CN101310785A - 电动呼吸机模式控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动呼吸机模式控制装置及其方法，该装置包括：电机；电机控制部，其控制所述电机的转速；曲柄连杆机构，通过连接轴与电机可转动的连接，且曲柄连杆机构与活塞相连接。通过电机控制部不断的改变电机的转速，从而使得活塞匀速。该装置采用的控制算法保证活塞的运行速度是恒定的，从而实现恒流速通气，克服了流速不断变化对患者带来的不适，使患者有效的进行气体交换，并且提高了控制精度。

Description

电动呼吸机模式控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种电动呼吸机模式控制装置及其方法。

背景技术

VCV(容量控制通气)呼吸模式是在吸气时由呼吸机产生正压，将预设容量气体在设定时间内送入肺内，气道压力升高；呼气时肺内气体靠胸肺弹性回缩，排出体外，气道压力降低。

目前采用曲柄连杆机构驱动活塞的电控呼吸机，由于电机轴的运动与活塞的运动是非线性的，控制起来比较复杂。

在采用曲柄连杆机构驱动活塞的电控呼吸机实现VCV呼吸模式的时候，大都采用电机匀速运动，活塞运动曲线全程是类正弦曲线，根据活塞的起始位置和呼吸潮气量设置的不同，输出流速波形有可能是正弦波的部分或全部。这种方式虽然保证了潮气量和吸气时间满足要求，但是患者在吸气的时候能够明显感觉到气流的变化，从而使得呼吸不顺畅。并且这种实现方式既要保证潮气量又要保证通气时间，而这两个因素是相互矛盾的，如果控制不好的话，只能保证其中的一个。

采用丝杠驱动结构的电动电控呼吸机可以实现VCV模式下的恒流速通气，但是丝杠驱动结构复杂，且成本高，并且运行不可靠，此外还需要增加运动机械限位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动呼吸机模式控制装置及其方法，其能够根据采用的控制算法保证活塞的运行速度是恒定的，从而实现恒流速通气。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电动呼吸机模式控制装置，该装置包括：电机；电机控制部，其控制电机的转速；曲柄连杆机构，通过连接轴与电机可转动的连接，曲柄连杆机构与活塞相连接，其中，电机控制部根据电机运行速度与活塞位移的关系 $V=-R\×\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\θ}(1+R\×\cos \mathrm{\θ}/{(L\×L-R\×R\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}})$ 控制电机的转速，使得活塞匀速运动，其中，V为活塞的线速度，ω为电机的角速度，R为曲柄连杆机构中的曲柄长度，θ为曲柄连杆机构中曲柄转动的角度，L为曲柄连杆机构中连杆的长度。该电动呼吸机模式为VCV模式。

具体地，该电机控制部包括：流速计算部，其根据设定的潮气量和吸气时间计算出需要给出的流速，气体流速＝潮气量/吸气时间；以及活塞位置计算部，其根据活塞的起始位置，计算出活塞的停止位置。

并且，流速计算部还包括补偿潮气量计算部，在进行潮气量补偿的时候，补偿潮气量计算部根据设定潮气量加需要补偿的潮气量除以吸气时间计算出潮气(气体)流速，气体流速＝(潮气量+需要补偿的潮气量)/吸气时间。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种电动呼吸机模式控制方法，该方法包括根据电机运行速度与活塞位移的关系计算出在特定位置电机需要的转速，通过不断的改变电机的转速，使得活塞保持匀速运动，活塞与曲柄连杆机构连接；其中，电机运行速度与活塞位移的关系为 $V=-R\×\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\θ}(1+R\×\cos \mathrm{\θ}/{(L\×L-R\×R\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}})$ ，其中，V为活塞的线速度，ω为电机的角速度，R为曲柄连杆机构中的曲柄长度，θ为曲柄连杆机构中的曲柄转动的角度，L为曲柄连杆机构中的连杆的长度。其中，通过电机驱动器改变电机的转速。具体地，该电动呼吸机模式为VCV呼吸模式。

具体地，该方法还包括：根据设定的潮气量和吸气时间计算出需要给出的流速，气体流速＝潮气量/吸气时间；以及根据活塞的起始位置，计算出活塞的停止位置。

具体地，计算流速的步骤进一步包括在需要进行潮气量补偿的时候，通过设定潮气量加需要补偿的潮气量除以吸气时间计算出所述气体流速，气体流速＝(潮气量+需要补偿的潮气量)/吸气时间。

本发明根据电机转速与活塞位移的关系，通过不断的改变电机的转速，使活塞保持匀速运动，从而在整个VCV吸气时间内给出的都是恒定流速的气流，克服了流速不断变化对患者带来的不适，使患者有效的进行气体交换，并且提高了控制精度。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的一些实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。其中：

图1是示出电机运行速度与活塞位移关系的曲柄连杆机构的物理模型图；

图2是示出了电机匀速运动的曲线图；

图3是示出活塞匀速运动的曲线图；

图4示出了根据本发明的电动呼吸机模式控制装置的结构图；以及

图5示出根据本发明实施例的实际压力和气体流速的波形图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的方法。

首先，找出电机运行速度与活塞位移的关系。图1是示出电机运行速度与活塞位移关系的曲柄连杆机构的物理模型图。

如图1所示，先将物理模型分析如下，设滑块(活塞)行程为X，曲柄长为R，连杆长为L，滑块(活塞)线速度为V，滑块(活塞)加速度为a，滑块(活塞)运动时间为t，ω为电机转动角速度，θ为曲柄连杆机构中曲柄转动的角度，则得到如下数学式：

$X=R\cos \mathrm{\θ}+{(L\×L-R\×R\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}}$

dX/dt＝(dX/dθ)×(dθ/dt)＝ω(dX/dθ)

dX/dθ＝-Rsinθ-(R×Rsinθcosθ)/(L×L-R×Rsin²θ)

根据以上方程可以得到：

$V=-R\×\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\θ}(1+R\×\cos \mathrm{\θ}/{(L\×L-R\×R\×{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}})---\left(1\right)$

根据该方程(1)我们可以得到如图2所示的电机匀速运动的曲线。并且，根据该物理模型可知活塞要进行匀速运动(即V恒定)，需要在某一角度给出特定的角速度，以保持活塞的匀速运动。通常可以通过电机驱动器来改变电机的转速，从而实现活塞的匀速运动。保持活塞匀速运动所需的电机转速如图3所示。

如图4所示，其示出了根据本发明的电动呼吸机模式控制装置的结构图。

如图4所示，该电动呼吸机模式控制装置包括电机部1、曲柄连杆机构以及与曲柄连杆机构中相连接的活塞4。其中，电机部1与电机控制部(未示出)相连接。该电机控制部根据上述方程式控制电机的转速，以保证活塞的匀速运动。曲柄连杆机构的曲柄2通过连接轴6与电机部1相连接，该曲柄连杆机构的连杆3与活塞4相连接，该活塞可沿气缸5来回移动。

电机控制部根据所设定的潮气量和吸气时间计算气体流速，即，气体流速＝潮气量/吸气时间。通过该气体流速与活塞的截面积计算出活塞的速度V。并且，假设活塞4的起始位置是已知的，根据：

活塞的位移＝设定的潮气量/活塞的截面积；以及

活塞的终止位置＝活塞的起始位置+活塞位移

计算出活塞的终止位置，从而可以得到曲柄3转动的角度θ。将所得到的活塞4的速度V和曲柄3转动的角度θ代入方程式(1)，从而得到所需要气体流速的电机1的转速。由于曲柄3转动的角度θ的不断的变化，为使得活塞4匀速(即，获得恒定流速的气流)，通过改变电机1的转速，从而保证活塞4匀速运动。

此外，在需要进行潮气量补偿的时候(例如，由于系统漏气的出现，使得活塞推出的气体没有全部进入到病人的肺里)，直接用设定的潮气量加需要补偿的潮气量除以吸气时间，从而使得潮气量的补偿更加方便，可以提高控制精度。

如图5所示，其示出了根据本发明实施例的实际压力和气体流速的波形图。

如图5所示，其中吸气的波形大体成矩形，显而易见，该气体流速恒定，从而，克服了流速变化对患者带来的不适，使患者有效的进行气体交换。

采用该控制方式实现的VCV呼吸模式简单易实现，有利于进行潮气量的补偿，提高了控制精度，并在一定程度上改善呼吸力学状况，在减少呼吸机所导致的肺损伤和改善人机协调性方面有积极的临床意义。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动呼吸机模式控制装置，其特征在于，所述装置包括：

电机；

电机控制部，其控制所述电机的转速；

曲柄连杆机构，通过连接轴与所述电机可转动的连接，

所述曲柄连杆机构与活塞相连接，

其中，所述电机控制部根据电机运行速度与活塞位移的关系 $V=-R\×\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\θ}(1+R\×\cos \mathrm{\θ}/{(L\×L-R\×R{\×\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}})$ 控制所述电机的转速，使得所述活塞匀速运动，

其中，V为所述活塞的线速度，ω为所述电机的角速度，R为所述曲柄连杆机构中的曲柄长度，θ为所述曲柄连杆机构中曲柄转动的角度，L为所述曲柄连杆机构中连杆的长度。

2.根据权利要求1所述的电动呼吸机模式控制装置，其特征在于，所述电机控制部包括：

流速计算部，其根据设定的潮气量和吸气时间计算出需要给出的流速，气体流速＝潮气量/吸气时间；以及

活塞位置计算部，其根据所述活塞的起始位置，计算出所述活塞的停止位置。

3.根据权利要求2所述的电动呼吸机模式控制装置，其特征在于，所述流速计算部还包括补偿潮气量计算部，在进行潮气量补偿的时候，所述补偿潮气量计算部根据所述设定潮气量加需要补偿的潮气量除以吸气时间计算出所述气体流速，气体流速＝(潮气量+需要补偿的潮气量)/吸气时间。

4.根据权利要求1所述的电动呼吸机模式控制装置，其特征在于，所述电动呼吸机模式为VCV模式。

5.一种电动呼吸机模式控制方法，其特征在于，所述方法包括根据电机运行速度与活塞位移的关系计算出在特定位置电机需要的转速，通过不断的改变所述电机的转速，使得活塞保持匀速运动，所述活塞与曲柄连杆机构连接；其中，所述电机运行速度与活塞位移的关系为 $V=-R\×\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\θ}(1+R\×\cos \mathrm{\θ}/{(L\×L-R\×R\×s{\mathrm{in}}^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}}),$ 其中，V为所述活塞的线速度，ω为所述电机的角速度，R为所述曲柄连杆机构中的曲柄长度，θ为所述曲柄连杆机构中的曲柄转动的角度，L为所述曲柄连杆机构中的连杆的长度。

6.根据权利要求5所述的电动呼吸机模式控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

根据设定的潮气量和吸气时间计算出需要给出的流速，气体流速＝潮气量/吸气时间；以及

根据所述活塞的起始位置，计算出所述活塞的停止位置。

7.根据权利要求6所述的电动呼吸机模式控制方法，其特征在于，所述计算流速的步骤进一步包括在进行潮气量补偿的时候，通过所述设定潮气量加需要补偿的潮气量除以吸气时间计算出所述气体流速，气体流速＝(潮气量+需要补偿的潮气量)/吸气时间。

8.根据权利要求5所述的电动呼吸机模式控制方法，其特征在于，通过电机驱动器改变所述电机的转速。

9.根据权利要求5所述的电动呼吸机模式控制方法，其特征在于，所述电动呼吸机模式为VCV呼吸模式。

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