CN103920214A

CN103920214A - 一种呼吸机及其呼吸压力调控系统和调控方法

Info

Publication number: CN103920214A
Application number: CN201410173169.7A
Authority: CN
Inventors: 沈翰宁
Original assignee: Shenzhen Dymind Biotechnology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Dymind Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-07-16

Abstract

本发明公开了一种呼吸机及其呼吸压力调控系统和调控方法，包括压力跟随器、呼气吸气判别器和压力速降器，所述压力跟随器分为第一压力跟随器和第二压力跟随器，首先，呼吸判别器检测当前的流量变化，当从呼气转变为吸气时，通过第一压力跟随器，提高电机转速，将压力维持在适合吸气的水平；其次，当呼吸判别器检测到流量处于吸气末呼气初时，压力速降器将电机制动，压力迅速下降；最后，当压力下降接近呼气水平时，关闭制动，利用第二压力跟随器使下降速率减缓，并平稳降至适合呼气的压力水平。采用本发明不仅适用于呼吸机中的呼吸周期压力控制，同时还可以用于漏气压力补偿，自动海拔压力补偿等其他调压场合。

Description

一种呼吸机及其呼吸压力调控系统和调控方法

技术领域

本发明涉及医用设备，尤其涉及的是一种呼吸机及其呼吸压力调控系统和调控方法。

背景技术

人在使用呼吸机的过程中，吸气会产生胸腔负压引起面罩处压力下降；呼气会产生胸腔正压引起面罩处压力上升。呼吸周期中压力的起伏会造成呼吸对抗，需要调节压力应对这种震荡。在某些环境条件下，如发生泄漏，那么压力会降低；如发生阻塞，压力会上升；所处海拔高度不同，那么压力也会有所不同，当压力偏差治疗压力过大，将影响治疗效果。除此之外，人在呼气时因胸腔产生的正压与呼吸机持续输出的正压相抵触，导致呼气困难且有明显的人机对抗现象，通过合理切换呼吸过程中的压力水平，使得呼吸体验更顺畅。

现有解决上述的问题的技术有两种，第一种是中国专利申请号为200910235634.4的公开技术文件中，公布了一种呼吸机减压装置的输出压力的调节方法。该方法的主要思想是，通过比较目标压力值与实际压力值的偏差大小，调节输出压力。第二种是中国专利申请号为201110045661.2的公开技术文件中，公布了一种改善CPAP舒适性的方法与装置，该方法的主要思想是，检测到吸气转变到呼气时，将送风电动机断电待压力降至一定水平再次通电稳定至呼气的压力水平，最后检测到呼气向吸气转变时提升压力。

方法一的缺点是：在吸气转变为呼气时，采用此方法降压，电机转速是逐级下调，并且电机有固有的惯性转动，导致压力下降较为缓慢，实测大约200ms下降1cmH2O。而人在呼气时，200ms之内迅速下降至适合呼吸的压力水平将大大缓解呼气时的压力对抗。因此，其在降压过程中并不能解决压力对抗的问题。

方法二的缺点是：在发生泄露，阻塞或者所处海拔高度不同时，压力会相较于设定的治疗压力发生偏移，导致治疗效果不佳，故其不能将治疗压力稳定在正常水平，稳定性较差。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种呼吸机及其呼吸压力调控系统和调控方法，旨在解决现有的呼吸机不能有效解决任何压力变化下的压力对抗和压力稳定性的问题。

本发明的技术方案如下：

一种呼吸机的呼吸压力调控系统，其包括压力跟随器、呼气吸气判别器和压力速降器，所述压力跟随器分为第一压力跟随器和第二压力跟随器，所述第一压力跟随器，主要用于吸气状态，将压力保持在设定的目标治疗压力水平，且当前压力与目标治疗压力偏差越大那么调整速率越快；所述第二压力跟随器，主要用于呼气状态，将压力保持在设定的目标治疗压力水平，且当前压力与目标治疗压力偏差越大那么调整速率越快；所述呼气吸气判别器，用于通过流量或者压力判断吸气与呼气的转换点，当发现呼气切换至吸气时，关闭第二压力跟随器，打开第一压力跟随器；当发现吸气切换至呼气时，关闭第一压力跟随器，打开压力速降器；所述压力速降器，用于发生呼气时，迅速拉低压力直至适合呼气的压力水平，然后关闭压力速降器，打开第二压力跟随器维持新的压力水平。

所述的呼吸机的呼吸压力调控系统，其中，在一次呼吸周期中，系统会进行以下几个步骤调压：首先，呼吸判别器检测当前的流量变化，当从呼气转变为吸气时，通过第一压力跟随器，提高电机转速，将压力维持在适合吸气的水平；其次，当呼吸判别器检测到流量处于吸气末呼气初时，压力速降器将电机制动，压力迅速下降；最后，当压力下降接近呼气水平时，关闭制动，利用第二压力跟随器使下降速率减缓，并平稳降至适合呼气的压力水平。

一种呼吸机的呼吸压力调控方法，其包括以下步骤：

步骤S1：设定目标压力的期望值；

步骤S2：获取当前输出压力值，将期望值与当前输出压力值做差，得到压力偏差值；

步骤S3：根据偏差值，当检测到输出的压力值与目标值偏差量在±1％，维持当前电机转速不变，否则，计算下一时刻需要补偿输出的转速增量，根据补偿输出的转速增量调整电机转速；

步骤S4：重复步骤S2，

所述目标压力值所能达到的上限取决于电机的最大转速，当腔体环境一定时，电机转速越大，所能达到的压力也越大；所述偏差值越大，那么调整量也越大，表现出调整速率也要加快。

所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其中，根据压力偏差值，计算电机转速增量△u(n)的具体公式为：

Δu (n) = K_{p} [e (n) - e (n - 1)] + K_{p} \frac{T}{T_{I}} e (n) + K_{P} \frac{T_{D}}{T} [e (n) - 2 e (n - 1) + e (n - 2)],

其中，K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，e(n-1)为e(n)前一时刻的压力偏差值，当前压力值与目标压力值的偏差值e(n)＝r(n)-c(n)，其中r(n)为期望目标压力值，c(n)为实际压力输出值。

所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其中，转速增量△u(n)在每一时刻都需要进行计算更新，并将其与当前电机转速u(n)求和，作为下一时刻的转速。

所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其中，在降压时，采取对电机制动的方式达到快速降压，其实现步骤如下：

步骤a：检测吸气末呼气初的临界点；

步骤b：关闭第一压力跟随器，确定目标压力；

步骤c：启动电机制动；

步骤d：实时计算压力偏差值；

步骤e：当压力偏差值下降至接近0值时，关闭电机制动同时启动第二压力跟随器。

所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其中，呼气吸气判别器会根据呼吸周期的流量或压力判断，提前切换至呼气状态。

所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其中，检测吸气呼气的临界点的具体方法步骤如下：

步骤a1：在流量信号进入正值区域时，检测最高峰值点；

步骤a2：记录最高峰值点的值，根据0值点到峰值点高度差的百分比划定灵敏度等级，峰值点的45％为1等级，60％为2等级，75％为3等级；

步骤a3：当流量信号低于设定的灵敏度等级所确定的阈值，并且有下降的延续性，发出吸气末呼气初响应，

流量信号为正时，检测峰值，当流量下降至设定的灵敏度等级所确定的阈值后，呼气吸气判别器发出吸气末呼气初响应。

所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其中，将流量信号高于或低于0值点的某一阈值定义为过滤阈值，流量信号为正时，检测峰值，当流量信号进入正值区域发生零交叉，如果在过滤阈值范围内形成的峰值，不更新峰值记录点，直至向上突破，突破之后如果形成新的，更高的峰值点，更新峰值记录点，当流量信号出现下降的延续性，并且低于设定的灵敏度等级所确定的阈值，发出吸气末呼气初响应；流量信号为负时，检测谷值，如果在过滤阈值范围内形成谷值，不更新谷值记录点，直至向下突破，突破之后如果形成新的，更低的谷值点，更新谷值记录点，当流量信号出现上升的延续性，并且高于设定的灵敏度等级所确定的阈值，发出呼气末吸气初响应。

一种呼吸机，其中，包括采用如上述的呼吸压力调控系统。

本发明的有益效果：本发明通过根据实际需求使得呼吸周期中的压力始终围绕治疗压力变动，能够应对压力的异常变化并保持稳定性。在有稳定的治疗压力基础上，发生呼气时可以迅速降至适合呼气的压力水平(实测大约200ms下降8cmH2O),从而避免呼气时的压力对抗。发生吸气时，压力可以从较低的水平提升至治疗压力水平，其提升速度与压力差值成正比,从而充分清除面罩残留的CO2。，本发明提供的呼吸机不仅适用于呼吸机中的呼吸周期压力控制，同时还可以用于漏气压力补偿，自动海拔压力补偿等其他调压场合。

附图说明

图1是本发明中呼吸压力调控系统的系统框图。

图2是本发明中呼吸压力调控方法的流程图。

图3是本发明中呼吸压力调控方法的调控示意图。

图4是不同降压模式下压力变化曲线对比图。

图5是采用增加过滤阈值的方法吸气末呼气初响应曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的呼吸机的呼吸压力调控系统包括：压力跟随器、呼气吸气判别器和压力速降器，所述压力跟随器分为第一压力跟随器和第二压力跟随器。所述第一压力跟随器，主要用于吸气状态，将压力保持在设定的目标治疗压力水平，且当前压力与目标治疗压力偏差越大那么调整速率越快。所述第二压力跟随器，主要用于呼气状态，将压力保持在设定的目标治疗压力水平，且当前压力与目标治疗压力偏差越大那么调整速率越快。所述呼气吸气判别器，用于通过流量或者压力判断吸气与呼气的转换点，当发现呼气切换至吸气时，关闭第二压力跟随器，打开第一压力跟随器；当发现吸气切换至呼气时，关闭第一压力跟随器，打开压力速降器。所述压力速降器，用于发生呼气时，迅速拉低压力直至适合呼气的压力水平，然后关闭压力速降器，打开第二压力跟随器维持新的压力水平。

在一次呼吸周期中，系统会进行以下几个步骤调压：

首先，呼吸判别器检测当前的流量变化，当从呼气转变为吸气时，通过第一压力跟随器，提高电机转速，将压力维持在适合吸气的水平；

其次，当呼吸判别器检测到流量处于吸气末呼气初时，压力速降器将电机制动，压力迅速下降；

最后，当压力下降接近呼气水平时，关闭制动，利用第二压力跟随器使下降速率减缓，并平稳降至适合呼气的压力水平。

其中，压力跟随器能将压力调至目标压力且其调整速率与压力偏差值成正比。在压力受到外界环境干扰时，如漏气等，能调节电机转速使压力保持稳定，具有良好的抗干扰特性。该方案能对呼吸中产生的压力对抗进行补偿，当吸气时胸腔产生负压，系统立刻加大输出压力，保持气道开放；当呼气时，胸腔产生正压，系统立刻拉低输出压力水平，避免呼气时的人机对抗。

此外，系统还能对由外部环境引起的压力异常，如堵塞引起的压力过高，泄露引起的压力过低进行补偿，保持系统的治疗压力稳定性。

本发明根据上述系统提供的一种调控方法的流程如图2所示，实现步骤如下：

步骤S1：设定目标压力的期望值；

所述目标压力值所能达到的上限取决于电机的最大转速，当腔体环境一定时，电机转速越大，所能达到的压力也越大；

所述偏差值越大，那么调整量也越大，表现出调整速率也要加快；

步骤S3：根据偏差值，当检测到输出的压力值与目标值偏差量在±1％，维持当前电机转速不变，否则，计算下一时刻需要补偿输出的压力值，根据补偿输出的压力值调整电机转速；

步骤S4：重复步骤S2。

本方案采用的是数字增量型的实现方式，调压实质上是调节转速，故其转速增量可以表述成以下形式：

\begin{matrix} Δu (n) = u (n) - u (n - 1) \\ = K_{p} [e (n) - e (n - 1)] + K_{p} \frac{T}{T_{I}} e (n) + K_{p} \frac{T_{D}}{T} [e (n) - 2 e (n - 1) + e (n - 2)] \end{matrix}

其中，△u(n)表示n时刻的转速增量，u(n)为当前电机转速，u(n-1)为前一次电机的转速，e(n)＝r(n)-c(n)表示n时刻的压力偏差值，e(n-1)表示前一次的压力偏差值，r(n)为期望目标压力值，c(n)为实际压力输出值，K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数。

其控制方案如图3所示。转速增量△u(n)在每一时刻都需要利用上述的公式进行计算更新，并将其与当前电机转速u(n)求和，作为下一时刻的转速。其中：

u (n) = K_{p} {e (n) + \frac{T}{T_{I}} Σ_{i = 0}^{n} e (n) + \frac{T_{D}}{T} [e (n) - e (n - 1)]} + u_{0}

其中，u₀为初始电机转速。

所述的压力速降器，在向上调压时，通过提高电压来快速增加转速，在降压时，依靠固有的转动惯性减速，所以其升压速度大于降压速度。如果在呼气发生时，压力不能立即下降，则会造成严重的呼吸对抗。如图4所示，制动下降的斜率明显要比惯性下降的更大，故不能再采用压力跟随器的方法降压。因此本发明采取对电机制动的方式达到快速降压的目的，其实现步骤如下：

步骤a：检测吸气末呼气初的临界点；

步骤b：关闭第一压力跟随器，确定目标压力；

步骤c：启动电机制动；

步骤d：实时计算压力偏差值；

当呼气吸气判别器，检测到发生呼气时，关闭第一压力跟随器。为了适应具有个体舒适度差异性的需求，呼气吸气判别器根据呼吸周期的流量或压力判断，提前切换至呼气状态，减轻呼气对抗，适应个体性的差异。

如果压力下降依靠惯性转动，压力在200ms之内，只能下降1cmH₂O。启动制动后，压力迅速下降，实测200ms之内，压力从12cmH₂0下降至4cmH₂O。故需要实时计算当前压力与目标压力的偏差值，当发现压力偏差值接近0值，关闭电机制动启动第二压力跟随器。传统方法在于依靠抖动制动方式，即在很短的时间内将电机循环制动，例如制动时间10ms，关闭制动20ms的循环工作方式。由于电机制动相较于正常转动所需的电流更大，频繁制动会产生一定频率的电流尖峰，会对硬件电路造成冲击，故本方案采用压力跟随器的方法平稳调整至适合呼气的压力水平。该方法，根据不断变化的偏差值，动态的调整输出压力，不需要频繁制动来减速并稳定在目标值。

所述呼气吸气判别器的传统检测吸气呼气的临界点依靠流量信号从负到正或者从正到负来识别，这种方法可靠，但具有较大延时，使得压力控制存在滞后响应。本方案采用一种预测的方式来识别，并提供可调的灵敏度等级满足个体差异性的需求。以检测吸气末呼气初的临界点阐述该识别方法，步骤如下：

步骤a1：在流量信号进入正值区域时，检测最高峰值点；

步骤a2：记录最高峰值点的值，可根据0值点到峰值点高度差的百分比划定灵敏度等级，如峰值点的45％为1等级，60％为2等级，75％为3等级；

步骤a3：当流量信号低于设定的灵敏度等级所确定的阈值，并且有下降的延续性，发出吸气末呼气初响应。

流量信号为正时，检测峰值，当流量下降至设定的灵敏度等级所确定的阈值后，呼气吸气判别器发出吸气末呼气初响应，如图5所示。为了保证预测的准确性，还可以采用增加过滤阈值的方法提高可靠性。将流量信号高于或低于0值点的某一阈值定义为过滤阈值。步骤A中，当流量信号进入正值区域发生零交叉，如果在过滤阈值范围内形成的峰值，不更新峰值记录点，直至向上突破。

同理，对于呼气末吸气初也是如此检测。流量信号为负时，检测谷值，如果在过滤阈值范围内形成谷值，不更新谷值记录点，直至向下突破。突破之后如果形成新的，更低的谷值点，更新谷值记录点。当流量信号出现上升的延续性，并且高于设定的灵敏度等级所确定的阈值，发出呼气末吸气初响应。

过滤阈值越大，就越能确保呼吸点切换的可靠性，但过大会导致判别的滞后。一般来说该阈值为5L/Min，能很好的过滤零交叉的抖动。可靠的预测吸气和呼气的转换点，能提前让电机处于加速或减速状态，更好的对在呼吸中产生的压力起伏做补偿。

本发明具有的优点有：1、具有压力跟随功能，对于由正常呼吸引起的压力振动能起到补偿功能，特别是应对压力异常变化的外部环境，如漏气，海拔高度变化，都能实时调节电机转速将压力稳定至目标水平。2、能够平滑的减缓降压速度，稳定在目标压力，且不会造成对电路过大的电流冲击。由于制动下降速度相比惯性转动快，如果在到达目标压力再启动电机会使得压力下降过多，且回调速度不平稳。传统方法采用循环制动的方式减缓下降的速度，但制动相比电机正常转动需要更大的电流，频繁制动导致硬件电路产生一定频率的电流尖峰脉冲，影响系统工作的稳定性。本方案采用的是压力跟随的方法，实时计算压力偏差的误差，调整电机的转数，达到减缓降压速率，平稳过渡至目标压力水平。3、具有可调节的吸气呼气灵敏度等级，确保用户与送风机之间的呼吸压力同步性，更好的适应个体性压力变化的差异。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种呼吸机的呼吸压力调控系统，其特征在于，包括压力跟随器、呼气吸气判别器和压力速降器，所述压力跟随器分为第一压力跟随器和第二压力跟随器，所述第一压力跟随器，主要用于吸气状态，将压力保持在设定的目标治疗压力水平，且当前压力与目标治疗压力偏差越大那么调整速率越快；所述第二压力跟随器，主要用于呼气状态，将压力保持在设定的目标治疗压力水平，且当前压力与目标治疗压力偏差越大那么调整速率越快；所述呼气吸气判别器，用于通过流量或者压力判断吸气与呼气的转换点，当发现呼气切换至吸气时，关闭第二压力跟随器，打开第一压力跟随器；当发现吸气切换至呼气时，关闭第一压力跟随器，打开压力速降器；所述压力速降器，用于发生呼气时，迅速拉低压力直至适合呼气的压力水平，然后关闭压力速降器，打开第二压力跟随器维持新的压力水平。

2.根据权利要求1所述的呼吸机的呼吸压力调控系统，其特征在于，在一次呼吸周期中，系统会进行以下几个步骤调压：首先，呼吸判别器检测当前的流量变化，当从呼气转变为吸气时，通过第一压力跟随器，提高电机转速，将压力维持在适合吸气的水平；其次，当呼吸判别器检测到流量处于吸气末呼气初时，压力速降器将电机制动，压力迅速下降；最后，当压力下降接近呼气水平时，关闭制动，利用第二压力跟随器使下降速率减缓，并平稳降至适合呼气的压力水平。

3.一种呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设定目标压力的期望值；

步骤S4：重复步骤S2，

4.根据权利要求3所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，根据压力偏差值，计算电机转速增量△u(n)的具体公式为：

Δu (n) = K_{p} [e (n) - e (n - 1)] + K_{p} \frac{T}{T_{I}} e (n) + K_{P} \frac{T_{D}}{T} [e (n) - 2 e (n - 1) + e (n - 2)],

其中K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，e(n-1)为e(n)前一时刻的压力偏差值，当前压力值与目标压力值的偏差值e(n)＝r(n)-c(n)，其中r(n)为期望目标压力值，c(n)为实际压力输出值。

5.根据权利要求4所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，转速增量△u(n)在每一时刻都需要进行计算更新，并将其与当前电机转速u(n)求和，作为下一时刻的转速。

6.根据权利要求5所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，在降压时，采取对电机制动的方式达到快速降压，其实现步骤如下：

步骤a：检测吸气末呼气初的临界点；

步骤b：关闭第一压力跟随器，确定目标压力；

步骤c：启动电机制动；

步骤d：实时计算压力偏差值；

7.根据权利要求4所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，呼气吸气判别器会根据呼吸周期的流量或压力判断，提前切换至呼气状态。

8.根据权利要求6所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，检测吸气呼气的临界点的具体方法步骤如下：

步骤a1：在流量信号进入正值区域时，检测最高峰值点；

9.根据权利要求8所述的呼吸机的呼吸压力调控方法，其特征在于，将流量信号高于或低于0值点的某一阈值定义为过滤阈值，流量信号为正时，检测峰值，当流量信号进入正值区域发生零交叉，如果在过滤阈值范围内形成的峰值，不更新峰值记录点，直至向上突破，突破之后如果形成新的，更高的峰值点，更新峰值记录点，当流量信号出现下降的延续性，并且低于设定的灵敏度等级所确定的阈值，发出吸气末呼气初响应；流量信号为负时，检测谷值，如果在过滤阈值范围内形成谷值，不更新谷值记录点，直至向下突破，突破之后如果形成新的，更低的谷值点，更新谷值记录点，当流量信号出现上升的延续性，并且高于设定的灵敏度等级所确定的阈值，发出呼气末吸气初响应。

10.一种呼吸机，其特征在于，包括采用如上述权利要求1至2任意一项所述的呼吸压力调控系统。