CN103712942A - 主流式人呼吸二氧化碳浓度实时监测方法 - Google Patents

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王海涛
陈波波
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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实时监测方法：控制光源亮灭，双通道热释电传感器输出幅值连续变化的调制信号；对每个通道采集的数据进行滤波处理；然后利用峰谷的和、差值提取交流分量；根据标定实验获取的拟合参数d1和d2确定当前呼吸CO2浓度。本发明能够快捷、稳定、准确地实现对人呼吸二氧化碳浓度监测。

Description

主流式人呼吸二氧化碳浓度实时监测方法
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实时监测方法。
背景技术：
人呼吸二氧化碳浓度实时监测在医疗监测中起到了越来越重要的作用。基于非分光红外原理的呼吸二氧化碳浓度监测系统按照测量位置不同可分为：直接测量的主流式监测和通过抽取呼吸气体测量的旁流式监测。旁流式监测由于对呼吸气流进行除湿、稳流等预处理，能够较准确的测量呼吸气体浓度，但由于抽取气流的延时使显示波形有明显的失真。目前主流式监测多采用热电堆传感器和恒定强度辐射源，虽然避免了波形失真的问题，但由于呼吸气流的干扰使监测结果误差较大，而且在长时间连续监测时波形还易出现漂移问题。传感器技术的发展使热释电传感器性能得到极大的提升，其具有感应波长范围宽，响应速度快，性能稳定等优点，但也存在着输出信号弱，易受电路噪声干扰等问题。
发明内容
本发明目的是克服现有主流式呼吸监测测量误差大、易出现波形漂移等问题，提供一种快捷、稳定、准确地实现对人呼吸二氧化碳浓度监测的方法。本发明提出的实现直接在呼吸管道上对病人的呼吸二氧化碳浓度实时监测，并能从浓度波形中分析出病人生命体征状况和相关信息，给医生提供准确可靠的信息指导。本发明的技术方案如下：
一种主流式人呼吸二氧化碳浓度实时监测方法，所采用的监测模块将适配器置于呼吸管道上，红外光源与双通道热释电传感器固定在适配器的两端，双通道热释电传感器的一个通道为测量通道，另一个通道为参考通道，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，监测方法如下：
（1）对监测系统的参数进行自校准；
（2）首先监测模块发出脉冲信号控制光源亮灭，双通道热释电传感器输出幅值连续变化的调制信号，然后监测模块开始计时等待，当双通道热释电传感器输出电压达到波峰Vh或波谷点Vl时启动模数转化器开始平顶采样；
（3）采样时，模数转换器对测量通道电压值和参考通道电压值交叉采样，分别在每个通道采集数据，所采集的数据按照10个一组进行下述的初步处理：首先通过去除每通道10个数据中3个最大值和3个最小值，以滤除脉冲噪声，然后对每个通道中剩余4个数据取均值以滤除随机白噪声；
（4）将每个通道的处理结果发送到上位机；
（5）上位机接收数据后，对于每个通道的数据，首先通过幅值判断是波峰Vh或是波谷Vl，然后利用峰谷的和、差值提取交流分量和直流分量；最终得到测量通道交流分量Vac、测量通道直流分量Vdc、参考通道交流分量Var和参考通道直流分量Vdr四个分量；
（6）舍去两直流分量Vdc和Vdr，保留两通道交流分量差值：Ds=Vac–Var，从而滤除管道中水蒸气干扰和气流干扰；
（7）对交流分差值进行基准值调整：De=a1*Ds–a2，其中，a1、a2为第（1）步的的自校准步骤确定的参数；
（8）根据标定实验获取的拟合参数d1和d2确定当前呼吸CO2浓度：C=d1*ln(De)+d2，示；
作为优选实施方式，步骤（1）的过程如下：
（1）监测模块对两个通道接收的数据进行滤波处理后，发送给上位机；
（2）上位机先将接收的每个通道的波峰、波谷值转化为交流、直流分量，并对获得的测量通道交流分量Vac、测量通道直流分量Vdc、参考通道交流分量Var和参考通道直流分量Vdr四个分量进行实时存储；
（3）计算各个分量的平均值，即：Kac=Mean(Vac)、Kdc=Mean(Vdc)、Kar=Mean(Var)、Ka0=Mean(Var)；
（4）判断四个分量平均值Kac、Kdc、Kar、Ka0是否都在各自预先设定的范围内，如果都在范围内则认为校准成功，否则重新统计；
（5）校准成功后，计算基准值调整所用的参数；其中参数a1为固定系数K与测量通道交流分量平均值Kac倒数的乘积：a1=K/Kac；参数a2为两交流分量Vac、Var平均值的差值：a2=Kac–Kar；
双通道热释电传感器的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技术效果如下：
（1）针对目前主流式监测易出现漂移问题，本发明使用双通道热释电红外传感器和电调制技术，将传感器输出变为周期固定的调制信号，便于通过带通滤波放大电路改善输出信噪比，同时避免漂移提高监测稳定性。
（2）由于呼吸二氧化碳浓度体现在不断变化的调制信号中，本系统采用平顶采样法获取传感器输出在波峰点和波谷点电压幅值，并通过数字滤波技术去除电路中的干扰噪声。
（3）针对呼吸气流中的水蒸气干扰和气流干扰采用信号分解方法进行补偿。首先利用波峰、波谷电压值提取交流、直流分量。然后利用两通道交流分量的差值进行干扰补偿，最终经过基准值调整和浓度拟合计算出当前呼吸二氧化碳浓度值。
（4）针对使用过程中更换管道适配器可能导致计算浓度的参数变化，因此本系统先在校准状态下对调制信号进行统计分析确定相应参数，当进入监测状态时通过该参数进行基准值调整来弥补器件更换导致的变化。
附图说明
图1主流式呼吸二氧化碳浓度监测模块结构示意图。
图2本系统监测状态处理流程图。
图3本系统校准状态处理流程图。
具体实施方式：
本发明的二氧化碳浓度监测方法针对主流式气体监测而提出，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9和热释电传感器4置于适配器1两侧，微控制器通过光源驱动电路8和红外光源9发出调制光源信号，置于管道另一端的双通道热释电传感器4的两个通道分别接收被二氧化碳分子2吸收的4.26μm红外光和没有被任何气体分子3吸收的3.95μm红外光。传感器输出经过带通滤波放大电路5滤波放大后送入数据采集处理电路6中进行数据采集和处理，最后通过串口通信电路7将处理结果发送到上位机中进行进一步处理。另外，本发明监测系统有两种工作状态，分别是：用于对人呼吸气体监测的监测状态和用于确定基准值调整参数的校准状态。
1、监测状态时，监测模块按以下过程确定当前人呼吸二氧化碳浓度：
（1）首先监测模块发出脉冲信号控制光源亮灭，使传感器输出幅值连续变化的调制信号。然后监测模块开始计时等待，当传感器输出电压达到波峰Vh或波谷点Vl时启动模数转化器开始平顶采样。
（2）采样时，模数转换器先采集测量通道电压值，然后采集参考通道电压值，之后再采集测量通道电压值。以此方式分别在每个通道采集10个数据。
（3）完成采集后开始对数据进行初步处理。首先通过去除每通道10个数据中3个最大值和3个最小值滤除脉冲噪声，然后对每个通道中剩余4个数据取均值滤除随机白噪声。最后将每个通道的处理结果通过串口发送到上位机中进行下一步处理。
（4）上位机接收数据后首先通过幅值判断是波峰Vh或是波谷Vl，然后利用峰谷的和、差值提取交流Va、直流Vd分量，即：Va=(Vh-Vl)/2；Vd=(Vh+Vl)/2。最终得到测量通道交流分量Vac、测量通道直流分量Vdc、参考通道交流分量Var和参考通道直流分量Vdr四个分量。
（4）舍去两直流分量Vdc和Vdr，保留两通道交流分量差值：Ds=Vac–Var，从而滤除管道中水蒸气干扰和气流干扰。
（5）对交流分差值进行基准值调整：De=a1*Ds–a2，其中a1、a2为校准状态确定的参数。
（6）最后根据标定实验获取的拟合参数d1和d2确定当前呼吸CO2浓度：C=d1*ln(De)+d2，并实现二氧化碳浓度波形实时显示。
2、由于使用过程中管道适配器更换导致基准值调整参数变化，监测系统在校准状态对调制信号进行统计分析。具体按如下过程实现：
（1）上位机与采样模块握手通信，并准备接收数据；
（2）同监测状态一样，上位机先将接收的波峰、波谷值转化为交流、直流分量，并对获得的四个分量：Vac、Vdc、Var、Vdr进行实时存储；
（3）当接收数据个数达到预设个数后停止接收数据，开始计算各个分量的平均值，即：Kac=Mean(Vac)、Kdc=Mean(Vdc)、Kar=Mean(Var)、Ka0=Mean(Var)；
（4）判断四个分量平均值Kac、Kdc、Kar、Ka0是否都在各自预先设定的范围内，如果都在范围内则认为校准成功，否则上位机提示重新统计。
（5）校准成功后，计算基准值调整所用的参数。其中参数a1为固定系数K与测量通道交流分量平均值Kac倒数的乘积：a1=K/Kac；参数a2为两交流分量Vac、Var平均值的差值：a2=Kac–Kar。

Claims (3)

1.一种主流式人呼吸二氧化碳浓度实时监测方法，所采用的监测模块将适配器置于呼吸管道上，红外光源与双通道热释电传感器固定在适配器的两端，双通道热释电传感器的一个通道为测量通道，另一个通道为参考通道，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，监测方法如下： 
（1）对监测系统的参数进行自校准； 
（2）监测模块发出脉冲信号控制光源亮灭，双通道热释电传感器输出幅值连续变化的调制信号，然后监测模块开始计时等待，当双通道热释电传感器输出电压达到波峰Vh或波谷点Vl时启动模数转化器开始平顶采样； 
（3）采样时，模数转换器对测量通道电压值和参考通道电压值交叉采样，分别在每个通道采集数据，所采集的数据按照10个一组进行下述的初步处理：首先通过去除每通道10个数据中3个最大值和3个最小值，以滤除脉冲噪声，然后对每个通道中剩余4个数据取均值以滤除随机白噪声； 
（4）将每个通道的处理结果发送到上位机； 
（5）上位机接收数据后，对于每个通道的数据，首先通过幅值判断是波峰Vh或是波谷Vl，然后利用峰谷的和、差值提取交流分量和直流分量；最终得到测量通道交流分量Vac、测量通道直流分量Vdc、参考通道交流分量Var和参考通道直流分量Vdr四个分量； 
（6）舍去两直流分量Vdc和Vdr，保留两通道交流分量差值：Ds=Vac–Var，从而滤除管道中水蒸气干扰和气流干扰； 
（7）对交流分差值进行基准值调整：De=a1*Ds–a2，其中，a1、a2为第（1）步的的自校准步骤确定的参数； 
（8）根据标定实验获取的拟合参数d1和d2确定当前呼吸CO2浓度：C=d1*ln(De)+d2，示。 
2.根据权利要求1所述的主流式人呼吸二氧化碳浓度实时监测方法，其特征在于，步骤（1）的过程如下： 
（1）监测模块对两个通道接收的数据进行滤波处理后，发送给上位机； 
（2）上位机先将接收的每个通道的波峰、波谷值转化为交流、直流分量，并对获得的测量通道交流分量Vac、测量通道直流分量Vdc、参考通道交流分量Var和参考通道直流分量Vdr四个分量进行实时存储； 
（3）计算各个分量的平均值，即：Kac=Mean(Vac)、Kdc=Mean(Vdc)、Kar=Mean(Var)、Ka0=Mean(Var)； 
（4）判断四个分量平均值Kac、Kdc、Kar、Kdr是否都在各自预先设定的范围内，如果都在范围内则认为校准成功，否则重新统计； 
（5）校准成功后，计算基准值调整所用的参数；其中参数a1为固定系数K与测量通道交流分量平均值Kac倒数的乘积：a1=K/Kac；参数a2为两交流分量Vac、Var平均值的差值：a2=Kac–Kar。 
3.根据权利要求1所述的主流式人呼吸二氧化碳浓度实时监测方法，其特征在于，双通道热释电传感器的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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