CN102755165B - 一种气体流速控制和监测的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医用呼吸气体监护技术领域，具体涉及一种气体流速控制和监测的方法及装置。本发明提供的技术方案，在检测和控制气体流速的同时，根据控制流速的参数判断气路是否堵塞，可以有效监测并控制医用设备的气体采样流速，在流速过高情况下及时处理采样设备，避免高速采样对患者造成伤害，在采样气路堵塞情况下及时提醒用户，提高系统的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及医用呼吸气体监护技术领域，具体涉及一种气体流速控制和监测的方法及装置。
背景技术
在医用呼吸监护领域，需要测量患者呼出和吸入气体，如二氧化碳、氧气、一氧化二氮及各种麻醉剂。目前主要的呼吸气体监护仪器有主流式和旁流式两种，主流式仪器通常用于插管患者，将测量探头安装于患者呼吸回路中；与主流式仪器不同，旁流式仪器需要从患者呼吸气路中采集一小部分气体样本，送至患者旁边的仪器进行分析，可用于插管和非插管患者，旁流式仪器比主流式仪器应用范围更加广泛，在临床中更为常见。
旁流式仪器气体采样流速通常为50~250ml/min，对于婴儿等潮气量比较小的患者，如果采样气体流速过高，超过患者呼出的气体流量，采样的气体会被污染，影响测量准确性，严重情况可能造成气道内压力、气体供给异常，影响患者呼吸，危及患者生命。
旁流式仪器气体采样系统的另一个需要解决的问题是：采集气路中会不断聚集患者呼出的湿气、分泌物等，积聚过多将堵塞采样气路，影响正常测量，需要提醒用户检查或更换采样气路相关部件。
目前的现有技术中，并没有提出设备自动且同时解决上述两个问题的技术方案，且对于气路堵塞的情况一般都是操作者通过经验进行人为的判断后操作更换，因此现有技术存在着不足。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于一种气体流速控制和监测的方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种气体流速控制和监测的装置，主要包括：气体采样模块、流速检测模块、流速阈值判断模块、流速波动控制模块、气体堵塞判断模块和结果输出模块，
所述的气体采样模块，用于开机启动并进行气体采样；
所述的流速检测模块，与所述气体采样模块相连接，用于采集当前气体流速；
所述的流速阈值判断模块，与所述的流速检测模块相连接，用于判断当前流速是否超过预设流速阈值；
所述的流速波动控制模块，与所述的流速阈值判断模块相连接，用于进行气体流速波动控制；
所述的气体堵塞判断模块，与所述的流速波动控制模块和流速检测模块相连接，用于判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值；
所述的结果输出模块，与所述的气体堵塞判断模块和流速阈值判断模块相连接，用于进行结果的输出。
进一步的，还包括参数预设模块，所述的参数预设模块与所述的气体采样模块相连接，用于对各个模块的参数进行预先设定。
更进一步的，还包括第一时间阈值判断模块，所述的第一时间阈值判断模块与所述的流速阈值判断模块、流速波动控制模块和结果输出模块相连接，用于判断当当前采集到的流速超过预设流速阈值时，是否超过预设第一时间阈值。
更进一步的，还包括第二时间阈值判断模块，所述的第二时间阈值判断模块与所述的流速检测模块、气体堵塞判断模块和结果输出模块相连接，用于判断当波动控制参数超过预设控制参数阈值时，是否超过预设第二时间阈值。
本发明一种气体流速控制和监测的方法，包括了，如下步骤，
步骤Ⅰ，开机启动并进行气体采样；
步骤Ⅱ，采集当前气体流速；
步骤Ⅲ，判断当前流速是否超过预设流速阈值，如超过预设流速阈值则进入步骤Ⅵ，反之，则进入步骤Ⅳ；
步骤Ⅳ，进行气体流速波动控制；
步骤Ⅴ，判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值，如超过预设控制参数阈值则判断气体堵塞并进入步骤Ⅵ，反之，则判断气体未堵塞返回步骤Ⅱ；
步骤Ⅵ，输出结果。
进一步的，步骤Ⅳ所述的气体流速波动控制进一步包括，采用控制算法对气体流速进行波动控制，并计算得出波动控制参数。
更进一步的，步骤Ⅵ所述的输出结果进一步包括，提供报警信号和/或关闭气体采样。
更进一步的，在所述的步骤Ⅲ之后，还包括，判断是否超过预设第一时间阈值，如果判断超过第一时间阈值则进入步骤Ⅵ输出结果，否则进入步骤Ⅳ进行正常的流速波动控制。
更进一步的，在所述的步骤Ⅴ之后，还包括，判断是否超过预设第二时间阈值，如果判断超过第二时间阈值则进入步骤Ⅵ输出结果，否则则返回步骤Ⅱ采集当前气体流速。
更进一步的，所述的步骤Ⅰ还包括，预设流速阈值、控制参数阈值和/或第一时间阈值和/或第二时间阈值。
本发明提供的技术方案，在检测和控制气体流速的同时，根据控制流速的参数判断气路是否堵塞，可以有效监测并控制医用设备的气体采样流速，在流速过高情况下及时处理采样设备，避免高速采样对患者造成伤害，在采样气路堵塞情况下及时提醒用户，提高系统的安全性和可靠性。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明的一种气体流速控制和监测的方法的一个实施例工作流程示意图；
图2为本发明的一种气体流速控制和监测的方法的另一个实施例工作流程示意图；
图3为本发明的一种气体流速控制和监测的装置的一个实施例示意图；
图4为本发明的一种气体流速控制和监测的装置的另一个实施例示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种气体检测的控制方法具体步骤描述如下：
101、开机启动并进行气体采样；
呼吸监护设备或者旁流式仪器开机启动，并启动泵进行气体的采样。当然还需要进行参数阈值的预设，如根据工作模式不同设定不同的流速目标值，该目标值根据实际需要而定，可以为50ml/min或100ml/min等；预设流速波动的阈值，该阈值设定是可保证临床应用安全的经验值，例如，目标流速设定为50ml/min时，流速波动阈值设定为±10ml/min，目标流速设定为100ml/min时，流速波动阈值设定为±15ml/min。预设控制参数阈值，该阈值与气体采样系统相关，在不同气体流速下其阈值也不同，用于判断系统气路是否堵塞。
102、采集当前气体流速；
可以通过流量传感器、差压传感器等采集气体当前流速，用于流速的实时控制和监测。
103、判断当前流速是否超过预设流速阈值；
将当前采集到的流速与预设值的流速阈值参数进行比较，如超过范围则进入步骤106进行结果输出，如未超过范围则进入步骤104进行气体流速波动控制。
104、气体流速波动控制；
采集气体采样的流速，根据流速控制气体流速的波动减小，且尽量靠近当前预设定的目标流速值实现波动控制。可优选实施控制算法对气体流速采样设备进行实时控制，该算法可采用PID、模糊控制等闭环控制算法。本实施例中采用PID控制算法，根据目标值和测量值的当前偏差error(k)及前1偏差error(k-1)，前2偏差error(k-2)，前3偏差error(k-3)及累计偏差量 
，计算控制量参数u(k)。控制算法差分方程如下：
比例系数为KP、积分系数为KI、微分系数为KD，且均为经验参数，可通过系统调试获得。采用其他闭环控制方法，其控制量参数u(k)与气路的状态相关，也可用于气路状态判断。
105、判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值？
根据步骤104获得控制量参数u(k)，该参数为气体采样泵的控制参数，可以为电压信号、电流信号或PWM占空比信号，在气路正常情况下，该参数在一个正常范围内，当气路堵塞情况下，该参数将远远超过正常范围，因此该控制量参数大小可以反映气体采样系统的堵塞情况，通过该参数可以准确、简单的实现气路堵塞判断，根据不同流速下的控制量参数，判断控制量是否超过控制参数阈值，如果没有超过则判断未发生堵塞返回步骤102继续采集当前流速，如果超过阈值则判断发生堵塞则进入下一步骤106输出结果。
106、输出结果；
根据如上103和105步骤的判断进行结果输出，优选方式:根据步骤103，当流速超过阈值时，提供报警信号提醒用户和/或关闭气体采样；根据步骤105，当判断超过阈值时，提供报警信息提示用户进行堵塞处理和/或关闭气体采样设备，可防止出现错误的测量结果或造成设备损坏。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明一种气体检测控制方法的另一个实施例工作流程示意图，如图2所示，具体描述如下：
201、开机启动并进行气体采样；
呼吸监护设备或者旁流式仪器开机启动，并启动泵进行气体的采样。当然还需要进行参数阈值的预设，如根据工作模式不同设定不同的流速目标值，该目标值根据实际需要而定，可以为50ml/min或100ml/min等；预设流速波动的阈值，该阈值设定是可保证临床应用安全的经验值，例如，目标流速设定为50ml/min时，流速波动阈值设定为±10ml/min，目标流速设定为100ml/min时，流速波动阈值设定为±15ml/min。预设控制参数阈值，该阈值与气体采样系统相关，在不同气体流速下其阈值也不同，用于判断系统气路是否堵塞。预设时间阈值，该阈值设定的原则是在保证临床安全的情况下，尽量避免误报警。
202、采集当前气体流速；
可以通过流量传感器、差压传感器等采集气体当前流速，用于流速的实时控制和监测。
203、判断当前流速是否超过预设流速阈值；
将当前采集到的流速与预设值的流速阈值参数进行比较，如超过范围则进入步骤204进行时间阈值判断，如未超过范围则进入步骤205进行气体流速波动控制。
204、判断是否超过预设第一时间阈值？
由于气体流速在外界出现干扰时可能出现流速短时超过阈值而可以立即恢复正常的情况，这种情况在实际应用中是可以接受的，采用步骤203流速阈值判断和步骤204时间阈值判断，可以有效减少误报警的出现，提高了系统的可靠性，具体实现方法为：如果步骤203判断流速超过阈值，进行时间递增，并进入下一步骤204，如果步骤204判断超过时间阈值则进入208输出结果，否则进入步骤205进行正常的流速波动控制。
205、气体流速波动控制；
采集气体采样的流速，根据流速控制气体流速的波动减小，且尽量靠近当前预设定的目标流速值实现波动控制。可优选实施控制算法对气体流速采样设备进行实时控制，该算法可采用PID、模糊控制等闭环控制算法。本实施例中采用PID控制算法，根据目标值和测量值的当前偏差error(k)及前1偏差error(k-1)，前2偏差error(k-2)，前3偏差error(k-3)及累计偏差量
，计算控制量参数u(k)。控制算法差分方程如下：
比例系数为KP、积分系数为KI、微分系数为KD，且均为经验参数，可通过系统调试获得。采用其他闭环控制方法，其控制量参数u(k)与气路的状态相关，也可用于气路状态判断。
206、判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值？
根据步骤205获得控制量参数u(k)，该参数为气体采样泵的控制参数，可以为电压信号、电流信号或PWM占空比信号，在气路正常情况下，该参数在一个正常范围内，当气路堵塞情况下，该参数将远远超过正常范围，因此该控制量参数大小可以反映气体采样系统的堵塞情况，通过该参数可以准确、简单的实现气路堵塞判断，根据不同流速下的控制量参数，判断控制量是否超过控制参数阈值，如果没有超过则判断未发生堵塞返回步骤202继续采集当前流速，如果超过阈值则进入下一步骤207进行时间阈值判断。
207、判断是否超过预设第二时间阈值？
气体采样管连接设备和受试者之间，应用过程中容易被操作者或患者接触到，出现短暂气路堵塞的情况，这种情况往往会立即恢复而不影响测量。采用步骤206堵塞阈值判断和步骤207时间阈值判断，可以有效减少误报警的出现，提高了系统的可靠性，具体实现方法为：如果步骤206判断超过预设控制参数阈值，进行时间递增，并进入下一步骤207，如果步骤207判断超过时间阈值则进入208输出结果，否则如果步骤207判断未超过时间阈值，则返回步骤202采集当前流速。
208、输出结果；
根据如上103和105步骤的判断进行结果输出，优选方式:根据步骤103，当流速超过阈值时，提供报警信号提醒用户和/或关闭气体采样设备；根据步骤105，当判断超过阈值时，提供报警信息提示用户进行堵塞处理和/或关闭气体采样设备，可防止出现错误的测量结果或造成设备损坏。
当然对于本实施例的方法流程第一和第二时间阈值可以同时设定也可以只设定其一。
为便于理解本发明，图3给出了本发明的一种气体检测的控制装置的一个实施例的原理图。
气体采样模块301，用于开机启动并进行气体采样；
流速检测模块302，与所述气体采样模块301相连接，用于采集当前气体流速；
流速阈值判断模块303，与所述的流速检测模块302相连接，用于判断当前流速是否超过预设流速阈值；
流速波动控制模块304，与所述的流速阈值判断模块303相连接，用于进行气体流速波动控制；
气体堵塞判断模块305，与所述的流速波动控制模块304和流速检测模块302相连接，用于判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值；
结果输出模块306，与所述的气体堵塞判断模块305和流速阈值判断模块303相连接，用于进行结果的输出。
为便于理解本发明，图4给出了本发明的一种气体检测的控制装置的另一个实施例的原理图，详细描述如下：
一种气体检测的控制装置，还包括了，
参数预设模块300，与所述的气体采样模块301相连接，用于对各个模块的参数进行预先设定；
第一时间阈值判断模块307，与所述的流速阈值判断模块303、流速波动控制模块304和结果输出模块306相连接，用于判断当当前采集到的流速超过预设流速阈值时，是否超过预设第一时间阈值？
第二时间阈值判断模块308，与所述的流速检测模块302、气体堵塞判断模块305和结果输出模块306相连接，用于判断当波动控制参数超过预设控制参数阈值时，是否超过预设第二时间阈值？
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1. 一种气体流速控制和监测的装置，其特征在于，包括了，气体采样模块、流速检测模块、流速阈值判断模块、流速波动控制模块、气体堵塞判断模块和结果输出模块，
所述的气体采样模块，用于开机启动并进行气体采样；
所述的流速检测模块，与所述气体采样模块相连接，用于采集当前气体流速；
所述的流速阈值判断模块，与所述的流速检测模块相连接，用于判断当前流速是否超过预设流速阈值；
所述的流速波动控制模块，与所述的流速阈值判断模块相连接，用于进行气体流速波动控制；
所述的气体堵塞判断模块，与所述的流速波动控制模块和流速检测模块相连接，用于判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值；
所述的结果输出模块，与所述的气体堵塞判断模块和流速阈值判断模块相连接，用于进行结果的输出。
2.根据权利要求1所述的一种气体流速控制和监测的装置，其特征在于，还包括参数预设模块，所述的参数预设模块与所述的气体采样模块相连接，用于对各个模块的参数进行预先设定。
3.根据权利要求1或2所述的一种气体流速控制和监测的装置，其特征在于，还包括第一时间阈值判断模块，所述的第一时间阈值判断模块与所述的流速阈值判断模块、流速波动控制模块和结果输出模块相连接，用于判断当当前采集到的流速超过预设流速阈值时，是否超过预设第一时间阈值。
4.根据权利要求3所述的一种气体流速控制和监测的装置，其特征在于，还包括第二时间阈值判断模块，所述的第二时间阈值判断模块与所述的流速检测模块、气体堵塞判断模块和结果输出模块相连接，用于判断当波动控制参数超过预设控制参数阈值时，是否超过预设第二时间阈值。
5.一种气体流速控制和监测的方法，其特征在于，包括了如下步骤，
步骤Ⅰ，开机启动并进行气体采样；
步骤Ⅱ，采集当前气体流速；
步骤Ⅲ，判断当前流速是否超过预设流速阈值，如超过预设流速阈值则进入步骤Ⅵ，反之，则进入步骤Ⅳ；
步骤Ⅳ，进行气体流速波动控制；
步骤Ⅴ，判断波动控制参数是否超过预设控制参数阈值，如超过预设控制参数阈值则判断气体堵塞并进入步骤Ⅵ，反之，则判断气体未堵塞返回步骤Ⅱ；
步骤Ⅵ，输出结果。
6.根据权利要求5所述的一种气体流速控制和监测的方法，其特征在于，步骤Ⅳ所述的气体流速波动控制进一步包括，采用控制算法对气体流速进行波动控制，并计算得出波动控制参数。
7.根据权利要求5或6所述的一种气体流速控制和监测的方法，其特征在于，步骤Ⅵ所述的输出结果进一步包括，提供报警信号和/或关闭气体采样。
8.根据权利要求7所述的一种气体流速控制和监测的方法，其特征在于，在所述的步骤Ⅲ之后，还包括，判断是否超过预设第一时间阈值，如果判断超过第一时间阈值则进入步骤Ⅵ输出结果，否则进入步骤Ⅳ进行正常的流速波动控制。
9.根据权利要求8所述的一种气体流速控制和监测的方法，其特征在于，在所述的步骤Ⅴ之后，还包括，判断是否超过预设第二时间阈值，如果判断超过第二时间阈值则进入步骤Ⅵ输出结果，否则则返回步骤Ⅱ采集当前气体流速。
10.根据权利要求9所述的一种气体流速控制和监测的方法，其特征在于，所述的步骤Ⅰ还包括，预设流速阈值和/或控制参数阈值和/或第一时间阈值和/或第二时间阈值。
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