CN103705244A - 主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法：通过控制光源闪烁使双通道红外传感器输出周期固定的调制信号；获取双通道红外传感器的测量通道电压、参考通道电压和绝压式气压传感器的输出值；对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值与谷值之差提取测量通道交流分量和参考通道交流分量；利用两通道交流分量差值和预先拟合的公式，确定当前呼吸二氧化碳浓度；利用气压传感器的输出值，根据预先的标定实验和二阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸气压；得到呼吸气流实时速度和呼吸流量；获得肺容量。本发明能够能够方便快捷的实现呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测。

Description

主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法
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气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法。
背景技术：
人呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度监测是医疗监测的重要内容，为临床监测和疾病诊断提供重要信息。目前，呼吸气压监测主要是在监护病房中利用高档呼吸机完成，设备笨重、昂贵且难以应用在便携式监测设备中。呼吸二氧化碳浓度监测可分为主流式和旁流式，主流式直接在病人呼吸管道上进行监测，避免了旁流式的延时和失真的问题，然而易受呼吸中水蒸气和排泄物的干扰。呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度能够从不同角度反映人生命体征状况，因此有必要实现二者的同步监测。
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、呼吸气压监测使用范围受限，提供一种能够方便快捷的实现呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测的方法。本发明提出的主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法，能够直接在病人呼吸管道上实现呼吸气压、呼吸二氧化碳浓度以及其他相关生命体征参数同步实时监测，为临床监测和疾病诊断提供信息指导。本发明的技术方案如下：
一种主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法，所采用的传感器为绝压式气压传感器和双通道红外传感器，所采用的管道适配器置于呼吸管道上，将绝压式气压传感器的取压点设置在管道适配器的内侧，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，监测方法为：
1）通过控制光源闪烁使双通道红外传感器输出周期固定的调制信号；
2）获取双通道红外传感器的测量通道电压Dc、参考通道电压Dr、绝压式气压传感器的输出值Dp；
3）对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值与谷值之差提取测量通道交流分量Dac，同理得到参考通道交流分量Dar；
4）利用两通道交流分量差值Ds＝Dac-Dar，根据预先的标定实验和三阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸二氧化碳浓度： C ( n ) = a 3 * D s 3 + a 2 * D s 2 + a 1 * D s + a 0 , 其中a3、a2、a1、a0为标定实验所确定的参数；
5）对于呼吸气压监测，利用气压传感器的输出值Dp，根据预先的标定实验和二阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸气压
Figure BDA0000438928480000013
其中b2、b1、b0为标定实验所确定的参数；
6）根据气流伯努利定律中气压与流速的关系，得到呼吸气流实时速度为：其中c1是由空气密度值决定的系数，c2为无气流流动时的标准大气压；
7）利用呼吸气流速度得到呼吸流量为：Q(n)=K*V(n)，其中K为绝压式气压传感器所在位置的管道适配器的截面积；
8）当呼吸气压强度P(n)小于预设阀值Pg时进行呼吸过程判断，此时先提取呼吸二氧化碳浓度值序列中当前值之前的第十个浓度值C(n-10)，然后将该值与预设值C0进行比较，若C(n-10)＜C0，则认为现在是吸气过程，否则认为是吸气过程；
9）根据呼吸过程，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曲线L(n)。
所述的双通道红外传感器，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）为实现呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测，本发明制作一款主流式呼吸监测模块，在管道适配器上端放置绝压式气压传感器实现气压监测，在管道适配器两侧分别放置红外光源和红外传感器实现二氧化碳浓度监测，如图1。
（2）绝压式气压传感器通过与管道适配器上的采样口相连引入呼吸气流，从而获取呼吸气压信息实现呼吸气压监测。
（3）呼吸二氧化碳浓度监测利用双通道红外传感器获取被二氧化碳吸收的红外光强度和未被任何气体吸收的红外光强度。根据朗伯比尔定律中气体浓度与吸收强度的关系计算出呼吸二氧化碳浓度。
（4）由于元器件的非线性使实际测量结果与理论上的对应关系发生变化，因此呼吸二氧化碳浓度标定采用三阶多项式拟合而非指数拟合确定最终呼吸二氧化碳浓度。
（5）根据流气体体力学定律和呼吸规律，利用呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度计算出呼吸流量、肺容量等生命体征参数。
附图说明
图1主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度监测模块结构图。
图2本发明呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度监测方法流程。
具体实施方式：
本发明的呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度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。
该主流式呼吸气压和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，将绝压式气压传感器2置于管道适配器1上方，并分别将红外光源5和双通道红外传感器3置于管道适配器1两侧。当呼吸气流在管道适配器1中流动时，通过控制红外光源5闪烁使红外传感器3输出周期固定的调制信号，该信号被采集处理电路4采集。与此同时，管道适配器1上采样口处的气压值也通过绝压式气压传感器2被采集处理电路4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气压和呼吸二氧化碳浓度实时曲线，并由这两组信号分析出呼吸流量、肺容量的信息。本发明按如下过程执行获取多种参数：
（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换器获取红外传感器测量通道电压Dc、红外传感器参考通道交流分量Dr、绝压式气压传感器Dp。并将这三路信号发送到上位机进一步处理。
（2）对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值Dhc与谷值Dlc之差提取测量通道交流Dac分量，即：Dac＝(Dhc-Dlc)/2，同理得到参考通道交流分量Dar分量。
（3）利用两通道交流分量差值：Ds＝Dac-Dar进行三阶多项式拟合确定当前呼吸二氧化碳浓度： C ( n ) = a 3 * D s 3 + a 2 * D s 2 + a 1 * D s + a 0 , 其中a3、a2、a1、a0为标定实验所确定的参数。
（4）对于呼吸气压监测，直接利用气压传感器Dp电压值进行二阶多项式拟合确定当前呼吸气压： P ( n ) = b 2 * D p 2 + b 1 * D p + b 0 , 其中b2、b1、b0为标定实验所确定的参数。
（5）根据气流伯努利定律中气压与流速的关系，得到呼吸气流实时速度为：
Figure BDA0000438928480000031
其中c1是由空气密度值决定的系数，c2为无气流流动时的标准大气压。
（6）利用呼吸气流速度得到呼吸流量为：Q(n)=K*V(n)，其中K为绝压式气压传感器所在位置的管道适配器的截面积。
（7）当呼吸气压强度P(n)小于预设阀值Pgate时进行呼吸过程判断。此时先提取呼吸二氧化碳浓度值序列中当前值之前的第十个浓度值C(n-10)，然后将该值与预设值C0进行比较，若C(n-10)＜C0，则认为现在是呼气过程，否则认为是吸气过程。
（8）根据呼吸过程，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曲线L(n)。
（9）根据计算结果绘制实时呼吸气压曲线P(n)、呼吸二氧化碳浓度曲线C(n)、呼吸流量曲线Q(n)和肺容量曲线L(n)，详细流程见图2。

Claims (2)

1.一种主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法，所采用的传感器为绝压式气压传感器和双通道红外传感器，所采用的管道适配器置于呼吸管道上，将绝压式气压传感器的取压点设置在管道适配器的内侧，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，监测方法为：
1）通过控制光源闪烁使双通道红外传感器输出周期固定的调制信号；
2）获取双通道红外传感器的测量通道电压Dc、参考通道电压Dr、绝压式气压传感器的输出值Dp；
3）对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值与谷值之差提取测量通道交流分量Dac，同理得到
参考通道交流分量Dar；
4）利用两通道交流分量差值Ds＝Dac-Dar，根据预先的标定实验和三阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸二氧化碳浓度： C ( n ) = a 3 * D s 3 + a 2 * D s 2 + a 1 * D s + a 0 , 其中a3、a2、a1、a0为标定实验所确定的参数；
5）对于呼吸气压监测，利用气压传感器的输出值Dp，根据预先的标定实验和二阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸气压
Figure FDA0000438928470000012
其中b2、b1、b0为标定实验所确定的参数；
6）根据气流伯努利定律中气压与流速的关系，得到呼吸气流实时速度为：
Figure FDA0000438928470000013
其中c1是由空气密度值决定的系数，c2为无气流流动时的标准大气压；
7）利用呼吸气流速度得到呼吸流量为：Q(n)=K*V(n)，其中K为绝压式气压传感器所在位置的管道适配器的截面积；
8）当呼吸气压强度P(n)小于预设阀值Pg时进行呼吸过程判断，此时先提取呼吸二氧化碳浓度值序列中当前值之前的第十个浓度值C(n-10)，然后将该值与预设值C0进行比较，若C(n-10)＜C0，则认为现在是吸气过程，否则认为是吸气过程；
9）根据呼吸过程，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曲线L(n)。
2.根据权利要求1所述的主流式呼吸气压和呼吸二氧化碳浓度同步监测方法，其特征在于，所述的双通道红外传感器，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。
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