CN103705243B

CN103705243B - 主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法

Info

Publication number: CN103705243B
Application number: CN201310712414.2A
Authority: CN
Inventors: 杨嘉琛; 王海涛; 陈波波
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: CN103705243A

Abstract

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法：通过控制光源闪烁使传感器输出周期固定的调制光源信号；获取红外传感器测量通道电压、红外传感器参考通道电压和差压传感器电压；对于呼吸二氧化碳监测，分别根据红外传感器的两个通道采集电压的峰值与谷值之差，提取红外传感器测量通道交流分量和参考通道交流分量；计算当前呼吸二氧化碳浓度；确定当前呼吸流量；确定呼吸周期的起点；计算当前呼吸频率值；确定是呼气过程还是呼气过程；计算肺容量值和肺活量。本发明能够准确可靠地实现对呼吸二氧化碳浓度和呼吸气压同步实时监测。

Description

主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法

技术领域：

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种主流式人呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法。

背景技术：

人呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量监测是医疗监测的重要内容，为疾病诊断和临床监测提供重要指导依据。目前，人呼吸流量监测主要是在高档呼吸机内进行，设备笨重、昂贵且使用范围仅限于监护病房中。呼吸二氧化碳浓度监测可分为主流式和旁流式，主流式由于直接在病人的管道适配器上进行监测因而避免了旁流式的延时和失真的问题，然而由于主流式监测受使用环境的限制无法对呼吸气体进行除湿、恒流等预处理，其抗干扰性能有待提高。目前虽然有少数主流式呼吸二氧化碳浓度监测设备实现了呼吸流量监测，但由于其通过在管道适配器上抽取呼吸气流到监测模块的方式进行监测，即主流式呼吸二氧化碳浓度监测、旁流式呼吸流量监测，两种监测并未达到实时同步监测的效果，也没很好将二者进行有机结合。

发明内容

本发明是在克服现有主流式呼吸二氧化碳浓度监测易受呼吸气流干扰、流量监测存在延时失真，并且两种监测并不同步等问题，提供一种真正的主流式一体化监测方法。本发明提出的呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测的方法，能够准确可靠地实现对呼吸二氧化碳浓度和呼吸气压同步实时监测，为生命体征监测和疾病诊断提供准确可靠的指导。本发明的技术方案如下：

一种主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法，所采用的监测模块将适配器置于呼吸管道上，红外光源与双通道红外传感器固定在适配器的两端，双通道红外传感器的一个通道为测量通道，另一个通道为参考通道；在适配器的两端设置差压传感器的取压点，微控制器发送的脉冲信号通过光源驱动电路驱动红外光源发出调制光源信号，各个传感器采集的信号被送入微控制器，监测方法如下:

1）通过控制光源闪烁使传感器输出周期固定的调制光源信号；

2）获取红外传感器测量通道电压、红外传感器参考通道电压和差压传感器电压D_p；

3）对于呼吸二氧化碳监测，分别根据红外传感器的两个通道采集电压的峰值与谷值之差，提取红外传感器测量通道交流分量D_ac和红外传感器参考通道交流分量D_ar分量；

4）利用两通道交流分量差值D_s，根据预先的标定实验和三阶多项式拟合所确定的公式，计算当前呼吸二氧化碳浓度；

5）对于呼吸流量监测，根据差压传感器两点压力差D_p与流量Q的平方的关系，确定当前呼吸流量：其中q₁、q₂为标定实验所确定的参数；

6）将比较阀值设置为C_gate=18mmHg，判断呼吸二氧化碳浓度值序列：C_(n-5)、C_(n-4)、C_(n-3)、C_(n-2)、C_(n-1)、C_(n)与比较阀值C_gate之间是否满足：C_(n-5)＜C_(n-4)＜C_(n-3)≤C_gate≤C_(n-2)＜C_(n-1)＜C_(n)，如果满足，则认为是一个呼吸周期的起点，则读取系统当前时间t₁和上一次满足该条件的时间t₂；

7）计算当前呼吸频率值；

8）根据当前差压传感器电压D_p与预设的无呼吸气流通过时的电压上限D_ph和下限D_pl比较判断呼吸过程，若D_p＞D_ph则认为是呼气过程；若D_p＜D_pl则认为是为吸气过程；

9）在吸气过程中将呼流量Q_(n)进行累加操作，而在呼气过程中将流量Q_(n)进行累减操作，从而获得当前肺容量值V_(n)；

10）若肺容量值序列：V_(n-6)、V_(n-5)、V_(n-4)、V_(n-3)、V_(n-2)、V_(n-1)、V_(n)之间满足不等式：V_(n-6)＜V_(n-5)＜V_(n-4)≤V_(n-3)≥V_(n-2)＞V_(n-1)＞V_(n)，则认为是肺容量峰值点V_h，并取V_h=V_(n-3)；若序列满足：V_(n-6)＞V_(n-5)＞V_(n-4)≥V_(n-3)≤V_(n-2)＜V_(n-1)＜V_(n)，则认为是肺容量谷点V_l，并取V_l=V_(n-3)；

11）比较肺容量峰值V_h、谷值V_l与预设潮气量上限V_h0、下限V_l0之间关系，若满足V_l0＜V_l＜V_h＜V_ho，则潮气量TV＝V_h-V_l；若满足V_l0＜V_l＜V_ho＜V_h，则深吸气量IC＝V_h-V_l，补吸气量IRV＝IC-TV；若满足V_l＜V_l0＜V_h＜V_ho，则补呼气量ERV＝V_h-V_l-TV，肺活量VC＝IC+ERV。

红外传感器最好为双通道传感器，其测量通道和参考通道分别接收被二氧化碳分子吸收的4.26μm红外光和没有被任何气体分子吸收的3.95μm红外光。

本发明的实质性特点和技术效果如下：

（1）为了实现呼吸气体浓度和呼吸流量的同步监测，本发明制作一款主流式同步监测模块，在管道适配器上端通过两个采样口与差压传感器相连实现呼气流量监测，在管道适配器两侧分别放置红外光源和红外传感器实现呼吸二氧化碳浓度监测，如图1。

（2）呼吸二氧化碳浓度监测利用调制技术，先获取两通道的交流分量，然后利用两通道交流分量差值进行拟合确定呼吸二氧化碳浓度。

（3）呼吸流量监测先采集两采样点处的气压差值，然后根据该气压差值与流量关系确定呼吸流量。

（4）利用呼吸二氧化碳浓度数值变化的特点，判断出一个呼吸周期的起点，进而实现呼吸频率监测。

（5）通过对呼吸流量进行累加运算得到当前肺容量值，然后根据肺容量类参数的定义求出不同的肺容量类参数。

附图说明

图1主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测模块结构图。

图2呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量监测流程。

图3本发明肺容量类参数计算流程。

具体实施方式

本发明的二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法针对主流式呼吸监测而提出，下面给出本发明适用的监测系统组成。

该主流式呼吸二氧化碳浓度监测系统由上位机和监测模块组成。上位机为通用计算机或监护仪。监测模块如图1所示，分别将红外光源7和红外传感器4置于管道适配器2两侧，红外传感器为双通道传感器，其测量通道和参考通道分别接收被二氧化碳分子吸收的4.26μm红外光和没有被任何气体分子吸收的3.95μm红外光。将差压传感器3置于管道适配器2上方。当呼吸气流在管道适配器2中流动时，微控制器通过控制红外光源7闪烁使红外传感器4输出周期固定的调制信号，该信号被采集处理电路5采集。与此同时，管道适配器上两个采样口1，6之间的气压差值也通过差压传感器3并被采集处理电路5采集，最终这几路信号均被发送到上位机中进行分析和显示。本发明中监测系统主要获取呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量实时曲线，并由这两组信号获取呼吸频率和肺容量类参数的数值信息。

1、实时呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量监测：

（1）首先微控制器通过控制光源闪烁使传感器输出周期固定的调制信号。当该调制信号电压达到波峰或波谷时启动模数转化器获取红外传感器测量通道电压D_c、红外传感器参考通道电压D_r、差压传感器电压D_p。并将这三路信号发送到上位机处理。

（2）对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值D_hc与谷值D_lc之差提取测量通道交流D_ac分量，即：D_ac＝(D_hc-D_lc)/2，同理得到参考通道交流分量D_ar分量。

（3）利用两通道交流分量差值：D_s＝D_ac-D_ar进行三阶多项式拟合确定当前呼吸二氧化碳浓度：其中p₃、p₂、p₁、p₀为标定实验所确定的参数。

（4）对于呼吸流量监测，根据管道中两点压力差D_p与流量Q的平方的关系，确定当前呼吸流量：其中q₁、q₂为标定实验所确定的参数。

（5）根据计算结果绘制实时呼吸二氧化碳浓度曲线和呼吸流量曲线，详细流程见图2。

2、呼吸频率计算：

（1）将比较阀值设置为C_gate=18mmHg。

（2）判断呼吸二氧化碳浓度值序列：C_(n-5)、C_(n-4)、C_(n-3)、C_(n-2)、C_(n-1)、C_(n)与比较阀值C_gate之间是否满足：C_(n-5)＜C_(n-4)＜C_(n-3)≤C_gate≤C_(n-2)＜C_(n-1)＜C_(n)。

（3）如果满足以上等式则认为是一个呼吸周期的起点，则读取系统当前时间t₁和上一次满足该条件的时间t₂。

（4）利用周期与频率间的关系：f=60/(t₁-t₂)，计算并显示当前呼吸频率值。

3、肺容量类参数计算：

（1）根据当前差压传感器电压D_p与无呼吸气流通过时的电压上限D_ph、下限D_pl比较判断呼吸过程，若D_p＞D_ph则认为是呼气过程；若D_p＜D_pl则认为是为吸气过程。

（2）在吸气过程中将呼流量Q_(n)进行累加操作，而在呼气过程中将流量Q_(n)进行累减操作，从而获得当前肺容量值V_(n)。

（3）若肺容量值序列：V_(n-6)、V_(n-5)、V_(n-4)、V_(n-3)、V_(n-2)、V_(n-1)、V_(n)之间满足不等式：V_(n-6)＜V_(n-5)＜V_(n-4)≤V_(n-3)≥V_(n-2)＞V_(n-1)＞V_(n)，则认为是肺容量峰值点V_h，并取V_h=V_(n-3)；若序列满足：V_(n-6)＞V_(n-5)＞V_(n-4)≥V_(n-3)≤V_(n-2)＜V_(n-1)＜V_(n)，则认为是肺容量谷点V_l，并取V_l=V_(n-3)。

（4）比较肺容量峰值V_h、谷值V_l与预设潮气量上限V_h0、下限V_l0之间关系，若满足V_l0＜V_l＜V_h＜V_ho，则潮气量TV＝V_h-V_l；

若满足V_l0＜V_l＜V_ho＜V_h，则深吸气量IC＝V_h-V_l，补吸气量IRV＝IC-TV；

若满足V_l＜V_l0＜V_h＜V_ho，则补呼气量ERV＝V_h-V_l-TV，肺活量VC＝IC+ERV。

（5）显示各种肺容量类参数数值，详细流程见图3。

Claims

1.一种主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法，所采用的监测模块将适配器置于呼吸管道上，红外光源与双通道红外传感器固定在适配器的两端，双通道红外传感器的一个通道为测量通道，另一个通道为参考通道；在适配器的两端设置差压传感器的取压点，微控制器发送的脉冲信号通过光源驱动电路驱动红外光源发出调制光源信号，各个传感器采集的信号被送入微控制器，监测方法如下:

1)通过控制光源闪烁使传感器输出周期固定的调制光源信号；

2)获取红外传感器测量通道电压、红外传感器参考通道电压和差压传感器两点压力差D_p；

3)对于呼吸二氧化碳监测，分别根据红外传感器的两个通道采集电压的峰值与谷值之差，提取红外传感器测量通道交流分量D_ac和红外传感器参考通道交流分量D_ar分量；

4)利用两通道交流分量差值D_s，根据预先的标定实验和三阶多项式拟合所确定的公式，计算当前呼吸二氧化碳浓度；

5)对于呼吸流量监测，根据差压传感器两点压力差D_p与流量Q的平方的关系，确定当前呼吸流量：其中q₁、q₂为标定实验所确定的参数；

6)将比较阈值设置为C_gate＝18mmHg，判断呼吸二氧化碳浓度值序列：C_(n-5)、C_(n-4)、C_(n-3)、C_(n-2)、C_(n-1)、C_(n)与比较阈值C_gate之间是否满足：C_(n-5)＜C_(n-4)＜C_(n-3)≤C_gate≤C_(n-2)＜C_(n-1)＜C_(n)，如果满足，则认为是一个呼吸周期的起点，则读取系统当前时间t₁和上一次满足该条件的时间t₂；

7)计算当前呼吸频率值；

8)根据当前差压传感器两点压力差D_p与预设的无呼吸气流通过时的电压上限D_ph和下限D_pl比较判断呼吸过程，若D_p＞D_ph则认为是呼气过程；若D_p＜D_pl则认为是吸气过程；

9)在吸气过程中将流量Q_(n)进行累加操作，而在呼气过程中将流量Q_(n)进行累减操作，从而获得当前肺容量值V_(n)；

10)若肺容量值序列：V_(n-6)、V_(n-5)、V_(n-4)、V_(n-3)、V_(n-2)、V_(n-1)、V_(n)之间满足不等式：V_(n-6)＜V_(n-5)＜V_(n-4)≤V_(n-3)≥V_(n-2)＞V_(n-1)＞V_(n)，则认为V_(n-3)是肺容量峰值点V_h，并取V_h＝V_(n-3)；若序列满足：V_(n-6)＞V_(n-5)＞V_(n-4)≥V_(n-3)≤V_(n-2)＜V_(n-1)＜V_(n)，则认为V_(n-3)是肺容量谷点V_l，并取V_l＝V_(n-3)；

11)比较肺容量峰值V_h、谷值V_l与预设潮气量上限V_h0、下限V_l0之间关系，若满足V_l0＜V_l＜V_h＜V_h0，则潮气量TV＝V_h-V_l；若满足V_l0＜V_l＜V_h0＜V_h，则深吸气量IC＝V_h-V_l，补吸气量IRV＝IC-TV；若满足V_l＜V_l0＜V_h＜V_h0，则补呼气量ERV＝V_h-V_l-TV，肺活量VC＝IC+ERV。

2.根据权利要求1所述的主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法，其特征在于，红外传感器为双通道传感器，其测量通道和参考通道分别接收被二氧化碳分子吸收的4.26μm红外光和没有被任何气体分子吸收的3.95μm红外光。