CN103505788B - 一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机 - Google Patents

一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗器械领域,具体公开一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机。通气控制方法是微控制器根据气体压力和流量判别呼吸状态,并将压力信息作为PID控制器的输入参数,经过PID控制器后得到控制电压从而对供气装置进行控制,向呼吸导管提供压力;并在呼气相预测下一个吸气时间,控制呼吸机在吸气相提前释放压力,还控制呼吸机在呼气末阶段产生正压支持。所以本发明能快速达到预定呼吸压力并减少压力波动;通过在吸气相提前释放压力达到提高了人机同步性。另外,在呼气末阶段增加正压支持,能更好地符合人体呼吸生理特征,解决了因过低压力支持造成的气道再次陷闭的问题。

Description

一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机
技术领域
本发明涉及医疗器械领域,更具体地,涉及一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机。
背景技术
呼吸机的工作原理主要是由体外机械驱动使气道口和肺泡产生正压力差从而使气体经过呼吸管道进入人体呼吸系统,协助病人呼吸保证其通气顺畅。呼吸机的工作须与病人同步,即呼吸机的供气周期(吸气开始时刻、吸气持续时间、吸气至呼气的转换时刻和呼气持续时间)与病人的呼吸强度和呼吸周期相一致,否则,病人会由于造成的人机对抗而出现呼吸功增加、呼吸肌损失等情况,甚至引起病人病情加重等情况的发生。另外,目前大多数呼吸机或多或少忽略了对呼吸生理特征的考虑,现有呼吸机的控制方法中并没有加入呼气末正压支持的功能。呼气末正压支持的呼吸机是指病人在使用呼吸机的过程中,经过吸气相进入呼气相后,呼吸机会维持供给一个较低压力,在病人进入下一次吸气相前,呼吸机适当提高供给压力,预防在呼气前期较低压力可能促发的气道再陷闭并有效改善CO2的滞留。
现有双水平正压呼吸机的主要工作原理在于,根据流量触发,病人在吸气相时呼吸机会提供一个相对较高压力以打开病人气道保证其顺畅吸气,而在呼气相时提供一个相对较低压力以让病人排出气体。双水平正压呼吸机基本结构框图如附图1所示:
双水平呼吸机主要在于对电磁阀13开关的控制来间接提供不同的呼吸压力支持。涡轮风机12作为气源,为整个气道产生正压力。当处于吸气相时,电磁阀13打开,鼻面罩14将产生一个较高压力水平;当处于呼气相时,电磁阀13关闭,鼻面罩14将产生一个较低压力水平并与大气直接相通。此即为双水平正压呼吸机的供气气路原理。
附图1中对电磁阀13的控制方法主要在于不同的触发信号。当流量传感器、压力传感器18检测到流量变化和压力波动时,此流量信息将被反馈回微控制器17作为触发呼吸转换的信号,同时压力波动将作为实时反馈信号,经微控制器17内的PID控制器得到输出电压控制信号,此控制信号经功率驱动电路16来控制电磁阀13的闭合从而控制呼吸机对病人不同的供气压力支持。
上述双水平呼吸机存在以下的不足:
1)人机同步效果不如人意,传统的呼吸机采用PID控制器,包括经典PID、积分改进PID和模糊PID等,这些算法都是以PID为基础的变形,旨在让系统快速响应达到预定通气压力并减少压力波动。其中呼吸机的PID控制器只是以流量信息作为判定吸气和呼气的标志,忽略了人体呼吸周期的长短,因此当病人吸气完毕进入呼气相时,呼吸机会持续供气一小段时间,引起压力过冲,造成病人使用不适,出现人机对抗的严重现象。
2)传统呼吸机的PID控制器在生理特征考虑上并未照顾完全,虽对于吸气和呼气的压力要求能达到非常好的快速响应,但在呼气末上压力的支持并未得到充分的研究。传统双水平呼吸机的原理是在不同的呼吸相提供两个不同的正压支持。当病人处于呼气相时,若呼气压力过高,则不利于病人气体的呼出;若过低,则会导致病人上气道再陷闭并引起CO2的滞留,同时,由于过低的呼气压力,病人准备进入吸气相时,呼吸机提供吸气压力不够迅速。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明首先提出一种综合呼吸周期长短的正压呼吸机的机械通气控制方法,能够在提高人机同步性的同时提高响应速度。
为了实现上述目的,其技术方案为:
一种正压呼吸机的机械通气控制方法,包括:采集装置采集通气管道内气体压力和流量信息并输入至微控制器,微控制器根据气体压力和流量信息判别呼吸状态,并控制电机产生驱动信号驱动供气装置向通气管道供气;还包括设定吸气相转为呼气相前的提前时间tad、呼气末转换时间teep、呼气压力PEPAP、吸气压力PIPAP、呼气末正压支持压力PEEPAP、计时器1、计时器2、状态标志位和两套不同的PID参数,其中呼气末正压支持压力PEEPAP是高于呼气压力PEPAP的2cmH2O的压力。
微控制器根据气体压力和流量判别呼吸状态,并将压力信息作为输入参数输入到微控制器中的PID控制器,经过PID控制器后得到控制电压u(t)从而对供气装置进行控制,向通气管道提供压力;
若没有吸气动作,则判定是否进入呼气末阶段,若进入,则提供呼气呼气末正压支持压力PEEPAP;若未进入,则处于呼气相并提供呼气压力PEPAP,同时预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)
当有吸气动作并进入吸气相后,根据呼气相预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)与设定好的提前时间tad进行比较得到一个偏差值ttran,ttran=tif(n+1)-tad,此数值将作为计时器1的计时时间,并将状态标志位置1,使供气装置在计时器1的时间范围内转动,提供吸气压力PIPAP
若计时器1计时未完毕,则判定继续处于吸气相,其状态标志位保持不变并持续供气维持一个吸气压力PIPAP
当计时器1计时到ttran完毕,状态标志位置0,控制供气装置减速,并将压力降至呼气压力PEPAP,此时仍处于吸气相;同时将设定好的呼气末转换时间teep作为判定计时器2进入呼气末正压支持所需时间,并开始计时;
若计时器2计时未完毕,则持续提供呼气压力PEPAP,并预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)
当计时器2计时到teep结束,判定进入呼气末阶段,当进入呼气末阶段,则提供呼气末正压支持压力PEEPAP
其中PIPAP>PEEPAP>PEPAP
该通气控制方法根据以往数次吸气时间来预测下一次吸气相的吸气时间,并根据预先设定好的提前时间,在用户吸气转换为呼气前,提前对供气装置进行减速。这样可以避免由于供气装置持续供气时间过长造成的压力过冲,能够很好地弥补传统PID算法忽略呼吸周期长短带来的缺陷,防止对用户造成压力过冲,提高人机同步性。该通气控制方法还在呼气末阶段加入了正压支持,能有效防止因呼气相压力过低导致的气道陷闭。通过在呼气前期和呼气末所设置的两种不同的气道正压,呼气相前期压力相对较低有利于CO2的排出,而在呼气相后期提供的压力用于防治因呼气相前期压力较低而可能促发的气道再陷闭。一般的控制方法还由于用户初始吸气动作造成的短时间压力下降引起呼吸机供给压力响应不够迅速,在呼气末阶段加入了正压支持能够提供一个较低于吸气压力的正压支持,能更好地克服响应不够迅速的问题。
优选的,所述采集装置为压力传感器和流量传感器,所述供气装置为涡轮风机,所述通气管道为呼吸导管。
优选的,所述预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)的方式为:根据前n个吸气相的吸气时间tif(i),i=0,1,2,…,n;得到其下一次吸气相的吸气时间为系数Ai是通过各个以往数据的相关性而拟合获得。
本发明还提出一种应用所述的机械通气控制方法的呼吸机,该呼吸机的人机同步性更好,且响应速度更快。该呼吸机包括机械部分和电气部分,
所述机械部分包括过滤器、供气装置、通气管道和鼻面罩,过滤器接供气装置,供气装置通过通气管道接鼻面罩;
所述电气部分包括电机驱动电路、压力传感器和流量传感器、微控制器和供电系统,压力传感器和流量传感器采集通气管道的压力和流量信号,并输入到微控制器,微控制器输出电压信号驱动电机驱动电路,电机驱动电路控制供气装置转动;
所述供电系统向供气装置、电机驱动电路、压力传感器和流量传感器以及微控制器供电。
其中过滤器用于用于去除空气中的灰尘保证用户呼吸到的空气新鲜;
供气装置用于产生并具有一定压力的气体供用户呼吸;
通气管道用于为病人输送气体并连接传感器;
鼻面罩,佩戴于用户,供用户呼吸;
电机驱动电路,用于驱动供气装置工作;
压力传感器和流量传感器分别用于监测压力信息和监测流量信息;
微控制器,用于通过电机驱动电路驱动供气装置供气;
供电系统,分别与供气装置、电机驱动电路、压力传感器和流量传感器以及微控制器相连接并提供电源;
该呼吸机的原理为:供电系统一直为呼吸机工作提供电源;呼吸机通过过滤器去除空气中的杂质与灰尘,供气装置转动产生压力合适的气体;气体经过通气管道,压力传感器和流量传感器实时采集通气管道中的气体压力和流量以判别用户处于吸气相还是呼气相;传感器将采集的信号反馈到微控制器进行分析处理后产生电机控制信号;电机控制信号通过电机驱动电路产生电机驱动信号,根据不同的电机驱动信号最终驱动供气装置,从而给通气管道提供不同气压的空气。
其具体实现方案如下:用户佩戴好鼻面罩,呼吸机即可开始运行;当用户有吸气动作并开始进入吸气相时,由于肺部压力小于通气管道内的压力,通气管道内的气体因为用户的吸气动作有所减少,因此压力传感器采集的压力会变小,而流量传感器采集的流量会增大;传感器将采集回来的压力信息和流量信息实时反馈回微控制器,同时,由于吸气相需要较高的正压支持,因此PID控制器会以一套特定的Kp、Ki及Kd参数使供气装置迅速达到预定压力,输出平稳的气体,并在特定的时间内使鼻面罩产生较高压力;当用户有呼气动作并开始进入呼气相时,肺部压力大于通气管道内的压力,用户向通气管道内呼出的气体使通气管道内的压力瞬间增大,因此压力传感器采集的压力会变大,而流量传感器采集的流量会减小;压力信息和流量信息反馈回微控制器,使供气装置降低转速,鼻面罩产生较低支持压力,使用户呼出气体;当用户进入呼气末阶段时,向通气管道产生正压支持开始提供一个高于呼气相正压的支持压力。
优选的,所述微控制器用于驱动电机驱动电路,其驱动方式为:
比较采集到的压力信号与预定压力P0,其中预定压力包括吸气压力、呼气压力和呼气末正压支持压力;将压力偏差值和偏差变化率作为PID控制器的输入变量,调整PID控制器的三个输入参数Kp、Ki及Kd,使输入变量经过PID控制器后得到输出控制电压u(t),控制供气装置的转速;
所述微控制器还控制供气装置在吸气相提前释放压力,其具体过程为:根据以往若干个吸气时间预测下一次呼吸时间,预测的呼吸时间与设定好的提前时间进行比较得到一个偏差值,此偏差值作为计时器1的计时时间,并使供气装置在计时器1的时间内正常供气;若计时器1计时完毕,则供气装置供气压力降至呼气压力;
所述微控制器还控制供气装置在呼气末阶段产生正压支持压力,其具体过程为:提前设定好teep,并将此值作为计时器2的计时时间;若计时未完毕,供气装置保持供气压力为呼气压力,当计时完毕,则供气装置提供呼气末正压支持压力。
其中压力偏差值e(t)为e(t)=Po-P(t),对压力偏差进行一次差分得到偏差变化率□e(t)=e(t)-e(t-1)。
上述微控制器控制供气装置在吸气相提前释放压力的过程中,根据该计时时间来控制状态标志位的变换,提前控制供气装置减速,防止用户进入呼气相后由于供气装置未及时减速继续输送的气体和用户呼出的气体共同积聚在导管内未能排放出去,造成压力过冲,使用户不适。
上述微控制器控制供气装置在呼气末阶段产生正压支持,旨在改善当用户因处于呼气相时,呼吸机提供的较低支持压力而导致在呼气末阶段可能促发的气道再陷闭所引发的CO2滞留。为了能够很好地消除过低的呼气压力PEPAP所带来的弊端,在呼气末阶段加入正压支持,根据用户在呼气相时的压力,在呼气末适当地提高压力。另外,鉴于用户的初始吸气动作造成的短时间压力下降会引起呼吸机供给压力响应不够迅速,呼吸机控制供气装置提供一个呼气末正压支持压力,能更好地克服响应不够迅速的问题。
优选的,所述供气装置为涡轮风机,所述通气管道为呼吸导管。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:其通气控制方法使供气装置快速达到预定呼吸压力并减少压力波动;通过对供气装置的转动时间进行控制,从而在用户进入呼气相前提前减速达到压力提前释放的作用,提高了人机同步性。另外,在呼气末阶段增加正压支持,能更好地符合人体呼吸生理特征,解决了因过低压力支持造成的气道再次陷闭的问题。
附图说明
图1为现有双水平正压呼吸机的基本结构框图。
图2为本发明的正压呼吸机结构图。
图3为本发明的正压呼吸机的供气控制方法简图。
图4为本发明在呼吸末阶段增加正压支持的基本原理图。
图5为本发明的呼吸机的机械通气控制方法的流程图。
图6为采用本发明的呼吸机的测试数据显示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述,但本发明的实施方式并不限于此。
如图2,该呼吸机包括机械部分和电气部分,
所述机械部分包括过滤器22、涡轮风机23、呼吸导管24和鼻面罩25,过滤器22接涡轮风机23,涡轮风机23通过呼吸导管24接鼻面罩25;
所述电气部分包括压力传感器和流量传感器27、电机驱动电路28、微控制器29和供电系统30,压力传感器和流量传感器27采集呼吸导管24的压力和流量信号,并输入到微控制器29,微控制器29输出电压信号驱动电机驱动电路28,电机驱动电路28控制涡轮风机23转动;
所述供电系统30向涡轮风机23、压力传感器和流量传感器27、电机驱动电路28以及微控制器29供电。
该呼吸机的原理为:供电系统30一直为呼吸机工作提供电源;呼吸机通过过滤器22去除空气中的杂质与灰尘,涡轮风机23转动产生压力合适的气体;气体经过呼吸导管24产生压差,压力传感器和流量传感器27实时采集呼吸导管24中的气体压力和流量以判别用户处于吸气相还是呼气相;传感器将采集的信号反馈到微控制器29进行分析处理后产生电机控制信号;电机控制信号通过电机驱动电路28产生电机驱动信号,根据不同的电机驱动信号最终驱动涡轮风机23,从而给呼吸导管24提供不同气压的空气。
其具体实现方案如下:用户佩戴好鼻面罩25,呼吸机即可开始运行;当用户有吸气动作并开始进入吸气相时,由于肺部压力小于呼吸导管24内的压力,呼吸导管24内的气体因为用户的吸气动作有所减少,因此压力传感器采集的压力会变小,而流量传感器采集的流量会增大;传感器将采集回来的压力信息和流量信息实时反馈回微控制器29,同时,由于吸气相需要较高的正压支持,因此PID控制器会以一套特定的Kp、Ki及Kd参数使涡轮风机迅速达到预定压力,输出平稳的气体,并在特定的时间内使鼻面罩25产生较高压力;当用户有呼气动作并开始进入呼气相时,肺部压力大于呼吸导管24内的压力,用户向呼吸导管24内呼出的气体使呼吸导管24内的压力瞬间增大,因此压力传感器采集的压力会变大,而流量传感器采集的流量会减小;压力信息和流量信息反馈回微控制器29,使涡轮风机23降低转速,鼻面罩25产生较低支持压力,使用户呼出气体;当用户进入呼气末阶段时,向呼吸导管24产生正压支持开始提供一个高于呼气相正压的支持压力。
如图3,所述微控制器用于驱动电机驱动电路,其驱动方式为:
PID控制器:比较采集到的压力信号与预定压力P0,判断呼吸状态,将压力偏差值和偏差变化率作为PID控制器的输入变量,调整PID控制器的三个输入参数Kp、Ki及Kd,使输入变量经过PID控制器后得到输出控制电压u(t),控制涡轮风机23的转速;
吸气相提前释放压力:所述微控制器还控制涡轮风机23在吸气相提前释放压力,其具体过程为:根据以往若干个吸气时间预测下一次吸气时间,预测的吸气时间与设定好的提前时间进行比较得到一个偏差值,此偏差值作为计时器1的计时时间,使涡轮风机23正常供气;若计时器1计时完毕,涡轮风机23供气压力降至呼气压力;
在吸气相提前释放压力能使涡轮风机23提前进行减速,防止病人进入呼气相后由于涡轮风机23未及时减速继续输送的气体和病人呼出的气体共同积聚在呼吸导管24内未能排放出去,造成压力过冲,使病人不适。吸气相的吸气时间是在上一次的呼气相内进行预测,当病人处于呼气相且呼吸机提供呼气压力时,根据以往若干个吸气时间预测下一次呼吸时间tif(n+1),根据前n个吸气相的吸气时间tif(i),i=0,1,2,…,n;得到其下一次吸气相的吸气时间为系数Ai是通过各个以往数据的相关性而拟合获得。
呼气末阶段产生正压支持:所述微控制器还控制涡轮风机23在呼气末阶段产生正压支持,其具体过程为:提前设定好teep,并将此值作为计时器2的计时时间;若计时未完毕,涡轮风机23保持供气压力为呼气压力当计时完毕,则涡轮风机23提供呼气末正压支持压力。
在呼气末阶段产生正压支持能够改善当病人因处于呼气相时,呼吸机提供的较低支持压力而导致在呼气末可能促发的气道再陷闭所引发的CO2滞留。为了能够很好地消除过低的呼气压力所带来的弊端,在呼气末阶段产生正压支持,根据病人在呼气相时的压力,在呼气末适当地提高压力。另外,鉴于病人的初始吸气动作造成的短时间压力下降会引起呼吸机供给压力响应不够迅速,还提供一个呼气末正压支持,能更好地克服响应不够迅速的问题。附图4为呼气末正压支持的原理图。上升沿为吸气相的开始,呼吸机提供一个较高的吸气压力PIPAP;下降沿为呼气相的开始,呼吸机提供一个较低的呼气压力PEPAP;随后,呼吸机会提供一个相对于吸气相较低的上升沿,此为呼气末正压支持压力PEEPAP
如图5,一种正压呼吸机的机械通气控制方法,包括:采集装置采集通气管道24内气体压力和流量信息并输入至微控制器,微控制器根据气体压力和流量信息判别呼吸状态,并控制电机产生驱动信号驱动涡轮风机23向呼吸导管供气;
设定吸气相的提前时间tad、呼气末转换时间teep、呼气压力PEPAP、吸气压力PIPAP、呼气末正压支持压力PEEPAP,该呼气末正压支持压力高于呼气压力2cmH2O的压力、计时器1、计时器2和状态标志位。
微控制器根据气体压力和流量判别呼吸状态,并将压力信息作为输入参数输入到微控制器中的PID控制器,经过PID控制器后得到控制电压u(t)从而对涡轮风机23进行控制,向呼吸导管提供压力;
若病人没有吸气动作,则呼吸机会判定是否进入呼气末阶段,若进入,则提供呼气末正压支持压力PEEPAP;若未进入,则处于呼气相并提供呼气压力PEPAP,根据以往的吸气时间来预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)
当有吸气动作并进入吸气相后,根据呼气相预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)与设定好的提前时间tad进行比较得到一个偏差值ttran,ttran=tif(n+1)-tad,此数值将作为计时器1的计时时间,将状态标志位置1,使涡轮风机23在计时器1的时间范围内转动,提供吸气压力PIPAP
若计时器1计时未完毕,则呼吸机判定病人继续处于吸气相,其状态标志位保持不变并持续供气维持一个吸气压力PIPAP
当计时器1计时到ttran完毕,其状态标志位置0,呼吸机对涡轮风机23进行减速,且将压力降至呼气压力PEPAP,此时病人仍处于吸气相;将设定好的呼气末转换时间teep作为判定计时器2进入呼气末正压支持所需时间,并开始计时;
若计时器2计时未完毕,则持续提供呼气压力PEPAP,同时开始根据以往的吸气时间作为参考对象,预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)
当计时器2计时到teep结束,判定进入呼气末阶段,当进入呼气末阶段,则提供呼气末正压支持压力PEEPAP
现有双水平正压呼吸机仅考虑如何缩短响应时间并快速达到预定压力,但忽略了呼吸生理因素,也就是同步性较差并且不完全符合生理特性。而本发明针对传统呼吸机的控制策略,提出了压力提前释放功能和呼气末正压支持模块,通过两套不同的PID参数来控制涡轮风机的转速,同时根据两个不同的计时器和状态标志位的转换来提高人机同步性和输出符合呼吸生理特性的压力供给。
本发明的实现途径主要是在PID控制器中通过两套不同PID参数、状态标志位和两个计时器来实现的;
第一套PID参数主要运用在吸气相,旨在使涡轮风机23快速响应达到预定压力;
第二套PID参数主要运用在呼气末,旨在使涡轮风机23在呼气末提供一个较高于呼气相的正压支持;
状态标志位用于确定涡轮风机23的不同输出压力,若涡轮风机23提供吸气压力,状态标志位置1,否则,置0;
计时器1的主要作用是控制涡轮风机23在吸气相的转动时间,让其提前减速,达到压力提前释放功能的实现;
计时器2的主要作用是呼吸机状态标志位置0后开始进行计时,计时到呼气末后呼吸机将提供呼气末正压支持压力;
设定好预定压力P0,压力传感器和流量传感器会实时监测呼吸导管内的压力信息和流量信息,判断病人处于吸气相还是呼气相,同时将监测回来的压力信息与预定压力P0比较得到偏差值e(t)并作为PID控制器的输入;
经PID控制器处理后得到输出电压u(t),输出电压即可对涡轮风机23的转速进行控制并快速稳定在预定压力范围内;
当病人处于吸气相时,呼吸机根据第一套PID参数迅速提供一个较高支持压力并输出稳定气体;
由于本发明具有压力提前释放功能,因此本控制策略在上一次的呼气相中,根据以往的吸气时间作为参考对象,预计本次吸气相的吸气时间,并将此吸气时间与设定好的提前时间进行对比得到一个偏差值,此数值将作为计时器1的计时时间,同时将状态标志位置1,使涡轮风机23在计时器1时间范围内转动,提供较高的吸气正压支持;
当计时器1计时完毕,状态标志位置0,预定的值teep作为计时器2的计时时间并开始计时,涡轮风机23开始减速,并且呼吸机会快速呼气压力,而此时,病人仍处于吸气相而未进入呼气相,这是压力提前释放功能的主要作用,即在病人进入呼气相前,通过让涡轮风机23提前减速达到一个较低的压力,从而避免由于病人进入呼气相后呼出的气体积聚在导管内而导致压力过冲造成的不适;
当病人进入呼气相时,呼吸机已经处于一个呼气压力状态,而不会出现压力积聚,同时计时器2继续计时;
当计时器2计时完毕,也即病人进入呼气末阶段,呼吸机会根据第二套PID参数驱动涡轮风机23缓慢提速,输出一个较高于呼气相的正压支持,而这个正压支持会缓慢上升,并控制流量使其不会产生误触发导致呼吸机提供一个较高的吸气压力,同时呼气末正压支持模块能有效防止上气道再次陷闭的发生。
本发明的机械通气控制方式添加了压力提前释放功能,并在呼气末阶段产生正压支持,该通气控制方式在呼吸机上得到了很好的应用效果。借助呼吸机测试平台进行人机同步和呼气末正压支持效果的评估,其测试图表如附图6所示。图中,流量上升为吸气开始并进入吸气相,同时涡轮风机23开始加速并立即增大压力至PIPAP;当流量开始下降,即马上置位状态标志位为0,同时涡轮风机23立即减速并快速提供一个较低支持压力PEPAP;流量继续下降并进入呼气相,涡轮风机23继续维持较低支持压力PEPAP,以防由于病人呼出的气体和涡轮风机23持续供给较高压力PIPAP共同积聚在呼吸导管24内引起压力上升,导致人机对抗的现象发生,提高人机同步性;当进入呼气末阶段,流量开始缓慢上升,此时涡轮风机23的转速会有所加快,提供一个较高于呼气压力的正压支持PEEPAP,以防上气道再次陷闭。数据表明这种呼气末正压支持的同步机械通气方式更加符合呼吸生理需求。
病人使用本发明的呼吸机前,先设定好吸气压力PIPAP、呼气压力PEPAP、呼气末正压支持压力PEEPAP、提前停止时间tad和进入呼气末时间teep。设定PIPAP为10cmH2O,PEPAP为4cmH2O,PEEPAP为6cmH2O,提前停止时间tad为0.5秒,进入呼气末时间teep为2秒。
若病人在前五次的吸气时间分别为2秒,1.8秒,2.2秒,1.7秒,1.8秒,根据吸气时间预计公式和相关系数Ai,若A1、A2、A3、A4和A5分别为0.3、0.17、0.1、0.41和0.17,则可预测出下一次的吸气时间为tif(n+1)=A1*t1+A2*t2+A3*t3+A4*t4+A5*t5=2.12秒。
当病人有吸气动作并进入下一次吸气相后,由于ttran=tif-tad=2.12-0.5=1.62,因此将ttran作为计时器1的时间并让风机在ttran时间内转动输出10cmH2O的吸气压力。
若计时器1计时完毕,计时器2以teep作为计时时间并开始计时,此时呼吸机会快速减压,提供4cmH2O的呼气压力,方便病人排出呼气气体;
当teep计时完毕,呼吸机判定病人进入呼气末阶段并开始提供6cmH2O的呼气末正压支持,以防病人上气道再次陷闭。
以上所述的本发明的实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种正压呼吸机的机械通气控制方法,包括:采集装置采集通气管道内气体压力和流量信息并输入至微控制器,微控制器根据气体压力和流量信息判别呼吸状态,并控制电机产生驱动信号驱动供气装置向通气管道供气;其特征在于,设定吸气相转为呼气相前的提前时间tad、呼气末转换时间teep、呼气压力PEPAP、吸气压力PIPAP、呼气末正压支持压力PEEPAP、计时器1、计时器2和状态标志位;
微控制器根据气体压力和流量判别呼吸状态,并将压力信息作为输入参数输入到微控制器中的PID控制器,经过PID控制器后得到控制电压u(t)从而对供气装置进行控制,向通气管道提供压力;
若没有吸气动作,则判定是否进入呼气末阶段,若进入,则提供呼气末正压支持压力PEEPAP;若未进入,则处于呼气相并提供呼气压力PEPAP,同时预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)
当有吸气动作并进入吸气相后,根据呼气相预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)与设定好的提前时间tad进行比较得到一个偏差值ttran,ttran=tif(n+1)-tad,此数值将作为计时器1的计时时间,并将状态标志位置1,使供气装置在计时器1的时间范围内转动,提供吸气压力PIPAP
若计时器1计时未完毕,则判定继续处于吸气相,其状态标志位保持不变并持续供气维持一个吸气压力PIPAP
当计时器1计时到ttran完毕,状态标志位置0,控制供气装置减速,并将压力降至呼气压力PEPAP,此时仍处于吸气相;同时将设定好的呼气末转换时间teep作为判定计时器2进入呼气末正压支持所需时间,并开始计时;
若计时器2计时未完毕,则持续提供呼气压力PEPAP,并预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)
当计时器2计时到teep结束,判定进入呼气末阶段,当进入呼气末阶段,则提供呼气末正压支持压力PEEPAP
2.根据权利要求1所述的正压呼吸机的机械通气控制方法,其特征在于,所述采集装置为压力传感器和流量传感器,所述供气装置为涡轮风机,所述通气管道为呼吸导管。
3.根据权利要求1所述的正压呼吸机的机械通气控制方法,其特征在于,所述预测下一次吸气相的吸气时间tif(n+1)的方式为:根据前n个吸气相的吸气时间tif(i),i=0,1,2,…,n;得到其下一次吸气相的吸气时间为系数Ai是通过各个以往数据的相关性而拟合获得。
4.一种应用权利要求1-3任一项所述的机械通气控制方法的呼吸机,其特征在于,包括机械部分和电气部分,
所述机械部分包括过滤器、供气装置、通气管道和鼻面罩,过滤器接供气装置,供气装置通过通气管道接鼻面罩;
所述电气部分包括电机驱动电路、压力传感器和流量传感器、微控制器和供电系统,压力传感器和流量传感器采集通气管道的压力和流量信号,并输入到微控制器,微控制器输出电压信号驱动电机驱动电路,电机驱动电路控制供气装置转动;
所述供电系统向供气装置、电机驱动电路、压力传感器和流量传感器以及微控制器供电。
5.根据权利要求4所述的呼吸机,其特征在于,所述微控制器用于驱动电机驱动电路,其驱动方式为:
比较采集到的压力信号与预定压力P0,将压力偏差值和偏差变化率作为PID控制器的输入变量,调整PID控制器的三个输入参数Kp、Ki及Kd,使输入变量经过PID控制器后得到输出控制电压u(t),控制供气装置的转速;
所述微控制器还控制供气装置在吸气相提前释放压力,其具体过程为:根据以往若干个吸气时间预测下一次吸气时间,预测的吸气时间与设定好的提前时间进行比较得到一个偏差值,此偏差值作为计时器1的计时时间,并使供气装置在计时器1的时间内正常供气;若计时器1计时完毕,则供气装置供气压力降至呼气压力;
所述微控制器还控制供气装置在呼气末阶段产生正压支持压力,其具体过程为:提前设定好teep并将此值作为计时器2的计时时间;若计时未完毕,供气装置保持供气压力为呼气压力,当计时器2计时完毕,则供气装置提供呼气末正压支持压力。
6.根据权利要求5所述的呼吸机,其特征在于,所述供气装置为涡轮风机,所述通气管道为呼吸导管。
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