CN103041486B - 一种呼吸辅助装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种呼吸辅助装置，包括呼吸固定装置，所述呼吸固定装置具有进气口和出气口，在其所述进气口处接有进气管；还包括控制处理装置以及分别与所述控制处理装置连接的受控阀门和若干个用于检测气流的微振动传感器，在所述呼吸固定装置的进气口处和进气口处分别安装有所述微振动传感器，所述受控阀门安装于所述进气管处；所述控制处理装置根据所述微振动传感器检测的气流数据判断为呼气状态时，控制所述受控阀门关闭所述进气管，判断为吸气状态时，控制该受控阀门导通该进气管。本发明还提供一种非治疗目的的呼吸辅助装置的控制方法。本发明能够根据呼吸状态动态调控气源供应，仅在吸气的时候供气，在呼气的时候则切断气源供应，节约气源。

Description

一种呼吸辅助装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种安全节气呼吸辅助装置，特别是基于传感器和电磁阀的气流控制装置及其控制方法。

背景技术

在现有的辅助呼吸系统中，一般采用如图1所示的主结构，储氧或产氧装置直接与呼吸面罩或鼻管相连，氧气源源不断供给使用者，在呼气和吸气的时候均提供氧气。或是采用鼻腔进气、口腔出气的方式，从一定程度上减轻氧气散失，但这种方式靠呼吸冲击力驱动，人呼吸时需要刻意鼓足力气，给使用者造成负担，也给其呼吸带来不便。

以上装置氧气供应不随呼吸节奏变化，提供的氧气未能充分利用，在呼气时提供的氧气被完全或一定程度上浪费。在需要设备辅助呼吸的场合，如登山、消防、深井或高温作业等，供氧方式的缺陷限制了人员的活动，严重时甚至危及生命。

也存在个别通过间歇式供氧节约氧气的供氧装置，但并不成熟。

发明内容

由于呼吸辅助系统的特殊要求，以及现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种用于呼吸调控的安全节气呼吸辅助装置，消除在使用者呼气时氧气或其它气源的浪费，起到节约气源的作用。

本发明提供的技术方案是：一种呼吸辅助装置，包括呼吸固定装置，所述呼吸固定装置具有进气口和出气口，在其所述进气口处接有进气管；还包括控制处理装置以及分别与所述控制处理装置连接的受控阀门和若干个用于检测气流的微振动传感器，在所述呼吸固定装置的进气口处和进气口处分别安装有所述微振动传感器，所述受控阀门安装于所述进气管处；所述控制处理装置根据所述微振动传感器检测的气流数据判断为呼气状态时，控制所述受控阀门关闭所述进气管，判断为吸气状态时，控制该受控阀门导通该进气管。

采用本发明的技术方案，在现有的辅助呼吸系统中增加了呼吸检测控制电路，能够检测和判断使用者的呼吸状态，根据呼吸状态动态调控气源供应，仅在吸气的时候供气，在呼气的时候则切断气源供应，以此达到节约气源的目的。

进一步的，所述进气口处和所述出气口处的所述微振动传感器分别将采集的数据传输给所述控制处理装置，当该控制处理装置计算出出气口气流数据与进气口气流数据之差大于设定的阀值时，该控制处理装置判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

采用本发明的技术方案，通过差分算法能够有效滤除噪声干扰，保证判断的精度，不会误触发。

更进一步的，所述控制处理装置控制所述进气口处和所述出气口处的所述微振动传感器每间隔5ms同步采集一次气流信号，所述控制处理装置将连续20次采集到的出气口气流数据组成一个队列，取该队列中数据的平均值得到出气口气流数据平均值，同时，将在连续20次采集到的进气口气流数据组成另一个队列，计算该队列中数据的平均值得到进气口气流数据平均值；当出气口气流数据平均值与进气口气流数据平均值之差大于设定的阀值时，所述控制处理装置判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

采用这种技术方案，能够避免气流瞬时波动而对判断结果造成影响，提高了判断的精确性。

进一步的，所述呼吸固定装置的所述进气口处设有进气单向阀膜片，若干所述微振动传感器安装于该进气单向阀膜片外侧；

和/或，

所述呼吸固定装置的所述出气口处设有出气单向阀膜片，另外若干所述微振动传感器安装于该出气单向阀膜片外侧。

采用这样的技术方案，将微振动传感器分别安装于进气口处和出气口处，能够更加准确地测量到呼气气流和吸气气流，并且，将传感器布置于单向阀膜片的外侧，使单向阀膜片将使用者嘴鼻与传感器隔离，避免了微振动传感器装于单向阀膜片内侧时持续受到固定装置内的气流的影响，从而进一步地了提高对呼、吸的判断准确性。

更进一步的，所述进气口处的所述微振动传感器的感应端面向该进气口。

采用这样的技术方案，安装方位不同于人们通常的设想，使进气口处的微振动传感器处于最优的安装方位，提高进气口的传感器的灵敏度。

进一步的，所述进气口处的所述微振动传感器的个数和所述出气口处的所述微振动传感器个数相同；所述进气口处的多个所述微振动传感器并联后与所述控制处理装置连接，所述出气口处的多个所述微振动传感器并联后与所述控制处理装置连接。

采用上述技术方案，多个传感器能够并接，各传感器采集的信号叠加，可以增大对进气口处或出气口处采集到的信号强度，利于后续计算处理，避免因为信号强度过弱而难于进行呼、吸状态的判断。

进一步的，所述呼吸固定装置为面罩；所述控制处理装置包括依次连接的信号放大电路、A/D转换器和微处理器；所述信号放大电路与所述微振动传感器连接，所述微处理器与所述受控阀门连接；所述受控阀门为常通式电磁阀；所述微振动传感器为麦克风传感器。

采用上述技术方案，采用常通式电磁阀，在设备故障或电力不足时，供气通路保持畅通，保证了使用者的安全；呼吸辅助装置中使用麦克风传感器检测呼吸气流，麦克风传感器不需要被呼吸冲击力驱动，只要有呼吸气流就可以检测，对使用者不会造成呼吸负担，也不会因呼吸中短暂的中断产生误触发，使用更加方便。装置创新地采用麦克风传感器作为呼吸检测的信号采集装置，具有体积小，灵敏度高，不会对呼吸造成干扰以及反应灵敏迅速等优点。

本发明还提供一种非治疗目的的呼吸辅助装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤s：进气口处和出气口处的各微振动传感器分别检测进气口气流和出气口气流，分别将信号传输至控制处理装置；

步骤s：控制处理装置得到出气口气流数据和进气口气流数据并将两者作差；

步骤s：当出气口气流数据与进气口气流数据之差大于预设的阀值时，控制处理装置判断为呼气状态，则控制受控阀门关闭进气管；否则，判断为吸气状态，则控制受控阀门导通进气管。

进一步的，

步骤s进一步包括：进气口处和出气口处的微振动传感器每间隔5ms同步采样一次；

步骤s2进一步包括：控制处理装置将同时连续20次采样获得的20个进气口气流数据和20个出气口气流数据分别组成两个队列，计算两个队列中数据的平均值，分别得到出气口气流数据平均值和进气口气流数据平均值，将两者作差；

步骤s3进一步包括：当出气口气流数据平均值与进气口气流数据平均值之差大于预设的阀值时，控制处理装置判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

更进一步的，所述队列中的数据的进出采用先进先出原则。

采用上述技术方案，先进先出原则是符合时间顺序的顺次检测，控制处理装置能够随着时间的推移顺次检测最新的气流情况。

本发明带来的有益效果是：本发明在现有的辅助呼吸系统中增加了呼吸检测控制电路，能够检测和判断使用者的呼吸状态，根据呼吸状态动态调控气源供应，仅在吸气的时候供气，在呼气的时候则切断气源供应，以此达到节约气源的目的。同时采用常通式电磁阀，在设备故障或电力不足时，供气通路保持畅通，保证了使用者的安全；本发明呼吸辅助装置中使用麦克风传感器检测呼吸气流，检测灵敏度高；本发明呼吸辅助装置通过差分算法能够有效滤除噪声干扰，保证判断的精度，不会误触发。

附图说明

图1为现有呼吸辅助装置的结构示意图；

图2本发明呼吸辅助装置实施例中的面罩结构示意图；

图3为本发明呼吸辅助装置实施例的结构示意图；

图4为本发明呼吸辅助装置实施例中的呼吸检测控制电路结构示意图；

图5为本发明呼吸辅助装置的控制方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图2、3所示，本发明实施例的呼吸辅助装置，用于供应氧气或其它可供人呼吸的气体(包括氧气与其它气体的混合物)，其包括呼吸固定装置1，呼吸固定装置1具有进气口11和出气口12，其进气口11连接有进气管2；呼吸辅助装置还包括控制处理装置3以及分别与控制处理装置3连接的受控阀门4和若干个微振动传感器5，微振动传感器5安装于呼吸固定装置1上，进气口11和出气口12处分别装有多个微振动传感器5，受控阀门4安装于进气管2处；控制处理装置3根据微振动传感器5检测的气流信号判断为呼气状态时，控制受控阀门4关闭进气管2，判断为吸气状态时，控制受控阀门4导通进气管2。本实施例的呼吸辅助装置通过进气管2与供气设备6连接，可以应用于不同类型的各种供气设备6。

如图2所示，呼吸固定装置1为面罩，也可以是鼻管等其他呼吸固定装置。受控阀门4优选为常通式电磁阀；微振动传感器5优选为麦克风传感器。

如图3所示，本实施例呼吸辅助装置用于呼吸检测控制的电路主要包括依次连接的微振动传感器5、控制处理装置3和受控阀门4。如图4所示，控制处理装置3又包括信号放大电路31、A/D转换器32、微处理器33。如图3所示，微振动传感器5的信号经过信号放大电路31放大后送入A/D转换器32进行模数转换，变为数字信号之后由微处理器33处理，微处理器33据此控制受控阀门4。

本实施例的呼吸辅助装置是一种基于微振动传感器5的呼吸辅助装置，通过微振动传感器5检测呼吸气流，通过ADC获取传感器的电压信号，控制处理装置3以此作为判断依据来判断呼吸状态。控制处理装置3选用单片机，单片机控制常通式电磁阀，当判断为吸气状态时电磁阀断电，电磁阀打开，进气管2为导通状态，气源正常供应氧气；当判断为呼气时电磁阀通电，电磁阀闭合，进气管2为关闭状态，气源停止供氧。采用宏晶公司的STC12C5A60S2微处理芯片来实现对传感器电压信号的采集、分析以及电磁阀控制，该微处理芯片为基于8051内核的加强型51单片机，自带8路ADC转换，且具有较快的处理速度和稳定的性能。

如图2所示，面罩的进气口11和出气口12为两个分开的气道结构，进气口11和出气口处均安装有多个微振动传感器5，当呼气和吸气的时候，进气口11、出气口12分别有气流，通过合理布设传感器，可以捕捉到微弱的气流信号。优选的，呼吸固定装置的进气口11设有至少2个微振动传感器5，这些微振动传感器5并联后与控制处理装置3连接；出气口12也设有至少2个微振动传感器5，这些微振动传感器5并联后与控制处理装置3连接，并且，进气口11处和出气口12处的微振动传感器个数相同，以保证两处取得的信号强度一致；进气口11、出气口12每一处的传感器个数最好是3个，即能保证信号强度，又节省成本，而且与进气口11或出气口12的口径相符。

呼吸固定装置的进气口11处设有进气单向阀膜片，若干微振动传感器5安装于进气口11处、进气单向阀膜片外侧；进气管2中进气时，进气口11处的进气单向阀膜片被气流吹开，气源得以通过进气管2即进气口11顺利进入面罩内，否则其即闭合，封闭住进气口11。按照通常认识，进气口11处或出气口处12的传感器，应将它们的感应端迎向呼吸产生的气流，也就是说在进气口11处的传感器，其感应端应背向进气口，也就是远离进气口的方向，以使其感应端迎向由呼吸产生的吸气气流；但是，经过本发明人反复试验、测算，发现当进气口11处的传感器的感应端面向进气口11时，它对吸气气流进行检测的感应灵敏度反而比其感应端背向进气口11时更佳，因此，优选的，微振动传感器5的感应端面向进气口11。

呼吸固定装置的出气口12处设有出气单向阀膜片，另外若干微振动传感器5安装于出气口12处、出气单向阀膜片外侧；呼气时，出气口12处的出气单向阀膜片被气流吹开，面罩内的气体得以从出气口12处顺利排出，否则其即闭合，封闭住出气口12。

微振动传感器5用于检测人的呼吸气流，优选采用麦克风传感器，麦克风传感器不需要被呼吸冲击力驱动，只要有呼吸气流就可以检测，对使用者不会造成呼吸负担，也不会因呼吸中短暂的中断产生误触发，使用更加方便。装置创新地采用麦克风传感器作为呼吸检测的信号采集装置，具有体积小，灵敏度高，不会对呼吸造成干扰以及反应灵敏迅速等优点。

由于出气口11和进气口12两处的传感器都装在两处的单向阀膜片靠外的一侧，直接暴露在外界环境中，环境噪音对出气口11处和进气口12的传感器的干扰是相同的，即两处的微振动传感器5对外界噪音的响应是相同的，将出气口12和进气口11两处的传感器采集到的信号的数据直接作差就可以滤除外界噪音了，因此，如图5所示，在微处理器33中，采用了差分算法来实现降噪，这样可以滤除环境噪声对传感器的影响，防止误判。麦克风传感器的信号经过放大和AD转换，由微处理器33处理分析，将出气口和进气口的传感器信号数据同步作差，获得滤除了外界噪声的气流信号，判断出气气流和进气气流的差值是否达到阈值。在一个实际的应用例中，以1024代表电压5V，阈值一般取5至20。当检测到出气气流大于进气气流且两者之差超过阀值，则判断为呼气状态，常通式电磁阀通电，供氧管路导通；否则即为吸气状态，电磁阀断电，切断氧气供应。在算法上采用先队列平均，气口和出气口两处的传感器各分别每间隔5ms(毫秒)同时采样一次，即控制处理装置3获得每间隔5ms的进气口气流数据和每间隔5ms的出气口气流数据，出气口处传感器连续20次采样得到连续20次出气口气流数据，这20个数据构成一个队列，同时，进气口处传感器连续20次采样获得得到连续20次进气口气流数据，这些数据构成另一个队列，将连续获得的20次出气口气流数据取平均值得到出气口气流数据平均值，将连续获得的20次进气口气流数据取平均值得到进气口气流数据平均值，将两个平均值作差，判断两者差值与阀值的关系；每连续20次采样获得的出气口气流数据或进气口气流数据构成的队列，不间断地每间隔5ms采样一次，每次舍弃最陈旧的数据并补充一个最新的数据(即先进先出)，始终保持队列中包含连续20次采样获得的数据，两路传感器的队列数据的平均值作差，并与用于标定呼、吸状态的阈值比较，得到呼吸状态。这样，装置在有环境噪音的情况下依然能够可靠工作。

从上可知，本实施例的呼吸辅助装置采用了如下的控制方法，该方法用于非治疗目的，如图5所示，其包括如下步骤：

步骤s1：进气口11处和出气口12处的各微振动传感器5分别检测进气口气流和出气口气流，分别将信号传输至控制处理装置3；

步骤s2：控制处理装置3得到出气口气流数据和进气口气流数据并将两者作差；

步骤s3：当出气口气流数据与进气口气流数据之差大于预设的阀值时，控制处理装置3判断为呼气状态，则控制受控阀门4关闭进气管2；否则，判断为吸气状态，则控制受控阀门4导通进气管2。

优选的，步骤s1进一步包括：进气口11处和出气口12处的微振动传感器5每间隔5ms同步采样一次；

步骤s2进一步包括：控制处理装置3将同时连续20次采样获得的20个进气口气流数据和20个出气口气流数据分别组成两个队列，计算两个队列中数据的平均值，分别得到出气口气流数据平均值和进气口气流数据平均值，将两者作差；

步骤s3进一步包括：当出气口气流数据平均值与进气口气流数据平均值之差大于预设的阀值时，控制处理装置3判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

本实施例的呼吸辅助装置及其控制方法通过增加检测呼吸和控制气流通断的电磁阀的装置，呼气的时候停止供气，只在吸气的时候供气，以此把单位质量气体的使用时间延长为普通面罩的两倍。

如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种呼吸辅助装置，包括呼吸固定装置(1)，所述呼吸固定装置(1)具有进气口(11)和出气口(12)，在其所述进气口(11)处接有进气管(2)；其特征在于：还包括控制处理装置(3)以及分别与所述控制处理装置(3)连接的受控阀门(4)和若干个用于检测气流的微振动传感器(5)，在所述呼吸固定装置(1)的进气口(11)处和进气口(12)处分别安装有所述微振动传感器(5)，所述受控阀门(4)安装于所述进气管(2)处；所述控制处理装置(3)根据所述微振动传感器(5)检测的气流数据判断为呼气状态时，控制所述受控阀门(4)关闭所述进气管(2)，判断为吸气状态时，控制该受控阀门(4)导通该进气管(2)；所述进气口(11)处和所述出气口(12)处的所述微振动传感器(5)分别将采集的数据传输给所述控制处理装置(3)，当该控制处理装置(3)计算出出气口气流数据与进气口气流数据之差大于设定的阀值时，该控制处理装置(3)判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

2.根据权利要求1所述的呼吸辅助装置，其特征在于：所述控制处理装置(3)控制所述进气口(11)处和所述出气口(12)处的所述微振动传感器(5)每间隔5ms同步采集一次气流信号，所述控制处理装置(3)将连续20次采集到的出气口气流数据组成一个队列，取该队列中数据的平均值得到出气口气流数据平均值，同时，将在连续20次采集到的进气口气流数据组成另一个队列，计算该队列中数据的平均值得到进气口气流数据平均值；当出气口气流数据平均值与进气口气流数据平均值之差大于设定的阀值时，所述控制处理装置(3)判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

3.根据权利要求1或2所述的呼吸辅助装置，其特征在于：所述呼吸固定装置(1)的所述进气口(11)处设有进气单向阀膜片，若干所述微振动传感器(5)安装于该进气单向阀膜片外侧；

和/或，

所述呼吸固定装置(1)的所述出气口(12)处设有出气单向阀膜片，另外若干所述微振动传感器(5)安装于该出气单向阀膜片外侧。

4.根据权利要求3所述的呼吸辅助装置，其特征在于：所述进气口(11)处的所述微振动传感器(5)的感应端面向该进气口(11)。

5.根据权利要求1或2所述的呼吸辅助装置，其特征在于：所述进气口(11)处的所述微振动传感器(5)的个数和所述出气口(12)处的所述微振动传感器(5)个数相同；所述进气口(11)处的多个所述微振动传感器(5)并联后与所述控制处理装置(3)连接，所述出气口(12)处的多个所述微振动传感器(5)并联后与所述控制处理装置(3)连接。

6.根据权利要求1或2所述的呼吸辅助装置，其特征在于：所述呼吸固定装置(1)为面罩；所述控制处理装置(3)包括依次连接的信号放大电路(31)、A/D转换器(32)和微处理器(33)；所述信号放大电路(31)与所述微振动传感器(5)连接，所述微处理器(33)与所述受控阀门(4)连接；所述受控阀门(4)为常通式电磁阀；所述微振动传感器(5)为麦克风传感器。

7.一种非治疗目的的呼吸辅助装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤s1：进气口(11)处和出气口(12)处的各微振动传感器(5)分别检测进气口气流和出气口气流，分别将信号传输至控制处理装置(3)；

步骤s2：控制处理装置(3)得到出气口气流数据和进气口气流数据并将两者作差；

步骤s3：当出气口气流数据与进气口气流数据之差大于预设的阀值时，控制处理装置(3)判断为呼气状态，则控制受控阀门(4)关闭进气管(2)；否则，判断为吸气状态，则控制受控阀门(4)导通进气管(2)。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于进一步包括：

步骤s1进一步包括：进气口(11)处和出气口(12)处的微振动传感器(5)每间隔5ms同步采样一次；

步骤s2进一步包括：控制处理装置(3)将同时连续20次采样获得的20个进气口气流数据和20个出气口气流数据分别组成两个队列，计算两个队列中数据的平均值，分别得到出气口气流数据平均值和进气口气流数据平均值，将两者作差；

步骤s3进一步包括：当出气口气流数据平均值与进气口气流数据平均值之差大于预设的阀值时，控制处理装置(3)判断为呼气状态，否则，判断为吸气状态。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于进一步包括：所述队列中数据的进出采用先进先出原则。