一種通過標定K值來控制氣量精度的方法及裝置與流程

2023-09-23 16:08:55 3

本發明涉及一種通過標定k值來控制氣量精度的方法及裝置，尤其可應用於醫學模擬教學過程中潮氣量、肺活量的檢測和氣管插管檢測。
背景技術：
：潮氣量（tv）是指平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣量。肺活量是指在不限時間的情況下，一次最大吸氣後再盡最大能力所呼出的氣體量，這代表肺一次最大的機能活動量，是反映人體生長發育水平的重複機能指標之一。肺活量能夠顯示一個人的心肺功能，肺活量大的人，身體供氧能力更強。現在大多數醫學教育產品上的潮氣量檢測方法是採用文丘裡管連接壓差傳感器，將壓差信號轉化為流量信號，再通過積分將流量換算為吹氣量來模擬氣量檢測，需要進行多次重複標定，過程繁鎖。全麻病人或危重病人需要在其呼吸道內及時準確地插入氣管插管通氣來挽救生命。氣管插管能準確插入氣管而不是食管，這就是醫療技藝的關鍵。氣管插管訓練用模型在教學中很常用，但是學生在練習時，往往只是盲插，並不知道自己是否將氣管插管準確的插到了模型人的氣管中，這種練習是無效的。尋求一種方法能檢測到氣管是否正確插入氣管中顯得相當重複。目前市面上的醫學教學模型中，進行氣管插管操作時多數是採用光電反射傳感器檢測氣管插入的位置是否正確。技術實現要素：本發明的目的在於一種通過標定k值來控制氣量精度的方法，進一步實現潮氣量檢測方法，摒棄了文丘裡管和各種傳感器，不需要繁複精確的標定，通過自定義的標定算法即可得到精確的潮氣量數據，還可以通過該方法判斷氣管插管操作是否正確。本發明公開了一種通過標定k值控制氣量精度的方法，具體技術方案是，步驟s101：控制模塊將差壓傳感器採集到的採樣值ps轉換成瞬時壓力值pv，其中ps是進氣裝置給氣路裝置充氣時採集到的瞬時採樣值；步驟s103：檢測單位時間內氣路裝置的瞬時氣體流速f，單位是l/min，f可由氣體流量計檢測獲得；步驟s105：控制模塊計算氣路裝置的氣體流速f1；f1=k1*pv*pv+k2*pv+b，其中k1和k2為預設的經驗值，b為控制調整的比例因子；步驟s107：根據f1調整氣路裝置的實際氣體流速f2，f2=k*f1，其中k為控制調整的比例因子；步驟s109：判斷實時採樣值ps0，如果是，表示氣管插管操作錯誤，否則執行步驟s123；步驟s123：判斷是否v食=0，如果是，執行步驟s125；步驟s125:判斷是否v左≈v右，表示氣管插管操作正確，否則執行步驟s127；步驟s127：判斷是否(v左-v右)/v左>=0.8或（v左-v右)/v左<=-0.8，如果是，表示氣管插管插入左支過深或插入右支過深，進一步地；步驟s129:判斷當v左=0或者v右=0，氣管插管錯誤，並且為絕對過深；本發明還公開了一種通過標定k值來控制氣量精度的裝置，包括進氣裝置，氣路裝置、差壓傳感器、氣體流量計和控制模塊；氣路裝置設置有進氣孔和出氣孔，進氣孔連接進氣裝置，出氣孔至少兩個，分別連接差壓傳感器和氣體流量計；氣體流量計採集氣孔裝置出氣孔出氣量的瞬時流速f；差壓傳感器連接控制模塊，並採集出氣孔出氣量的壓力值或電壓值；控制模塊對差壓傳感器採集到的數據進行氣量計算及比較；進一步地，所述的控制模塊通過a\d採樣得到差壓傳感器的輸出數據ps，將此輸出數據通過算法換算成瞬時氣體流速f2，再通過積分計算得到氣量v，並進行判斷是否達到精度要求，以此循環，直到氣量達到控制精度要求。進一步地，所述的進氣裝置可以是但不僅限於氣泵；本發明的有益效果在於，依據本發明公開的方法，還可用於潮氣量檢測和氣管插管的檢測；在潮氣量檢測過程中摒棄了文丘裡管，不需要繁複精確的標定，通過自定義的標定算法即可得到精確的氣量數據，大大的節省了開發成本和工時；在氣管插管過程中，摒棄了各種傳感器，只通過各路數值的比較，就可判斷氣管插管是否正確。附圖說明圖1是本發明的一種通過標定k值來控制氣量精度的方法的流程圖。圖2是根據本發明實施例的潮氣量檢測方法的流程圖。圖3是根據本發明實施例的潮氣量檢測裝置的結構圖。圖4是根據本發明實施例的氣管插管檢測方法的流程圖。圖5是本發明計算瞬時氣體流速標定曲線圖。具體實施方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋，並不用於限定本發明。參照圖1，為本發明的一種通過標定k值來控制氣量精度的方法的流程圖。步驟s101：控制模塊將差壓傳感器採集到的採樣值ps轉換成瞬時壓力值pv，其中ps是進氣裝置給氣路裝置充氣時採集到的瞬時採樣值；具體方法為：步驟s1001：差壓傳感器採集實時採樣值，記作ps，此數據ps為2個字節的補碼，將之轉換成原碼，可能是正數也可能是負數；步驟s1002：將獲得的多個瞬時採樣值ps通過卡爾曼濾波遞歸算法或者採用平均值算法獲得最終的平均值，記為pt；步驟s1003：控制模塊將得到的平均值pt轉算成瞬時壓力值（浮點數），記此值為pv，單位為v，計算公式為：pv=pt/ff;其中，ff為差壓傳感器內定係數，不同傳感器不一樣，若無特殊說明，一般認為ff為1。步驟s103：檢測單位時間內氣路裝置的瞬時氣體流速f，單位是l/min，f可由氣體流量計檢測獲得；步驟s105：控制模塊根據pv和f進行多項式擬合得到公式，並且計算氣路裝置的氣體流速f1；f1=k1*pv*pv+k2*pv+b，其中k1和k2為預設的經驗值，b為控制調整的比例因子；步驟s107：根據f1調整氣路裝置的實際氣體流速f2，f2=k*f1，其中k為控制調整的比例因子，k的取值範圍為[1,100]；步驟s109：判斷實時採樣值ps<=ps』,如果是，實際氣體流速f2為0，執行步驟s111;否則執行步驟s113，其中，ps』是差壓傳感器靜態工作的情況下（即沒有給傳感器施加任何壓力或者給氣的情況下）得到的採樣值；步驟s111：則實際進氣量v=0，返回步驟s101；步驟s113：控制模塊根據f2計算氣路裝置的實際進氣量v，v=f2*ft/60，其中ft為總採樣時間；步驟s115：判定v是否達到接近真實值的精度要求，如果達到精度要求，執行步驟s117如果未達到精度要求，則執行步驟s107；步驟s117:確定k值；確定k值後，只需標定一次，之後直接採用該值進行計算獲得潮氣量值和氣管插管過程中各路進氣量；進一步地，所述步驟s115中真實值為進氣裝置隨機輸入到氣路裝置的氣量值；參照圖5是本發明中標定k值時控制模塊根據pv和f進行多項式擬合得到瞬時氣體流速f1公式的曲線圖，其中數據越多，精度越高，這裡採用11組數據，下表為多項式擬合標定數據：壓力瞬時值pv瞬時氣體流速f6.725.0512.089.6813.9610.7214.0210.8114.0910.8118.4713.3919.3013.5922.0715.8523.1716.8223.2416.8823.3016.99壓力瞬時值pv與氣體流量計捕獲的瞬時氣體流速值f進行多項式曲線擬合，得到多項式公式，對應關係為：其中k1和k2為預設的經驗值，為多項式擬合後得到係數，b為控制調整的比例因子；參照圖3實現本方法所應用的設備,一種標定k值控制氣量精度的裝置，包括：進氣裝置1、氣路裝置2、差壓傳感器4，氣體流量計3和控制模塊5；氣路裝置2有進氣孔和出氣孔，進氣孔連接進氣裝置1，出氣孔設有兩個，分別連接差壓傳感器4和氣體流量計3，差壓傳感器4連接控制模塊5；控制模塊5對差壓傳感器採集到的數據來進行潮氣量的計算。所述進氣裝置1可以是但不僅限於氣泵。本實施例中，所述的氣路裝置2採用三通部件，一端作為進氣孔連接進氣裝置1，另兩端作為出氣孔分別連接差壓傳感器4和氣體流量計3；本方法實施的原理及工作過程為：控制模塊5通過a\d採樣得到差壓傳感器4的採樣值ps，將此採樣值換算成瞬時氣體流速f2，再得到氣量v，並進行判斷v是否達到精度要求，直到氣量達到控制精度。本發明中的氣體流量計3隻在進行標定k值時使用，當k值確定後，進行潮氣量檢測和氣管插管檢測都不需要該部件，直接使用多項式擬合後的公式計算瞬時氣體流速f1即可，而且k值也只需標定一次，k值可以是整數，也可以是小數。另：每路流量檢測必須使用帶多路ad採樣的同一個控制模塊，但差壓傳感器型號可以不一樣，不同的差壓傳感器，輸出的數據不一樣，有的輸出直接為壓力值，有的輸出為電壓值。無論差壓傳感器的直接輸出數據為何數據，流量計算方式都可套用圖1所述的方法。若差壓傳感器直接輸出為電壓值，則pv=pt/ff的輸出值為電壓值，單位為v;若差壓傳感器直接輸出為壓力值，則pv=pt/ff的輸出值為壓力值，單位為pa。實施例一：參照圖2，根據本發明實施例的潮氣量的檢測方法包括以下步驟：步驟s101：控制模塊將差壓傳感器採集到的採樣值ps轉換成瞬時壓力值pv，其中ps是差壓傳感器採到的採樣值，具體方法為：步驟s1001：差壓傳感器採集實時採樣值，記作ps，此數據ps為2個字節的補碼，將之轉換成原碼，可能是正數也可能是負數；步驟s1002：將獲得的多個瞬時採樣值ps通過卡爾曼濾波遞歸算法或者採用平均值算法獲得最終的平均值，記為pt；步驟s1003：控制模塊將得到的平均值pt轉算成瞬時壓力值（浮點數）,記此值為pv，單位為v，計算公式為：pv=pt/ff;其中，ff為差壓傳感器內定係數，不同傳感器不一樣，若無特殊說明，一般認為ff為1。步驟s103：檢測單位時間內的多個瞬時氣體流速f（設置採樣頻率為20ms，1s內採樣50次），單位為l/min，f可由氣體流量計檢測獲得；步驟s105：根據pv和f進行多項式擬合，得到氣體流速公式並計算氣路裝置的瞬時氣體流速f1，f1=k1*pv*pv+k2*pv+b，其中k1和k2為預設的經驗值，b為控制調整的比例因子；步驟s107：計算氣路裝置的瞬時氣體流速f2，f2=k*f1，其中k為控制調整的比例因子，由於氣路裝置管路粗細長短和差壓傳感器精度影響，當前環境標定下的結果可能因管路變細/變粗/變長/變短而顯得結果並不可靠，因而需要進行再次微調，k的取值範圍為[1,100]；步驟s109：判斷實時採樣值ps<=ps』，如果是，實際氣體流速f2為0，執行步驟s111；否則執行步驟s113；步驟s111：實際潮氣量v=0，返回步驟s101；步驟s113：計算潮氣量v,單位為ml，v=f2*ft/60，其中ft為總採樣時間，單位為ms，換算公式推導如下：ml=l/min*(ms/1000/60)*1000=l/min*(ms/60)；步驟s115：判定v是否達到精度要求，如果未達到精度要求，則執行步驟s109;如果達到精度要求，則執行步驟s117；計算獲得潮氣量v後，與進氣裝置（容積為1500ml）出氣量進行比較，判斷此值是否達到精度要求，出氣量為500ml，實際計算得到的潮氣量v為400ml，則需步驟s109;調整係數k，k的取值範圍為[1，100]，直至v接近500ml，誤差率為4%；步驟s117：確定k值，返回步驟s101；步驟s101：控制模塊將差壓傳感器採集到的採樣值ps轉換成瞬時壓力值pv，其中ps是差壓傳感器採到的採樣值，具體方法為：步驟s1001：差壓傳感器採集實時採樣值，記作ps，此數據ps為2個字節的補碼，將之轉換成原碼，可能是正數也可能是負數；步驟s1002：將獲得的多個瞬時採樣值ps通過卡爾曼濾波遞歸算法或者採用平均值算法獲得最終的平均值，記為pt；步驟s1003：控制模塊將得到的平均值pt轉算成瞬時壓力值（浮點數），記此值為pv，單位為v，計算公式為：pv=pt/ff;其中，ff為差壓傳感器內定係數，不同傳感器不一樣，若無特殊說明，一般認為ff為1。步驟s105：根據pv和f進行多項式擬合,得到氣體流速公式並計算氣路裝置的瞬時氣體流速f1，f1=k1*pv*pv+k2*pv+b，其中k1和k2為預設的經驗值，b為控制調整的比例因子；步驟s107：計算氣路裝置的瞬時氣體流速f2，f2=k*f1，其中k為控制調整的比例因子，由於氣路裝置管路粗細長短和差壓傳感器精度影響，當前環境標定下的結果可能因管路變細/變粗/變長/變短而顯得結果並不可靠，因而需要進行再次微調，k的取值範圍為[1,100]；步驟s109：判斷實時採樣值ps<=ps』，如果是，實際氣體流速f2為0，執行步驟s111；否則執行步驟s113；步驟s111：實際進氣量v=0,返回步驟s101；步驟s113：計算氣路裝置的潮氣量v,單位為ml，v=f2*ft/60，其中ft為總採樣時間，單位為ms，換算公式推導如下：ml=l/min*(ms/1000/60)*1000=l/min*(ms/60)；步驟s117:計算氣路裝置實際潮氣量v'+=v;所述的潮氣量v'為正數表示呼氣，v'為負數表示吸氣；單位時間內只要一直為正數（或者負數）就認定為一直在呼氣（或者吸氣）；實施例二：採用本發明公開的方法還可以同時檢測多路，例如採用本方法可進行判定氣管插管的正確性，氣管插管檢測是通過同時採集三路通道（左支氣管、右支氣管和食管）的進氣量,本發明中的氣路裝置包括一個進氣孔連接進氣裝置，三個進氣孔分別連接管路，第1管路為左支氣管路，第2管路為食管，第3管路為右支氣管路和食管，v左為左支氣管路的進氣量，v右為右支氣管路的進氣量，v食為食管的進氣量；比較三路管路的進氣量，判定氣管插管操作是否正確。在進行氣管插管檢測標定k值時，如果標定時所需的硬體設備，比如多個氣路裝置（包括孔徑、長短、粗細）、傳感器的型號完全一致時，只需要標定一個k值，即k左=k右=k食，否則要循環進行3次標定，即反覆標定k左、k右和k食，且k左、k右、k食三值不完全相等；參照圖4，根據本發明實施例的檢測氣管插管操作的流程圖，具體步驟為：步驟s101：控制模塊將差壓傳感器採集到的採樣值ps轉換成瞬時壓力值pv，其中ps是差壓傳感器採到的採樣值，具體方法為：步驟s1001：差壓傳感器採集實時採樣值，記作ps，此數據ps為2個字節的補碼，將之轉換成原碼，可能是正數也可能是負數；步驟s1002：將獲得的多個瞬時採樣值ps通過卡爾曼濾波遞歸算法或者採用平均值算法獲得最終的平均值，記為pt；步驟s1003：控制模塊將得到的平均值pt轉算成瞬時壓力值（浮點數），記此值為pv，單位為v，計算公式為：pv=pt/ff;其中，ff為差壓傳感器內定係數，不同傳感器不一樣，若無特殊說明，一般認為ff為1。步驟s103:檢測單位時間內的多個瞬時氣體流速f，單位是l/min，f可由氣體流量計檢測獲得；步驟s105:根據pv和f進行多項式擬合，得到氣體流速公式並計算氣路裝置的瞬時氣體流速f1；f1=k1*pv*pv+k2*pv+b，其中k1和k2為預設的經驗值，b為控制調整的比例因子；步驟s107：計算氣路裝置的瞬時氣體流速f2，f2=k左*f1，其中k為控制調整的比例因子，由於氣路裝置管路粗細長短和差壓傳感器精度影響，當前環境標定下的結果可能因管路變細/變粗/變長/變短而顯得結果並不可靠，因而需要進行再次微調k，k的取值範圍為[1,100]；步驟s109：判斷實時採樣值ps<=ps』,如果是，實際氣體流速f2為0，執行步驟s111;否則執行步驟s113；步驟s111：實際進氣量v=0,返回步驟s101；步驟s113：控制模塊根據f2計算氣路裝置的實際進氣量v，v=f2*ft/60，其中ft為總採樣時間；步驟s115：判定v是否達到接近真實值的精度要求，如果達到精度要求，執行步驟s117如果未達到精度要求，則執行步驟s107；步驟s117:確定k左值；返回執行步驟s101,分別執行各步驟分別確定k右，k中（方法與確定k左的方法相同）；返回開始執行步驟s101：控制模塊同時實時採集瞬時採樣值ps左、ps右、ps食，並計算轉換成單位時間內的瞬時壓力值pv左、pv右、pv食，採樣值ps可由差壓傳感器檢測獲得；步驟s105:計算氣路裝置的瞬時氣體流速f1左、f1右、f1食，f1左=k1*pv左*pv左+k2*pv左+b；f1右=k1*pv右*pv右+k2*pv右+b；f1食=k1*pv食*pv食+k2*pv食+b，其中k1和k2為預設的經驗值，b為控制調整的比例因子；步驟s107：調整瞬時氣體流速f2左、f2右、f2食，f2左=k左*f1左，其中k左為控制調整的比例因子；f2右=k右*f1右，其中k右為控制調整的比例因子；f2食=k食*f1食，其中k食為控制調整的比例因子；步驟s109:判斷實時採樣值ps左<=ps左',ps右<=ps右'，ps食0，如果是，表示氣管插管操作錯誤，否則執行步驟s123；步驟s123：判斷是否v食=0，如果是，執行步驟s125；步驟s125:判斷是否v左≈v右，表示氣管插管操作正確，否則執行步驟s127；步驟s127：判斷是否(v左-v右)/v左>=0.8或（v左-v右)/v左<=-0.8，如果是，表示氣管插管插入左支過深或插入右支過深，進一步地；步驟s129:判斷當v左=0或者v右=0，氣管插管錯誤，表示氣管插管插入左支絕對過深或插入右支絕對過深；本發明中提到的「單位時間內的多次採樣」是指1s內採樣50次，採樣頻率為20ms。依據本發明一種標定k值控制氣量精度的方法，還可以實現肺活量的檢測。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12