一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統及控制方法

2023-12-03 09:41:01 2

一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統及控制方法
【專利摘要】本發明提供一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統及控制方法，包括設在呼吸面罩內的與單片機相連的溫度傳感器、單片機控制系統、與氧氣輸入端相連的存儲裝置、以及受單片機控制的氧輸出氣閥，溫度傳感器可以將人的呼吸動作信號傳輸給單片機，單片機根據該信號控制氧氣輸出氣閥的開啟與閉合，使氧氣輸出與人的呼吸動作同步，在氣閥關閉時氧氣被儲存在氧氣存儲裝置中，本發明通過單片機採集人體呼吸信號，進而控制氧氣輸出端的開關，實現了氧氣輸出與人體呼吸的同步，最大限度避免了氧氣的浪費，優化了氧氣的輸出，穩定性高，特別適於小功率、電池供電、個人或家庭使用的氧氣機的氧輸出控制。
【專利說明】一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於醫療衛生、保健領域，具體涉及一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統及控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著醫療條件和科學技術的不斷進步，氧療(吸氧)這一原本在醫院中才有的治療方法逐漸得到廣泛應用，甚至開始走入家庭。一般來說，目前的吸氧裝置，只有流量調節和增加溼度的功能，氧氣輸出是連續的，在臨床上氧療時，氧氣的輸出是連續的，也就是說不論人是在吸氣還是呼氣，都不會停止，這種控制方法比較簡便。但由於氧氣的輸送與呼吸沒有達到同步，就使得大量氧氣在人呼氣時被浪費。這種浪費在院內等醫療條件較好的環境下是巨大的，但並不顯著。然而在某些特殊環境下，如當產氧量本身就不是很充足、氧氣缺乏的情況下，這些被浪費的氧氣就顯得彌足珍貴，目前傳統的供氧方式就顯得既不經濟，也不科學。發明一種能夠杜絕這種巨大浪費的控制系統，具有重大的社會效益和經濟效益，而目前市場上尚無能夠解決這種浪費的氧氣輸出控制系統。

【發明內容】

[0003]本發明的目 的在於提供一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統及控制方法。
[0004]為達到上述目的，本發明採用了以下技術方案。
[0005]一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統，包括呼吸動作信號採集模塊、單片機以及由所述單片機控制開閉的氧輸出氣閥，所述呼吸動作信號採集模塊與所述單片機相連。
[0006]所述氧輸出氣閥的出氣口與呼吸面罩相連，呼吸動作信號採集模塊包括設置於呼吸面罩內的溫度傳感器。
[0007]所述氧輸出氣閥的進氣口連接有氣體存儲裝置，氧輸出氣閥通過氣體存儲裝置與氧氣輸送管道相連。
[0008]所述氣體存儲裝置為氣囊。
[0009]上述呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，包括以下步驟:
[0010]當使用呼吸面罩進行吸氧時，所述單片機根據呼吸動作信號採集模塊採集的信號判斷人的呼吸動作，若為吸氣動作，則單片機控制氧輸出氣閥開啟，若為呼氣動作，則單片機控制氧輸出氣閥關閉。
[0011]由所述單片機控制設置於呼吸面罩內的溫度傳感器對鼻腔內的溫度進行連續採集，單片機根據溫度傳感器採集的溫度信號對人的呼吸動作進行判斷，當判斷人吸氣時，單片機輸出控制信號控制所述氧輸出氣閥開啟，當判斷人呼氣時，單片機輸出控制信號控制所述氧輸出氣閥關閉。
[0012]所述溫度傳感器的輸出信號經過放大器放大，然後再經低通濾波之後送入單片機中。
[0013]所述單片機採用的控制氧輸出氣閥開閉的程序包括以下步驟:[0014]I)系統加電啟動之後，由單片機給氧輸出氣閥發送一個啟動信號，氧輸出氣閥開啟後氧氣輸送至呼吸面罩；
[0015]2 )經過步驟I)後，單片機實時採集鼻腔內的溫度值，並記錄當前時刻溫度值Tn和前面兩個時刻的溫度值Tlri和Tn_2，然後判斷Tn、Tlri和Tn_2之間的關係:如果TnJT1^Tn,說明吸氣過程還未結束，則繼續記錄溫度值，並進行比較；如果Tlri小於1；和τη_2，說明吸氣過程已經結束，則單片機給氧輸出氣閥發出關閉信號，氧輸出氣閥關閉，然後繼續記錄溫度值，並進行比較；如果KTn^Tn,說明呼氣過程還未結束，則繼續記錄溫度值，並進行比較；如果Tlri大於1；和τη_2，說明呼氣過程已經結束，則單片機給氧輸出氣閥發出啟動信號，氧輸出氣閥開啟；
[0016]3)循環步驟2)，實現呼吸面罩的氧氣供給與呼吸動作達到同步。
[0017]在所述氧輸出氣閥關閉期間，由氧氣輸送管道連續輸出的氧氣儲存在與氧輸出氣閥的進氣口相連的氣體存儲裝置中，當下一次氧輸出氣閥開啟時存儲的氧氣輸入呼吸面罩。
[0018]本發明的有益效果體現在:
[0019]本發明利用所述呼吸動作信號採集模塊，可以將人的呼吸動作信號傳輸給單片機，單片機根據該信號控制氧輸出氣閥的開啟與關閉，使氧氣輸出與人的呼吸動作同步，最大限度避免了氧氣的浪費。
[0020]本發明利用呼吸過程中鼻腔內的溫度變化規律，通過單片機採集獲取人體呼吸時鼻腔內的溫度信號，進而控制氧輸出氣閥的開關，最大程度地實現了氧氣輸出與人體呼吸的同步，最大限度避免了氧氣的浪費。
【專利附圖】

【附圖說明】·
[0021]圖1是本發明所述氧氣輸出控制系統的總體結構示意圖；
[0022]圖2是本發明所述氧氣輸出控制系統的信號採集與輸出原理框圖；
[0023]圖3是本發明的控制程序流程圖之一(主程序流程圖)；
[0024]圖4是本發明的控制程序流程圖之二(AD中斷程序流程圖)；
[0025]圖中:1為氧氣輸送管道，2為氣囊，3為氧輸出氣閥，4為呼吸面罩。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0027]參見圖1以及圖2，本發明所述呼吸同步的氧氣輸出控制系統包括呼吸動作信號採集模塊、單片機(MSP430F2410)以及由所述單片機控制開閉的氧輸出氣閥3 (氧輸出氣閥可以採用醫用兩通電磁氣閥)，所述呼吸動作信號採集模塊與所述單片機相連；所述氧輸出氣閥3的出氣口與呼吸面罩4相連，呼吸動作信號採集模塊包括設置於呼吸面罩4內的溫度傳感器(AD592)，溫度傳感器的輸出信號經過放大器放大，然後再經低通濾波之後，送入單片機中的ADC (模數轉換器);所述氧輸出氣閥3的進氣口連接有氣體存儲裝置，氧輸出氣閥通過氣體存儲裝置與氧氣輸送管道I相連，所述氣體存儲裝置為氣囊2。氣囊在醫院等供氧條件良好的環境下作用不大，但在小功率制氧設備(如可攜式、小型氧氣機等)供氧時，由於氣閥的閉合和開啟，會造成氧氣輸送管道內壓力的不斷變化，而低功耗的設備往往帶負載能力有限，所以會直接影響前端制氧設備如氣泵、電機等的平穩工作，長期的忽大忽小也會影響制氧設備的使用壽命。在這裡作為存儲裝置的氣囊可以有效起到緩衝氣壓波動的作用，所以氣囊對小功率制氧設備的平穩工作和使用壽命有益。
[0028]AD592是一款高精度、低功耗的電流型溫度傳感器，其輸出特性為:luA/K，測溫範圍為:_25°C至105°C，可滿足呼吸檢測時的測溫要求。
[0029]MSP430F2410是一款適合於醫療用途的低功耗、16位的混合信號處理器，該晶片集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗(WDT)、模擬比較器A、定時器A0(Timer_A0)、定時器Al (Timer_Al)、定時器BO (Timer_B0)、UART、SPI, I2C、硬體乘法器、液晶驅動器、12位ADC、DMA、I/O埠、基本定時器(Basic Timer)、實時時鐘(RTC)和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A/D轉換器，實現鼻腔內溫度信號的實時採集，並且利用其豐富的I/O資源可實現對電磁氣閥的自動控制。
[0030]本發明中，氧氣可以通過氧氣機產生，並通過氧氣輸送管道I存儲於氣囊2中，氧輸出氣閥3按照人體的呼吸狀態依次打開或關閉，然後，再通過呼吸面罩4把氧氣輸送給人體。其中，氧輸出氣閥3受圖2中所示的單片機的控制。
[0031]上述呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，包括以下步驟:
[0032]當使用呼吸面罩4進行吸氧時，所述單片機根據呼吸動作信號採集模塊採集的信號判斷人的呼吸動作，若為吸氣動作，則單片機控制氧輸出氣閥3開啟，若為呼氣動作，則單片機控制氧輸出氣閥3關閉。具體而言，由所述單片機控制設置於呼吸面罩4內的溫度傳感器對鼻腔內的溫度進行連續採集，單片機根據溫度傳感器採集的溫度信號對人的呼吸動作進行判斷，當判斷人 吸氣時，單片機輸出控制信號控制所述氧輸出氣閥3開啟，當判斷人呼氣時，單片機輸出控制信號控制所述氧輸出氣閥3關閉。
[0033]參見圖2，溫度傳感器(AD592)固定於鼻腔內，實時感知鼻腔內由於呼吸導致的溫度變化。溫度傳感器的輸出信號經過放大器放大，然後再經低通濾波之後，送入單片機(MSP430F2410)中的ADC (模數轉換器)，把採集的模擬溫度信號轉換成相應的數位訊號。然後再由內部控制程序判斷當前的溫度值，以確定是否打開或者關閉氧輸出氣閥3。
[0034]本發明的控制程序流程如下:
[0035]參見圖3，系統加電啟動之後，首先，單片機通過數字I/O 口給氧輸出氣閥3發送一個啟動信號，打開氧輸出氣閥3，讓氧氣通過呼吸面罩4輸送給人體。其次，再啟動ADC轉換器，實時採集人體鼻腔內的溫度值，記錄當前時刻溫度值!；和前面兩個時刻的溫度值Tlri和Tn_2，並判斷Tn，Tn^1和Τη_2之間的關係。如果TnJDTn,則說明人體的吸氣過程還未結束，則繼續記錄溫度值，並進行比較；如果Tlri小於Tn和Τη_2，則說明人體的吸氣過程已經結束，此時單片機給氧輸出氣閥發出關閉信號，關斷氧輸出氣閥。然後繼續記錄溫度信號，並進行比較。如果KTlriCTn，則說明人體的呼氣過程還沒結束，則繼續記錄溫度值，並進行比較；如果Tlri大於TdPTn_2，則說明人體的呼氣過程已經結束，此時需要打開氧輸出氣閥，給人體輸送氧氣，並令打開氧輸出氣閥的溫度閾值Tff =Tn_2。最後進入循環等待1，並判斷wait=l是否成立。如果不成立繼續循環等待1，如果成立，則判斷Tn，Tlri和Τη_2之間的關係。假如Τη-2>Τη-ι>Τη,則說明人體的吸氣過程還未結束，繼續循環等待I ;假如Tlri小於Tn和τη_2，則說明人體的吸氣過程已經結束，這時需要關閉氧輸出氣閥，並令wait=0，然後進入循環等待2，並判斷wait=l是否成立。如果不成立，繼續循環等待2 ;如果成立，比較當前溫度值Tn與1^的關係。假若Tn>Tff，則說明呼氣過程即將結束，這是需要提前打開氧輸出氣閥，準備給人體輸送氧氣，並令T開=Tn，wait=0，然後進入循環等待I ;假若Tn〈T開，則比較H和Τη_2之間的關係。如果T1^2CTlri<Τη，則說明人體的呼氣過程還沒結束，則繼續循環等待2 ;如果Tlri大於1；和1；_2，則說明人體的呼氣過程已經結束，此時需要打開氧輸出氣閥，給人體輸送氧氣，並令Tff=Tn_2, Wait=O,然後進入循環等待I。如此循環往復,實現氧氣供給與人體呼吸達到同步的目的。[0036]參見圖4，在AD中斷程序中，首先根據AD採集的最新數據更新當前溫度和前兩個時刻的溫度，然後再令wait=l，最後退出中斷。AD中斷程序主要任務就是實時更新當前溫度Tn和前面兩個時刻的溫度Tlri和Tn_2。
[0037]本發明優化了氧氣的輸出，使氧氣的輸出跟人體呼吸基本達到了同步，穩定性高，特別適於小功率、電池供電、個人或家庭使用的氧氣機的氧輸出控制。
【權利要求】
1.一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統，其特徵在於:包括呼吸動作信號採集模塊、單片機以及由所述單片機控制開閉的氧輸出氣閥(3)，所述呼吸動作信號採集模塊與所述單片機相連。
2.根據權利要求1所述一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統，其特徵在於:所述氧輸出氣閥(3)的出氣口與呼吸面罩(4)相連，呼吸動作信號採集模塊包括設置於呼吸面罩(4)內的溫度傳感器。
3.根據權利要求1所述一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統，其特徵在於:所述氧輸出氣閥(3)的進氣口連接有氣體存儲裝置，氧輸出氣閥(3)通過氣體存儲裝置與氧氣輸送管道(I)相連。
4.根據權利要求4所述一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統，其特徵在於:所述氣體存儲裝置為氣囊(2)。
5.一種如權利要求1所述呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，其特徵在於:包括以下步驟: 當使用呼吸面罩(4)進行吸氧時，所述單片機根據呼吸動作信號採集模塊採集的信號判斷人的呼吸動作，若為吸氣動作，則單片機控制氧輸出氣閥(3)開啟，若為呼氣動作，則單片機控制氧輸出氣閥(3)關閉。
6.根據權利要求5所述 一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，其特徵在於:由所述單片機控制設置於呼吸面罩(4)內的溫度傳感器對鼻腔內的溫度進行連續採集，單片機根據溫度傳感器採集的溫度信號對人的呼吸動作進行判斷，當判斷人吸氣時，單片機輸出控制信號控制所述氧輸出氣閥(3)開啟，當判斷人呼氣時，單片機輸出控制信號控制所述氧輸出氣閥(3)關閉。
7.根據權利要求6所述一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，其特徵在於:所述溫度傳感器的輸出信號經過放大器放大，然後再經低通濾波之後送入單片機中。
8.根據權利要求6所述一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，其特徵在於:所述單片機採用的控制氧輸出氣閥開閉的程序包括以下步驟: O系統加電啟動之後，由單片機給氧輸出氣閥(3)發送一個啟動信號,氧輸出氣閥(3)開啟後氧氣輸送至呼吸面罩(4)； 2)經過步驟I)後，單片機實時採集鼻腔內的溫度值，並記錄當前時刻溫度值Tn和前面兩個時刻的溫度值Tlri和Tn_2，然後判斷H和Τη_2之間的關係:如果TnJTnJTn,說明吸氣過程還未結束，則繼續記錄溫度值，並進行比較；如果Tlri小於1；和Τη_2，說明吸氣過程已經結束，則單片機給氧輸出氣閥(3)發出關閉信號，氧輸出氣閥(3)關閉，然後繼續記錄溫度值，並進行比較；如果KTn^Tn,說明呼氣過程還未結束，則繼續記錄溫度值，並進行比較；如果Tlri大於Tn和Τη_2，說明呼氣過程已經結束，則單片機給氧輸出氣閥(3)發出啟動信號，氧輸出氣閥(3)開啟； 3)循環步驟2)，實現呼吸面罩(4)的氧氣供給與呼吸動作達到同步。
9.根據權利要求5所述一種呼吸同步的氧氣輸出控制系統的控制方法，其特徵在於:在所述氧輸出氣閥(3)關閉期間，由氧氣輸送管道(I)連續輸出的氧氣儲存在與氧輸出氣閥(3)的進氣口相連的氣體存儲裝置中，當下一次氧輸出氣閥(3)開啟時存儲的氧氣輸入呼吸面罩(4)。
【文檔編號】A61M16/00GK103706009SQ201310676270
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】吳小明, 羅二平, 申廣浩, 謝康寧, 湯池, 郭偉, 劉娟, 景達, 姜茂剛, 閆一力, 孫濤, 沙建定 申請人:中國人民解放軍第四軍醫大學