感器、微控制器、電機控制器、顯示器和報警裝置供電。
[0016]所述鼓風機為無刷直流電機驅動的鼓風機。
[0017]該呼吸機通過鼓風機的轉速為供氣管道提供不同的呼吸壓力支持，不同於傳統通過電磁閥的開啟和關斷以控制供氣管道的不同壓力。本實用新型呼吸機為雙水平呼吸機，減少了吸氣閥與呼氣閥，進一步的降低了呼吸機的產品成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為現有的雙水平正壓呼吸機系統基本結構框圖。
[0019]圖2為現有的基於PID控制的積分改進方法流程圖。
[0020]圖3為本實用新型的呼吸機系統結構圖。
[0021]圖4為本實用新型的呼吸機電氣工作原理結構框圖。
[0022]圖5為本實用新型的智能同步控制策略。
[0023]圖6為本實用新型的呼吸機與吸氣、呼氣的同步壓力響應圖。
[0024]圖7為現有的呼吸機PID控制壓力響應圖。
【具體實施方式】[0025]下面結合附圖對本實用新型做進一步的描述，但本實用新型的實施方式並不限於此。
[0026]本實用新型改進設計是基於持續氣道正壓通氣(constant positive airwaypressure，縮寫為CPAP)的基本框架下提出如圖3所示的呼吸機工作原理結構框圖，該呼吸機包括壓力、流量傳感器1、微控制器2、鼻面罩3、電機功率放大器4、鼓風機5和供氣管道，壓力、流量傳感器I安裝在供氣管道的輸入端，供氣管道輸出端接鼻面罩3，壓力、流量傳感器I的輸出端接微控制器2,微控制器2的輸出端通過電機功率放大器4接鼓風機5,鼓風機5通過觸發信號給管道提供不同氣壓的空氣，其中供氣管道採用皮托管。其中呼吸機中微控制器2是採用呼吸壓力預測的非線性、大遲滯系統的智能同步控制策略為呼吸機的同步供氣提供了保障。其中呼吸機還包括安裝在管道前端的空氣過濾器。
[0027]基於持續氣道正壓通氣(CPAP)基本框架下的呼吸機電氣工作原理結構框圖如附圖4所示。其呼吸機信號流分析如下:該呼吸機通過流量傳感器11與壓力傳感器12分別採集管道流量和壓力信號，根據流量信號判別呼氣還是吸氣狀態；傳感器將採集的信號傳到微控制器2進行分析處理，其中微控制器2為自帶模數轉換器的微控制器；經微控制器2分析後產生電壓輸出信號，電壓輸出信號通過電機功率放大器4放大,其中電機功率放大器4包括電機控制器6、電壓放大器26、MOS半橋控制器7與MOS管電機驅動器8 ;電壓輸出信號通過電壓放大器26控制電機控制器6，產生電機驅動信號；電機驅動信號再經過MOS半橋控制器7與MOS管電機驅動器8功率放大後最終驅動鼓風機5通過觸發信號給管道提供不同氣壓的空氣。
[0028]具體實現方案:
[0029](I)呼吸信號的輸入:當人處於吸氣初始狀態時，由於供氣管道內壓力大於肺內壓，使供氣管道內的空氣瞬間被肺吸入人體而抽空，流量傳感器11採集供氣管道內的氣流量增大，壓力傳感器12採集供氣管內的壓力減小；當處於吸氣持續狀態時，由於呼吸機及時給供氣管道供氣，使供氣管道內空氣氣流和壓力平穩，使流量傳感器11和壓力傳感器12檢測信號變化不大；當轉化為呼氣瞬間時，此時由於呼吸機還處於送氣狀態，而肺部壓力大於供氣管道壓力朝體外排氣，瞬間使供氣管道內的壓力傳感器11檢測到的壓力增大。從上述的呼吸周期中可以得到供氣管道內流量傳感器11和壓力傳感器12的流量和壓力的變化信號。
[0030](2)信號的分析處理:通過流量傳感器11和壓力傳感器12採集回來的流量和壓力變化的模擬信號，經自帶模數轉換器的微控制器2進行從模擬信號轉換為微控制器2可處理的數位訊號，微控制器2中集成了本實用新型中應用於大遲滯系統的呼吸壓力預測與專家經驗PID同步供氣控制方法，壓力和流量傳感器採集回來的數據作為輸入參數，通過本實用新型的控制方法處理後得到電壓輸出控制信號，通過電壓放大器26來給電機控制器6提供電機轉速控制信號。
[0031](3)信號輸出控制:電機控制器6的剎車信號、正反轉信號由微控制器2直接控制。由於其轉速控制輸入電壓範圍超過微控制器2自帶D/A(digital to analog,數字到模擬)轉換器輸出電壓範圍，所以藉助電壓放大器26的放大後控制電機控制器6的電機調速端。由於驅動電機需較大的功率，而電機控制器6僅是通過微控制器2產生電機控制信號,欲使驅動電機還需功率放大器，在功能模塊中通過MOS管電機驅動器8通過大功率MOS管搭建的半橋功率放大器；而要使MOS管半橋功率放大電路工作需要MOS管驅動電路的幫助，這部分MOS管半橋控制器7進行解決。控制信號經過功率放大後最終驅動鼓風機5給供氣管道送氣。[0032](4)呼吸機人機互動設計:液晶顯示器23、選擇按鍵24的設計為菜單的選擇、呼吸機的工作模式選擇、工作參數的設置等呼吸機信息的選擇輸入與顯示輸出提供了媒介。而聲音報警器27的設計為呼吸機的工作異常或是病人的呼吸異常提供報警功能。[0033](5)呼吸供電裝置:呼吸供電裝置21由自恢復保險絲的設置為呼吸機的工作提供安全保障。其12V、8V、5V、3.3V電源的設置為滿足鼓風機5、壓力、流量傳感器1、電機控制器6、微控制器2、液晶顯示器23、聲音報警器27等多樣化電源需求。3.3V備用電池22為防止微控制器的突然掉電而丟失需存儲的關鍵參數而設置。[0034]運用該呼吸機設計方案，從呼吸信號的採集輸入、微控制器2的分析處理、電機控制器6的輸出控制、人機互動及電源設計即可滿足雙水平正壓力呼吸機的硬體需求。[0035]具有呼吸壓力預測的智能同步控制控制方法:[0036]本實用新型的呼吸機同步供氣控制策略如圖5所示。該控制方法主要由PID控制器、專家經驗推理的智能PID參數調整與呼吸壓力預測三大塊組成。根據呼吸狀態分別設定吸氣Pin(t)和呼氣壓力Prai(t)信號，將設定吸氣Pin(t)和呼氣壓力Prai(t)信號與反饋的壓力 P (t)進行比較形成偏差值 e (t) =Ptl (t) -P (t)，其中 P。(t) =Ain X Pin (t) +Aex X Pex ⑴， 當吸氣時Ain=I; Arai=O,當呼氣時Ain=O; Arai=I。對偏差值e(t)進行一次差分得偏差變化率厶6(0=6(0-6(卜1)，其中6(0與e(t-l)分別代表這一時刻與上一時刻的偏差值。偏差值e(t)與偏差變化率Ae (t)作為專家經驗推理的輸入參數，再根據專家經驗進行邏輯推理得到PID控制器的三個輸入參數Kp、K1、Kd，輸入偏差值e與比例Kp、積分Ki與微分Kd作為 PID控制器的輸入參數，這些輸入參數經過經典PID控制器後得到輸出控制電壓u (t)，輸出控制電壓即可以對非線性鼓風機5進行轉速控制。鼓風機5的轉速決定著供氣管道內的氣壓與氣流的大小，通過壓力傳感器11與流量傳感器12檢測供氣管道供氣端的的壓力P (t) 與流量F (t)，由於整個氣路系統由吸氣轉換為呼氣時鼓風機還未及時作出呼氣壓力切換而造成供氣管道持續地對鼻面罩供氣，而此時又加上患者肺部呼出氣體，這兩部分氣體的相互疊加而造成空氣積聚，進而造成的鼻面罩端壓力急劇上升。為克服這種壓力急劇上升而造成的人機對抗，本實用新型根據流量信號進行從吸氣轉換到呼氣的時刻進行預測，使微控制器及時驅動鼓風機進行較低呼氣壓力的切換。[0037]具體實現方案:[0038](I)專家經驗推理:分別設定吸氣Pi`n(t)和呼氣壓力Pex(t)信號，將設定吸氣 Pin(t)和呼氣壓力Pex(t)信號與反饋的壓力P(t)進行比較形成偏差值6(0=?。(04(0， 其中 P0 (t) =AinX Pin (t) +Aex X Pex ⑴，當吸氣時 Ain=I; Aex=O，當呼氣時 Ain=O; Aex=I。對偏差值 e (t)進行一次差分得偏差變化率Λ e (t) =e (t) -e (t_l)，其中e (t)與e (t_l)分別代表這一時刻與上一時刻的偏差值。偏差值e(t)與偏差變化率Ae (t)作為專家經驗推理的輸入參數，在專家經驗控制中設置多個偏差閾值範圍，作為判斷控制輸出強度。偏差變化率作為判斷控制輸出趨勢。[0039](2)經典PID控制:由模糊推理得到Kp、Ki, Kd三個參數，及輸入偏差e作為PID 控制器的輸入變量。其中比例係數為Kp，積分係數為Ki,微分係數為Kd，根據PID控制的輸入變量與輸出響應u(f) = Kve(t.) + KiZj=Oe(J) + ^[eCt) — e(t-1)]即可以得到輸出響應
u (t)。
[0040](3)呼吸壓力預測:呼吸壓力預測響應是通過以往30組離散的流量數據對下一從吸氣轉換至呼氣時刻的一種推測並作出壓力響應。該現象的出現是由於吸氣轉換為呼氣時鼓風機還未及時作出呼氣壓力切換而造成供氣管道持續地對鼻面罩供氣，而此時又加上患者肺部呼出氣體，這兩部分氣體的相互疊加而造成空氣積聚，進而造成的鼻面罩端壓力急劇上升。為克服這種壓力急劇上升而造成的人機對抗，該呼吸壓力預測模型根據呼吸生理中吸氣持續時間長度進行統計平均得到的時間tsrt，與30組離散流量數據進行預測下一呼氣開始時刻的tpin，進行調整。從而得到從吸氣轉換到呼氣的時間調整標誌時間tflag=tsrt_tpin，調整標誌時間與微控制器在吸氣開始時就進行計時的兩個時間進行比較，以判斷是否應該切換至呼氣壓力。若到達切換時間則切換呼氣低壓子程序，反之則繼續進行吸氣高壓子程序。這種具有時間序列預測功能的以消除人機對抗性的控制策略很好地符合人的呼吸生理。
[0041]本實用新型中具有呼吸壓力預測的智能同步控制方法在呼吸機上的應用得到了很好的同步壓力響應效果。集成了本實用新型控制方法的呼吸機藉助呼吸機測試平臺進行同步效果的評估，其測試圖表如附圖6所示。在附圖6中壓力傳感器和流量傳感器是呼吸機測試平臺上安裝的傳感器，該傳感器採集的是鼻面罩端的信號，流量傳感器檢測流量信號(圖中虛線部分)的上升沿表示吸氣相的開始，下降沿表示呼氣相的開始。根據鼻面罩的壓力響應(圖中實線部分)在吸氣相時及時相對較高的壓力支持，在呼氣相時又給予相對較低的壓力支持，以便降低呼氣阻力，並且在對比附圖7中單純採用PID控制策略的壓力響應圖可以明顯地發現，採用了本實用新型的智能呼吸同步控制策略在吸氣轉換為呼氣時刻消除了由於空氣積聚而產生的人機對抗，在圖中的表現即為在吸氣轉換為呼氣時消除了壓力尖峰。這種同步機械通氣方式更加符合呼吸生理需求。
[0042]以上所述的本 實用新型的實施方式，並不構成對本實用新型保護範圍的限定。任何在本實用新型的精神原則之內所作出的修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的權利要求保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種與呼吸高同步的呼吸機，其特徵在於，包括壓力傳感器、流量傳感器、微控制器、鼻面罩、電機控制器和功率放大器、鼓風機和供氣管道，所述壓力傳感器和流量傳感器安裝在供氣管道的輸入端，供氣管道末端接鼻面罩，壓力傳感器和流量傳感器的輸出端接微控制器，微控制器的輸出端通過電機控制器和功率放大器後接鼓風機，鼓風機通過觸發信號給供氣管道提供不同氣壓的空氣。
2.根據權利要求1所述的與呼吸高同步的呼吸機，其特徵在於，所述呼吸機還包括電壓放大器，所述微控制器的輸出端通過電壓放大器接電機控制器，所述功率放大器包括MOS管半橋控制器和MOS管電機驅動器，所述電機控制器的輸出端接MOS管半橋控制器的輸入端，MOS管半橋控制器的輸出端接MOS管電機驅動器的輸入端，MOS管電機驅動器驅動鼓風機。
3.根據權利要求2所述的與呼吸高同步的呼吸機，其特徵在於，所述呼吸機還包括液晶顯示器和按鍵，所述顯示器的輸入端接微控制器的輸出端，按鍵的輸出端接微控制器的輸入端。
4.根據權利要求1所述的與呼吸高同步的呼吸機，其特徵在於，所述呼吸機還包括報警裝置，所述報警裝置的輸入端接微控制器的輸出端。
5.根據權利要求1所述的與呼吸高同步的呼吸機，其特徵在於，所述呼吸機還包括呼吸供電裝置，所述呼吸供電裝置分別向鼓風機、壓力傳感器、流量傳感器、微控制器、電機控制器、顯示器和報警裝置供電。
6.根據權利要求1至5任一項所述的與呼吸高同步的呼吸機，其特徵在於，所述鼓風機為無刷直流電機驅動的鼓風機。
【文檔編號】A61M16/00GK203379444SQ201320308234
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年5月30日 優先權日:2013年5月30日
【發明者】羅語溪, 梁九興, 蔣慶, 高玉寶, 許煜聰 申請人:中山大學