CN104069574B - 一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方法及控制装置，控制方法包括：步骤S00、进入输出压力控制模式；S10、判断是否第一次进入该模式，如果是，执行步骤S20，否则执行步骤S70；S20、涡轮以预设最低转速对气道充气，同时检测通气时间；S30、判断通气时间是否达到预设通气时间阈值，如果是，则执行步骤S40，否则，执行步骤S20；S40、检测气道内压力值；步骤S50、计算出气道内压力从零气压开始达到预设目标压力P涡轮所需的第二转速；步骤S60、第二转速进行转动，以对气道进行充气；步骤S70、判断气道内压力值是否达到预设目标压力P；步骤S80、进入呼气阶段；步骤S90、判断该模式是否被终止，如果否，进入下一通气周期。

Description

一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，更具体的，涉及一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方法及其控制装置。

背景技术

在目前的医疗设备中，为了减小设备体积，同时减小对外界空压机的依赖，使用涡轮作为压缩空气提供方式的呼吸机和麻醉机等医疗设备越来越普及。但是在现有技术中，由于软件控制算法不够好的原因，一般情况下，涡轮始终工作于速度较高的状态下。也就是说，通过额外的高转速来提供多余的输出压力，对于超出目标压力的额外压力，则采用泄气的方式进行平衡。例如，将涡轮转速按照整个涡轮的转速范围由低到高分为4个转速，通过这4个转速所能提供的压力来判断目标压力所应该使用的具体转速。然后在这一转速下保持固定，对于超过了实际的目标压力的额外压力，采用在气道内加入比例阀等泄气装置对输出压力进行调节。

以上这种以控制输出压力为目标的涡轮控制方式虽然实现了对输出压力的控制，但是由于在系统中加入了比例阀，导致硬件控制成本较高。同时，由于涡轮始终处于一个相对高速运转的状态，对于这样的机械结构，磨损相对较大，造成了涡轮实际使用时间较短，用户的使用费用比较高。

基于上述描述，亟需要一种气道内不需要比例阀等泄气装置对输出压力进行调节的涡轮控制方法及其装置，以解决使用过程中磨损相对较大，造成了涡轮实际使用时间较短，用户的使用费用比较高的问题。

发明内容

为解决以上所述问题，本发明的目的在于提供一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方法及其装置。该方法以控制涡轮的实际转速为目标，根据目标压力的不同，输出合适的涡轮转速，本方法不仅去掉了硬件系统中的比例阀，降低了系统成本，同时，通过实时调节涡轮转速，让涡轮时刻工作在合适的转速下，提高了涡轮的实际使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方法，包括以下步骤：

步骤S00、麻醉机或呼吸机进入输出压力控制模式；

步骤S10、判断单元判断是否为第一次通气周期，如果是，则执行步骤S20，否则，执行步骤S70；

步骤S20、所述麻醉机或呼吸机进入第一次通气周期的吸气阶段，控制单元控制涡轮以预设的第一转速进行转动，以对气道进行充气，同时所述控制单元控制计时装置检测通气时间，并实时获取所述通气时间；

步骤S30、所述判断单元判断通气时间是否达到预设通气时间（t1），如果是，则执行步骤S40，否则，执行步骤S20；

步骤S40、所述控制单元控制压力传感器检测当前气道内压力值（P1）；

步骤S50、数据处理单元根据当前的通气时间t1、当前气道内压力值P1、预设目标压力P、以及从零气压开始达到预设目标压力所需的预设目标通气时间t0，计算出气道内压力从零气压开始达到所述预设目标压力P涡轮所需的第二转速；

步骤S60、所述控制单元控制所述涡轮以第二转速进行转动，以对气道进行充气，同时所述控制单元控制压力传感器检测气道内压力值，并获取所述气道内压力值；

步骤S70、判断单元判断步骤S60检测到的气道内压力值是否达到所述预设目标压力P，如果是，则执行步骤S80，否则，执行步骤S60；

步骤S80、所述麻醉机或呼吸机进入呼气阶段，控制单元控制涡轮以第一转速进行转动，直至所述呼气阶段结束；

步骤S90、所述判断单元判断所述输出压力控制模式是否被终止，如果未被终止，所述麻醉机或呼吸机进入下一通气周期，返回步骤S10；如果被终止，所述输出压力控制模式结束。

作为优选，步骤S50中至少包括以下步骤：

步骤S51、数据处理单元根据所述预设通气时间t1和步骤S40检测到的气道内压力值P1，通过公式β1=P1/t1计算出该段曲线的斜率β1；

步骤S52、数据处理单元根据步骤S20中涡轮运转的预设第一转速，以及步骤S51中计算出的曲线的斜率β1，通过公式β=f(Speed,V)，计算出气道体积V。

作为优选，步骤S50中至少还包括以下步骤：

步骤S53、数据处理单元根据预设目标压力P和达到所述预设目标压力P所需的预设目标通气时间t0，通过公式β=P/t0求得目标斜率β；

步骤S54、数据处理单元根据步骤S52中计算出的气道体积V，再结合步骤S53中计算出的目标斜率β，根据公式β=f(Speed,V)，计算出在预设目标通气时间t0内气道内压力达到预设目标压力P，涡轮所需的最小转速，即第二转速。

作为优选，所述第一转速为预设最低转速，所述第一转速小于所述第二转速；进一步的，控制涡轮驱动器输出与第一转速或第二转速对应的电压或电流，控制涡轮以第一转速或第二转速进行转动。

作为优选，计算每个涡轮最低转速时，所用到的公式β=f(Speed,V)不同；或者，计算每个涡轮最低转速时，所用到的公式β=f(Speed,V)，通过统计和数据拟合得到。

作为优选，涡轮的转速和涡轮驱动器输出的电压或者电流呈一定的线性比例关系。

作为优选，所述气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速通过显示单元显示出来。

一种实现权利要求1-7中任一方法的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，包括以下单元：

检测单元、所述检测单元至少包括检测气道内压力的压力传感器、以及检测通气时间的计时装置；

控制单元、所述控制单元控制涡轮驱动器向涡轮输出与涡轮转速对应的电压或电流，并控制计时装置检测通气时间，以及控制压力传感器检测气道内压力值；

判断单元、判断单元判断是否第一次进入输出压力控制模式模式，并判断通气时间是否达到预设通气时间阈值，以及判断检测到的气道内压力值是否达到目标压力；

计算单元、计算单元根据检测到的通气时间和气道内压力值，计算出气道体积，并进一步根据预设目标压力和达到预设目标压力所需的预设目标通气时间，结合气道体积，计算出气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速。

作为优选，所述的控制装置还包括显示单元，用于显示气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速。

一种呼吸机或麻醉机，其应用以上所有以控制输出压力为目标的涡轮控制方法。

本发明的有益效果为，由于本发明所用的控制方法以控制涡轮的实际转速为目标，根据目标压力的不同，控制器控制涡轮输出合适的涡轮转速，通过实时调节涡轮转速，让涡轮时刻工作在合适的转速下，由于涡轮不再处于相对高速运转的状态，则磨损相对较小，延长了涡轮的实际使用寿命，降低了用户的使用费用。由于本方法去掉了硬件系统中的比例阀，所以进一步的降低了系统成本。由于本方法首先通过预通气一定时间，并多次根据公式β=f(Speed,V)，求得在t0时间内压力达到目标压力P所需要的目标转速Speed，在以后的通气中，直接以第一次通气计算得出的涡轮目标转速Speed进行通气即可，所以非常方便。由于在呼气阶段，涡轮转速降低为基础最低转速Speed1，Speed1的值非常小，所以可以进一步的减少涡轮的磨损。由于涡轮的转速Speed和控制器控制驱动器输出的电压或者电流呈一定的线性比例关系，所以，可以通过控制器对驱动器的控制实现对涡轮转速的间接控制，操作方便。

附图说明

图1为本发明提供的以控制输出压力为目标的涡轮控制方法的流程图；

图2为本发明提供的实现图1所述方法的供气系统的结构示意图；

图3为本发明提供的通气过程中压力-时间关系示意图。

图中：

1、控制器；2、涡轮驱动器；3、涡轮；4、单向膜片；5、模拟肺；6、吸气阀；7、呼气阀；8、气路管道；9、压力传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供了一种以控制输出压力为目标的涡轮控制方式。该方法以控制涡轮的实际转速为目标，实现在预设目标通气时间内气道内压力达到预设目标压力所需的涡轮转速最小的效果。首先通过一定的测量步骤求出所需的涡轮最小转速，即目标转速。在以后的通气中，直接以第一次通气计算得出的涡轮目标转速进行通气即可。以下详细描述涡轮目标转速的计算方法。

图2为本发明提供的实现图1所述方法的供气系统的结构示意图。如图2所示，在硬件上，供气系统包括依次相连的驱动器2、控制器1、供气系统和压力传感器9，并且压力传感器9还和控制器1相连接。

供气系统由气路管道8将涡轮3、单向膜片4、模拟肺5、吸气阀6和呼气阀7结合起来组成而成。

控制器1对吸气阀6和呼气阀7进行控制，实现对模拟肺5的吸气和呼气进行控制。

同时，控制器1通过对涡轮驱动器2的控制，实现对涡轮3转速的控制。具体的，在实际的控制过程中，由于涡轮3的转速Speed和控制器1控制涡轮驱动器2输出的电压或者电流呈一定的线性比例关系，所以，可以通过控制器1对涡轮驱动器2的控制实现对涡轮3转速的间接控制。

压力传感器9实时监测气路管道8内的压力，并把监测结果传递给控制器1。

于本实施例中，作为优选方式，控制器1选用单片机。另外，也可以选用其它的控制装置。

图3为本发明提供的通气过程中压力-时间关系示意图。如图3所示，横坐标代表时间，纵坐标代表压力。在计算涡轮目标转速时，引入了一个控制变量β。

β=P/t

其中：

P代表气道压力，

t代表气道内压力上升到P所需要的时间，

β代表在t时间内压力上升到P所形成的直线的斜率。

在图3中，在目标时间t0内压力上升到目标压力P所形成的直线的斜率为β，从时间t1到时间t2这段时间内上升到目标压力P所形成的直线的斜率为β2，其中斜率β和斜率β2的值相等。也就是说，从t1时刻到t2时刻这段时间内上升到目标压力P的涡轮转速，与其后的阶段从t时刻到t0时刻这段时间内上升到目标压力P的涡轮转速，两者是相同的。

由于在单位时间内涡轮的转速和患者所需要的目标体积决定了气道内压力上升的速度，按照不同的涡轮的特性，先通过测量，可以得到如下函数：β=f(Speed,V)，如果测量结果有多个值，则通过拟合得出以上函数。并且每个涡轮的公式是不同的。其中，β代表在t0时间内压力上升到P所形成的直线的斜率，Speed代表在t0时间内压力达到目标压力P所需要的最小转速，V代表在t0时间内压力上升到P时的气道体积。

在实际的控制过程中，由于涡轮的转速Speed和控制器1控制涡轮驱动器2输出的电压或者电流呈一定的线性比例关系，所以，可以通过控制器1控制涡轮驱动器2的电压或者电流的输出量，实现控制器1对涡轮3转速的间接控制。

在预设目标通气时间内气道内压力达到预设目标压力时所需的涡轮最小转速的计算是本发明的主要部分，涡轮最小转速的计算过程如下所示：

当本系统设定一个需要输出并维持的目标压力P和一个压力上升时间t0时，如图3所示，根据涡轮保持压力的特性，我们将近似地得到一条曲线。在该图中，t0是目标压力上升时间，P是需要输出并维持的目标压力P。通过该设定，可以求得目标斜率β=P/t0。

根据不同涡轮的特性，该涡轮的预设最低转速为Speed1。在第一次通气中，以已知并可控的Speed1进行通气，通气时间为t1。如图3所示。通过这个阶段的通气，可以求得该段曲线的斜率为β1=P1/t1。其中，P1为在t1时间内所能达到的气道压力，由气道内的压力传感器获得。所述t1的值小于t0并且大于设备的最短反应时间。

根据预设最低转速为Speed1和计算得出的斜率β1的值，并通过公式β=f(Speed,V)，可以求得目标患者的气道体积V。

根据求得目标斜率β，及气道体积V，再次根据公式β=f(Speed,V)，可以求得在t0时间内压力达到目标压力P所需要的最小转速，也就是我们的目标转速。

以上为涡轮最小转速的计算过程，在接下来一阶段的通气中，为了加快第一次通气的响应速度，从t1开始，控制器1按最小转速进行调整并通气，并于t2时间达到目标压力P，如图3所示。到此，第一次通气吸气部分结束，通过第一次吸气通气，求得了在目标时间内达到目标转速所需要的最小转速。

在呼气阶段，涡轮3转速将降低为预设最低转速Speed1。

在以后的通气中，直接以第一次通气计算得出的涡轮最小转速进行通气即可。非常方便。

图1为本发明提供的以控制输出压力为目标的涡轮控制方法的流程图。如图1所示，涡轮控制方法如下：

步骤S00、麻醉机或呼吸机进入输出压力控制模式。

步骤S10、判断单元判断是否为第一次通气周期，如果是，则执行步骤S20，否则，执行步骤S70。

步骤S20、所述麻醉机或呼吸机进入第一次通气周期的吸气阶段，控制单元控制涡轮以预设的第一转速进行转动，以对气道进行充气，同时所述控制单元控制计时装置检测通气时间，并实时获取所述通气时间。

步骤S30、所述判断单元判断通气时间是否达到预设通气时间（t1），如果是，则执行步骤S40，否则，执行步骤S20。

步骤S40、所述控制单元控制压力传感器检测当前气道内压力值（P1）。

步骤S50、数据处理单元根据当前的通气时间t1、当前气道内压力值P1、预设目标压力P、以及从零气压开始达到预设目标压力所需的预设目标通气时间t0，计算出气道内压力从零气压开始达到所述预设目标压力P涡轮所需的第二转速。

步骤S60、所述控制单元控制所述涡轮以第二转速进行转动，以对气道进行充气，同时所述控制单元控制压力传感器检测气道内压力值，并获取所述气道内压力值。

步骤S70、判断单元判断步骤S60检测到的气道内压力值是否达到所述预设目标压力P，如果是，则执行步骤S80，否则，执行步骤S60。

步骤S80、所述麻醉机或呼吸机进入呼气阶段，控制单元控制涡轮以第一转速进行转动，直至所述呼气阶段结束。

步骤S90、所述判断单元判断所述输出压力控制模式是否被终止，如果未被终止，所述麻醉机或呼吸机进入下一通气周期，返回步骤S10；如果被终止，所述输出压力控制模式结束。

于本实施例中，作为优选，步骤S50中至少包括以下步骤：

步骤S51、数据处理单元根据所述预设通气时间t1和步骤S40检测到的气道内压力值P1，通过公式β1=P1/t1计算出该段曲线的斜率β1。

步骤S52、数据处理单元根据步骤S20中涡轮运转的预设第一转速，以及步骤S51中计算出的曲线的斜率β1，通过公式β=f(Speed,V)，计算出气道体积V。

于本实施例中，作为优选，步骤S50中至少还包括以下步骤：

步骤S53、数据处理单元根据预设目标压力P和达到所述预设目标压力P所需的预设目标通气时间t0，通过公式β=P/t0求得目标斜率β。

步骤S54、数据处理单元根据步骤S52中计算出的气道体积V，再结合步骤S53中计算出的目标斜率β，根据公式β=f(Speed,V)，计算出在预设目标通气时间t0内气道内压力达到预设目标压力P，涡轮所需的最小转速，即第二转速。

于本实施例中，所述第一转速为预设最低转速，所述第一转速小于所述第二转速；进一步的，控制涡轮驱动器输出与第一转速或第二转速对应的电压或电流，控制涡轮以第一转速或第二转速进行转动。

于本实施例中，计算每个涡轮最低转速时，所用到的公式β=f(Speed,V)不同；作为优选，计算每个涡轮最低转速时，所用到的公式β=f(Speed,V)，通过统计和数据拟合得到。

于本实施例中，作为优选，所述气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速通过显示单元显示出来。

以上所有以控制输出压力为目标的涡轮控制方法均可以应用到呼吸机或麻醉机中。

该方法以控制涡轮的实际转速为目标，根据目标压力的不同，输出合适的涡轮转速。本装置不仅去掉了硬件系统中的比例阀，降低了系统成本；同时，通过实时调节涡轮转速，让涡轮时刻工作在合适的转速下，大大降低了使用过程中的涡轮磨损，提高了涡轮的实际使用寿命。

本发明还公开了一种实现以上以控制输出压力为目标的涡轮控制方法的控制装置，包括以下单元：

检测单元、所述检测单元至少包括检测气道内压力的压力传感器、以及检测通气时间的计时装置。

控制单元、所述控制单元控制涡轮驱动器向涡轮输出与涡轮转速对应的电压或电流，并控制计时装置检测通气时间，以及控制压力传感器检测气道内压力值。

判断单元、判断单元判断是否第一次进入输出压力控制模式模式，并判断通气时间是否达到预设通气时间阈值，以及判断检测到的气道内压力值是否达到目标压力。

计算单元、计算单元根据检测到的通气时间和气道内压力值，计算出气道体积，并进一步根据预设目标压力和达到预设目标压力所需的预设目标通气时间，结合气道体积，计算出气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速。

于本实施例中，作为优选，所述的控制装置还包括显示单元，用于显示气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速，方便操作人员观察所计算出的涡轮所需的最小转速。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于，包括以下单元：

检测单元：所述检测单元至少包括检测气道内压力的压力传感器，以及检测通气时间的计时装置；

控制单元：所述控制单元控制涡轮驱动器向涡轮输出与涡轮转速对应的电压或电流，并控制计时装置检测通气时间，以及控制压力传感器检测气道内压力值；

判断单元：判断单元判断是否为第一次通气周期,判断输出压力控制模式是否被终止，并判断通气时间是否达到预设通气时间阈值，以及判断检测到的气道内压力值是否达到目标压力；

数据处理单元：数据处理单元根据检测到的通气时间和气道内压力值，计算出气道体积，并进一步根据预设目标压力和达到预设目标压力所需的预设目标通气时间，结合气道体积，计算出气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速。

2.根据权利要求1所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于：还包括显示单元，用于显示气道内压力达到目标压力涡轮所需的最小转速。

3.根据权利要求1所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于：所述以控制输出压力为目标的涡轮控制装置执行以下步骤以控制输出压力：

步骤S00：麻醉机或呼吸机进入输出压力控制模式；

步骤S10：判断单元判断是否为第一次通气周期，如果是，则执行步骤S20，否则，执行步骤S70；

步骤S20:所述麻醉机或呼吸机进入第一次通气周期的吸气阶段，控制单元控制涡轮以预设的第一转速进行转动，以对气道进行充气，同时所述控制单元控制计时装置检测通气时间，并实时获取所述通气时间；

步骤S30:所述判断单元判断通气时间是否达到预设通气时间t1，如果是，则执行步骤S40，否则，执行步骤S20；

步骤S40:所述控制单元控制压力传感器检测当前气道内压力值P1；

步骤S50:数据处理单元根据当前的通气时间、当前气道内压力值P1、预设目标压力P、以及从零气压开始达到预设目标压力所需的预设目标通气时间t0，计算出气道内压力从零气压开始达到所述预设目标压力P涡轮所需的第二转速；

步骤S60:所述控制单元控制所述涡轮以第二转速进行转动，以对气道进行充气，同时所述控制单元控制压力传感器检测气道内压力值，并获取所述气道内压力值；

步骤S70:判断单元判断步骤S60检测到的气道内压力值是否达到所述预设目标压力P，如果是，则执行步骤S80，否则，执行步骤S60；

步骤S80:所述麻醉机或呼吸机进入呼气阶段，控制单元控制涡轮以第一转速进行转动，直至所述呼气阶段结束；

步骤S90:所述判断单元判断所述输出压力控制模式是否被终止，如果未被终止，所述麻醉机或呼吸机进入下一通气周期，返回步骤S10；如果被终止，所述输出压力控制模式结束。

4.根据权利要求3所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于，所述以控制输出压力为目标的涡轮控制装置在执行的步骤S50中至少包括以下步骤：

步骤S51:数据处理单元根据所述预设通气时间t1和步骤S40检测到的气道内压力值P1，通过公式β1＝P1/t1计算出曲线的斜率β1；

步骤S52:数据处理单元根据步骤S20中涡轮运转的预设第一转速，以及步骤S51中计算出的曲线的斜率β1，通过公式β＝f(Speed,V)，计算出气道体积V，其中，β为斜率，Speed为转速。

5.根据权利要求4所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于，所述以控制输出压力为目标的涡轮控制装置在执行的步骤S50中还至少包括以下步骤：

步骤S53:数据处理单元根据预设目标压力P和达到所述预设目标压力P所需的预设目标通气时间t0，通过公式β0＝P/t0求得目标斜率β0；

步骤S54:数据处理单元根据步骤S52中计算出的气道体积V，再结合步骤S53中计算出的目标斜率β0，根据公式β＝f(Speed,V)，计算出在预设目标通气时间t0内气道内压力达到预设目标压力P，涡轮所需的最小转速，即第二转速。

6.根据权利要求4或5所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于：所述第一转速为预设最低转速，所述第一转速小于所述第二转速,并且，所述预设目标通气时间t0大于所述预设通气时间t1；控制涡轮驱动器输出与第一转速或第二转速对应的电压或电流，控制涡轮以第一转速或第二转速进行转动。

7.根据权利要求4或5所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于：计算每个涡轮最低转速时，所用到的公式β＝f(Speed,V)不同；或者，计算每个涡轮最低转速时，所用到的公式β＝f(Speed,V)，通过统计和数据拟合得到。

8.根据权利要求3所述的以控制输出压力为目标的涡轮控制装置，其特征在于：涡轮的转速和涡轮驱动器输出的电压或者电流呈一定的线性比例关系。