CN100998902A - 流量监测与控制的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种流量监测与控制的方法及装置，用于包括麻醉机和呼吸机在内影响病人呼吸系统的医疗设备；该装置包括微处理器、气路系统，所述气路系统的驱动气管道中接有吸气阀(2)和向外排气用的呼气阀(5)，以及用来测量它们吸进或排出驱动气体流量的呼吸机端流量传感器(3)；所述气路系统的病人端呼吸管路包括用来测量病人吸入或呼出气体流量的病人端流量传感器(11)；通过两个流量传感器测量值和吸气阀特性曲线三者之间的对比，微处理器可以判断出每个传感器和吸气阀(2)的工作状态和准确性。采用本发明，可以提高设备的安全性和可靠性，从而避免对病人造成损伤，使设备更具有临床使用价值。

Description

流量监测与控制的方法及装置
技术领域  本发明涉及医疗设备，特别涉及以气体处理法影响病人呼吸系统的器械，尤其涉及器械的流量监控方法与装置。
背景技术  麻醉机是手术期间引导病人吸入麻醉气体和进行机械通气的辅助设备；流量和气道压力是它最基本的两个监测参数，其他参数的计算或整个机械通气过程的控制均以它们为基础。因此，这两参数的测试精度和稳定性不但决定了麻醉机控制通气的准确性和安全性，而且也决定了麻醉机所能实现的通气模式和所能达到的性能指标。本说明书将主要涉及这两参数中最为重要也最难被准确监测的参数--流量的监测和控制。
根据测量位置不同，现有监测麻醉机流量的方式分为病人端监测和麻醉呼吸机端监测两种。
病人端监测又称近端监测，它的流量监测点被设置在离病人气道很近的地方。它在目前产品中得到非常广泛的应用，主要有两种使用形式：一是在病人呼吸回路的Y型接口之后放置一个流量传感器，同时监测呼气和吸气流速；一是在病人呼吸回路的吸气和呼气支路各放置一个流量传感器，分别测量吸气和呼气流速。这两种形式都是对病人呼吸回路的流速作测量。由于测量点接近病人气道，可以显著降低管路泄漏和顺应性变化对测量值的影响，测量值基本等于实际通入病人肺内的气体流量，具有测量准确、灵敏度高的优点；但也正因为测量点在病人呼吸回路中，流量传感器很容易受病人气道分泌物和呼吸管路内水汽冷凝的影响，而导致测量结果可能偏离真实值，甚至引起通气控制失效。
麻醉呼吸机端监测又称远端监测，它的流量监测点被设置在麻醉呼吸机内部距离病人气道较远的地方。它通常将流量传感器安装在麻醉呼吸机内部的吸气阀之后，监测从吸气阀流出的驱动气体的流量，并将一个呼吸周期内驱动气体的流量视为等于病人吸入的潮气量。因为流过传感器的驱动气体是干燥的，流量测量值可以免受病人回路中的冷凝水汽和分泌物的影响。但由于被测量的是驱动气体流量，而该流量受呼吸管路泄漏和顺应性变化的影响，与病人的实际通气量相比存在一定偏差；并且因为无法监测呼吸回路存在的泄漏量和顺应性变化量，这个偏差无法得到补偿。另外，在呼吸功能的实现上，由于所述流量传感器远离病人端，以致无法实现流速触发之类的功能。因此，近年来产品越来越少使用该远端监测流量的方法。
流量的闭环控制是指以流量传感器的测量值作为反馈信号来控制吸气阀的开度，从而控制对病人的通气量；具体过程是，将流量传感器的测量值与设定值进行对比，若二者不一致，微处理器则根据二者的偏差来调整吸气阀开度，直至二者达到一致。无论流量监测是在病人端还是在麻醉呼吸机端进行，这种控制方式都存在一个严重缺陷，就是当所述流量传感器测量值和设定值偏差较大时，没有一个基准来判定这个偏差的起因：是因传感器测量不准确，还是因吸气阀特性发生变化而致。为了让流量监测参数与设置参数一致，一般只能以传感器测量值为基准来调整吸气阀，这样用户不能发现传感器测量所发生的偏差，从而导致给病人的实际通气量与设定通气量不符；这样，机械通气安全性得不到保障。为了保证病人安全，目前通常做法是以吸气阀的特性曲线作为判别依据，当根据该特性曲线计算得到的通气量与传感器测量值之间的偏差超过设定阈值，且吸气阀控制电路的监测结果表明吸气阀工作正常，麻醉机当即判断流量传感器发生故障，并将流量监测置于无效状态，麻醉机若要继续工作只能依靠吸气阀自身性能来进行流量控制。此时因为缺少流量监测，吸气阀因控制电路漂移和自身特性变化、呼吸管路泄漏和顺应性对通气量的影响都无法得到消除，从而实际通气量与设定通气量仍可能存在较大偏差。因此使用麻醉机时，对病人进行机械通气的准确性和安全性仍然得不到足够保障。
综上所述，现有麻醉机流量监测和控制技术的不足之处在于：
1)远端监测无法保证所监测的通气量与病人实际吸入量一致，并且无法实现流量触发功能；近端监测虽然精度和灵敏度较高，但流量传感器在使用过程中遇到呼吸管路内较严重的水汽冷凝时，经常会出现较大测量偏差、甚至测量失效；
2)使用单一的近端或远端流量测量方法，当流量传感器或吸气阀出现偏差或失效时，设备只能以其中之一作为参考来调整另一个；这种处理机制无法保证通气控制的准确性。并且当参考点出现较大偏差时机械通气的安全性将得不到保证，甚至会导致对病人的损伤。
作用为影响病人呼吸系统的其它医疗设备，包括呼吸机，也存在上述问题，只不过麻醉机的安全问题尤为突出。
发明内容  本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足而提出一种改进的流量监控方法及装置，用于包括麻醉机和呼吸机在内影响病人呼吸系统的医疗设备，以实现精确的流量监测和控制，从而保证机械通气的控制准确性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为，在麻醉机呼吸机内部和呼吸回路病人端分别安装流量传感器，在远端和近端同时进行病人吸入和呼出气体的流量监测；通过两个流量传感器测量值和吸气阀特性曲线三者之间的对比，微处理器可以判断出每个传感器和吸气阀的工作状态和准确性。从而保证麻醉机流量监测的准确性和通气控制的安全性。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种流量监测与控制的装置，用于包括麻醉机和呼吸机在内影响病人呼吸系统的医疗设备；包括电源、微处理器、气路系统，以及受控于微处理器的若干阀门状态监测和驱动单元，以及传感器数据采集接收单元；所述气路系统包括风箱，以及分别连接该风箱外腔和气囊的驱动气管道和病人端呼吸管路；所述病人端呼吸管路包括吸气支路和呼气支路；所述驱动气管道中接有吸气阀和向外排气用的呼气阀；所述吸气阀连接相应的阀门状态监测和驱动单元；尤其是，还包括呼吸机端流量传感器，置于所述驱动气管道中；还包括病人端流量传感器，置于所述病人端呼吸管路中；所述呼吸机端流量传感器和病人端流量传感器的输出信号分别送往传感器数据采集接收单元。
上述方案中，所述病人端流量传感器或者为双向流量传感器，置于所述病人端呼吸管路连接病人的Y型接口之后；或者为两个单向传感器，分别置于吸气支路和呼气支路；用来测量病人吸入和呼出气体的流量。
上述方案中，所述呼吸机端流量传感器为双向流量传感器，置于所述吸气阀和所述风箱之间的驱动气管道中。
作为实现本发明构思的技术方案又是，提供一种流量监测与控制的方法，基于包括麻醉机和呼吸机在内影响病人呼吸系统的医疗设备，所述设备包括微处理器、气路系统，以及受控于微处理器的若干阀门状态监测和驱动单元，以及传感器数据采集接收单元；所述气路系统的驱动气管道中接有吸气阀和向外排气用的呼气阀，以及用来测量它们吸进或排出驱动气体流量的呼吸机端流量传感器；包括步骤：
A.微处理器通过阀门驱动单元驱动气路系统交替进入吸气和呼气控制期间；
B.微处理器通过阀门状态监控单元对吸气阀门的控制参数进行监测；
尤其是，在所述气路系统的病人端呼吸管路中设置用来测量病人吸入或呼出气体流量的病人端流量传感器，还包括步骤：
C.微处理器通过传感器数据采集接收单元获取所述呼吸机端流量传感器和病人端流量传感器所监测到的气体流量；
D.微处理器分析比较同一吸气或呼气控制期间内的所述控制参数和各所述气体流量的测量值，并根据比较结果进行调控。
上述方案中，所述控制参数包括吸气控制期间吸气阀的实际吸气流量，吸气阀送气流速和送气时间的乘积。
上述方案中，所述控制参数和各所述气体流量的测量值之间，以及各所述气体流量测量值相互之间的偏差存在相应的安全阈值，这些安全阈值被用于步骤D的分析比较过程中。
采用上述各技术方案，1、可以综合病人端流量监测灵敏、准确和呼吸机端流量监测不易受潮气积水影响、结果稳定的优点，从而实现通气量的自动准确补偿功能；2、通过比较两处流量传感器与吸气阀控制值三者之间关系，有利于准确判断器件发生的漂移或故障，并且当出现某一处流量传感器故障或阀门漂移后，仍能进行准确的流量控制。从而提高了设备的安全性和可靠性，因避免对病人造成损伤而更具有临床使用价值。
附图说明  图1是本发明流量监控装置的气路原理图
            图2是本发明流量监控装置的系统框图
            图3是本发明流量监测和控制过程流程图
具体实施方式  下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
如图2所示，本发明流量监测与控制装置包括电源、微处理器、气路系统，以及受控于微处理器的若干状态监测单元、阀门驱动单元、数据采集接收单元。还可以包括受控于微处理器并用来连接上位机的接口单元。其中气路系统如图1所示，包括风箱4，以及分别连接该风箱4外腔和气囊的驱动气管道和病人端呼吸管路。所述驱动气管道中接有减压阀1、吸气阀2和向外排气用的呼气阀5；所述吸气阀2和呼气阀5如图2所示分别连接相应的状态监测单元和阀门驱动单元，呼气阀5也可不接状态监测单元。所述吸气阀2和呼气阀5的连接节点与所述风箱4之间的驱动气管道中接有双向的呼吸机端流量传感器3，分别测量所述吸气阀2吸进和所述呼气阀5排出的驱动气体流量。所述病人端呼吸管路包括吸气支路和呼气支路；所述吸气支路包括二氧化碳吸收罐6、吸气支路单向阀8和吸气支路压力传感器10；呼气支路包括呼气支路压力传感器9和单向阀7。在麻醉机中，所述吸气支路还可以接收来自又一输入气管道的新鲜气体，包括麻醉气体。可以在该呼吸管路中包括一个双向的病人端流量传感器11，接在所述病人端呼吸管路连接病人的Y型接口之后；或者将该传感器用两个分别置于吸气支路和呼气支路的单向传感器来等同替代(不另外提供框图)；用来测量吸入和呼出气体的流量。如图2所示，所述呼吸机端流量传感器3和病人端流量传感器11的输出信号分别送往所述数据采集接收单元。
本发明装置的工作原理为：吸气期间，呼气阀5受控关闭，吸气阀2受控打开到设定流速，驱动气由减压阀1和吸气阀2流经呼吸机端流量传感器3进入风箱4的外腔，压缩风箱内的气囊向下运动，使囊内气体经由吸气支路和病人端流量传感器11流入病人肺部；此时呼吸机端流量传感器3和病人端流量传感器11均监测到各自位置上的正向吸气气流，由于补充的新鲜气体流量一般只有2-5L/min，在忽略新鲜气体补充和呼吸管路顺应性影响的情况下，两个流量传感器所监测的流量基本相当。微处理器可以根据流量传感器3和流量传感器11均可以计算出吸气期间的实际吸量，当该吸入量达到设定的通气量时，进入呼气期间，吸气阀2受控关闭，呼吸阀5受控打开；从而气流从病人端流量传感器11流经所述呼气支路回到风箱4的折叠气囊内部，推动气囊上升，使风箱外的驱动气从呼吸机端流量传感器3流经呼气阀5排出。在忽略管路顺应性的条件下，病人端流量传感器11和呼吸机端流量传感器3测量的呼气气流也应当是相等的。因此，呼气期间通过病人端流量传感器11和呼吸机端流量传感器3均可以准确测量出病人的实际呼气量。
基于上述通气过程的工作原理如下，本发明方法包括步骤：
A.微处理器通过阀门驱动单元驱动气路系统交替进入吸气和呼气控制期间；
B.微处理器通过状态监控单元对吸气阀门2的控制参数进行监测；
C.微处理器通过数据采集接收单元获取各期间内呼吸机端流量传感器3和病人端流量传感器11所监测到的气体流量；
D.微处理器分析比较同一吸气或呼气控制期间内的所述控制参数和各所述气体流量的测量值，并根据比较结果进行调控。
其中，所述控制参数包括吸气控制期间吸气阀2的实际吸气流量，即吸气阀送气流速和送气时间的乘积。考虑到吸气期间，正常情况下吸气阀2的控制流量和呼吸机端流量传感器3的测量流量在理论上应当相等，而病人端流量传感器11的测试流量与它们可以存在一个较小偏差，该偏差是由管路顺应性和新鲜补充气体等因素造成的，且该偏差在相同呼吸条件下应当基本保持不变。呼气期间，呼吸机端流量传感器3和病人端流量传感器11检测到的呼气气流的流量也应当是接近的并且变化趋势相同。本发明实施例根据各种呼吸机气路和机器监测、控制精度的不同，对这些应当接近的流量值之间的偏差预设相应的安全阈值，当发现有偏差超过所述阈值时，处理器应该判断引起该偏差的责任器件，并做出相应的调整或提示用户。因此步骤D所述的分析和控制过程如图3所示，主要是对运行过程中传感器和阀门工作是否正常作判断。所述判断内容包括：
判断吸气阀2的控制流量、呼吸机端流量传感器3的测量流量和病人端流量传感器11的测量流量三者之间的偏差是否都在各安全阈值范围内：若是，表明相关器件均工作正常，从而微处理器以病人端流量传感器11的测量值作为参考值进行流量闭环控制。这样，可以有效避免管路泄漏和顺应性变化对通气量的影响，确保通气量的准确性和稳定性，并且可以灵敏地监测到病人的吸气流量触发。
如果发生异常情况，将有偏差超出安全阈值，此时可以先判断两个传感器是否还正常工作。可以比较它们测量值，若二者大体一致，若是，则表明是吸气阀2的控制参数出现偏差，阀门的特征曲线发生了变化；微处理器可以根据病人端流量传感器11的测量流量来调整吸气阀开度，进行反馈控制，并且提示用户吸气阀需要进行校准；若二者的偏差超过相应安全阈值，则需要确认并找出此时还能正常工作的传感器。可以将吸气阀门2的控制流量分别与病人端流量传感器11和呼吸机端流量传感器3先后进行比较，偏差在安全阈值内的测量流量对应的传感器可以被判断为正常，微处理器将以该传感器的测量值为参考值进行流量闭环控制，并提示用户对故障传感器进行校准或清理。
假如上述的比较中三个量之间的偏差均超出相应的安全阈值，说明至少有两个器件发生严重偏差。由于本发明采用了双重的流量监测，与现有产品相比发生这种情况的概率已经降低到了非常低的程度，因此这种情况非常少见。如果还需要继续使用该设备，必须先阀门自检并判断是否正常，若正常，则微处理器转而使用流量开环控制方式，即在通气控制时停止流量反馈，仅根据吸气阀自身的特征曲线继续工作，同时报警提示用户需要校准阀门和传感器；若不正常，则微处理器只能控制报警并停机。
本发明的又一实施例中，可以将所述双向的呼吸机端流量传感器3简化为只测量进气的单向流量传感器，置于所述驱动气管道中(不限于图2所示位置)；则只需对同一吸气控制期间内的所述控制参数和各所述气体流量的测量值进行比较和系统调控，仍可以在病人端流量传感器11出现故障时向用户发送报警信息，提示用户采取措施，从而大大提高机械通气的安全性。
本发明方法在麻醉机中试验验证，证明方案可行，且装置的监测结果准确，更具有安全性。

Claims (10)

1.一种流量监测与控制的装置，用于包括麻醉机和呼吸机在内影响病人呼吸系统的医疗设备；包括电源、微处理器、气路系统，以及受控于微处理器的若干阀门状态监测和驱动单元，以及传感器数据采集接收单元；所述气路系统包括风箱(4)，以及分别连接该风箱(4)外腔和气囊的驱动气管道和病人端呼吸管路；所述病人端呼吸管路包括吸气支路和呼气支路；所述驱动气管道中接有吸气阀(2)和向外排气用的呼气阀(5)；所述吸气阀(2)连接相应的阀门状态监测和驱动单元；其特征在于：
还包括呼吸机端流量传感器(3)，置于所述驱动气管道中；还包括病人端流量传感器(11)，置于所述病人端呼吸管路中；
所述呼吸机端流量传感器(3)和病人端流量传感器(11)的输出信号分别送往传感器数据采集接收单元。
2.根据权利要求1所述流量监测与控制的装置，其特征在于：
所述病人端流量传感器(11)或者为双向流量传感器，置于所述病人端呼吸管路连接病人的Y型接口之后；或者为两个单向传感器，分别置于吸气支路和呼气支路；用来测量病人吸入和呼出气体的流量。
3.根据权利要求1所述发光器件的自动化测试装置，其特征在于：
所述呼吸机端流量传感器(3)为双向流量传感器，置于所述吸气阀(2)和所述风箱(4)之间的驱动气管道中。
4.根据权利要求1所述发光器件的自动化测试装置，其特征在于：
所述呼吸机端流量传感器(3)为单向流量传感器，用来测量所述吸气阀(2)吸进的驱动气体流量。
5.一种流量监测与控制的方法，基于包括麻醉机和呼吸机在内影响病人呼吸系统的医疗设备，所述设备包括微处理器、气路系统，以及受控于微处理器的若干阀门状态监测和驱动单元，以及传感器数据采集接收单元；所述气路系统的驱动气管道中接有吸气阀(2)和向外排气用的呼气阀(5)，以及用来测量它们吸进或排出驱动气体流量的呼吸机端流量传感器(3)；包括步骤：
A.微处理器通过阀门驱动单元驱动气路系统交替进入吸气和呼气控制期间；
B.微处理器通过阀门状态监控单元对吸气阀门(2)的控制参数进行监测；
其特征在于，在所述气路系统的病人端呼吸管路中设置用来测量病人吸入或呼出气体流量的病人端流量传感器(11)，还包括步骤：
C.微处理器通过传感器数据采集接收单元获取所述呼吸机端流量传感器(3)和病人端流量传感器(11)所监测到的气体流量；
D.微处理器分析比较同一吸气或呼气控制期间内的所述控制参数和各所述气体流量的测量值，并根据比较结果进行调控。
6.根据权利要求5所述流量监测与控制的方法，包括步骤：
所述控制参数包括吸气控制期间吸气阀(2)的实际吸气流量，即吸气阀送气流速和送气时间的乘积。
7.根据权利要求5或6所述流量监测与控制的方法，其特征在于，
所述控制参数和各所述气体流量的测量值之间，以及各所述气体流量测量值相互之间的偏差存在相应的安全阈值，这些安全阈值被用于步骤D的分析比较过程中。
8.根据权利要求7所述流量监测与控制的方法，其特征在于：
步骤D中，当判断吸气阀(2)的控制参数、呼吸机端流量传感器(3)的测量流量和病人端流量传感器(11)的测量流量三者之间的偏差都在各安全阈值范围内时，所述微处理器将病人端流量传感器(11)的测量值作为参考值进行流量闭环控制。
9.根据权利要求7所述流量监测与控制的方法，其特征在于，
步骤D中，当判断呼吸机端流量传感器(3)的测量流量和病人端流量传感器(11)的测量流量大体一致，而所述控制参数和这些测量值之间的偏差超过相应安全阈值时，所述微处理器以病人端流量传感器(11)的测量流量作为参考值进行流量闭环控制，并且提示用户吸气阀(2)需要进行校准。
10.根据权利要求7所述流量监测与控制的方法，包括步骤：
步骤D中，当判断呼吸机端流量传感器(3)和病人端流量传感器(11)的测量流量偏差超出相应安全阈值时，微处理器将把吸气阀门(2)的控制参数先与病人端流量传感器(11)的测量流量作比较，若偏差在安全阈值内，则将以该传感器的测量值为参考值进行流量闭环控制；否则再把所述控制参数与呼吸机端流量传感器(3)的测量流量作比较，若偏差在安全阈值内，则将以该传感器的测量值为参考值进行流量闭环控制。
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Assignee: Shenzhen Mindray Animal Medical Technology Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN MINDRAY BIO-MEDICAL ELECTRONICS Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022440020009

Denomination of invention: Flow monitoring and control devices

Granted publication date: 20101208

License type: Common License

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