CN105078462B - 估算气阻和顺应性的方法和装置 - Google Patents

估算气阻和顺应性的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种估算气阻和顺应性的方法，所述方法包括：实时采集呼吸回路的压力值和流速值；利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；将所述控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将所述控制周期内的流速值作为所述传递函数的输入值，估算所述传递函数的系数；根据所述传递函数的系数计算所述呼吸回路的气阻和顺应性。采用本方法能够克服传感器精度限制，采样周期内流速不恒定问题和减弱流速滞后和流速相互干扰所造成的影响，提高气阻和顺应性的估算精度，为有效提高压力控制通气的准确性提供了保障。此外还提供一种估算气阻和顺应性的装置。

Description

估算气阻和顺应性的方法和装置
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种估算气阻和顺应性的方法和装置。
背景技术
呼吸机主要对呼吸障碍的病人提供新鲜的空气，其中肺的顺应性和肺的阻力是两个重要的参数。肺的顺应性和肺的阻力(即气阻)不仅能表征病人肺的状况，而且可以用来建立呼吸回路的数学模型，对压力控制通气及其扩展通气模式的准确性和精度起着决定性作用。目前肺的顺应性和管道的阻力很难直接计算，一般情况使用流过呼吸回路的流速值和压力值进行估算。在估算的过程中，一般以呼出端压力传感器获取的压力值为气道压力，吸入端流量传感器和呼出端流量传感器获取的流量值的差为流速值，使用如下两种方法：
方法一：基于呼吸回路压力公式,使用多次气道压力p和流速v的采样值，运用最小二乘法直接估算气阻R和顺应性C；
方法二：建立系统的RC呼吸力学模型，基于该模型的Z域的传递函数(其中：a1,b0,b1,b2是需要估算的系数)，使用气道压力p和流速v的采样值，运用最小二乘法估算气阻R和顺应性C。
由于控制阀的性能决定了部分采样周期内的流速并不是恒定的，流速从流量传感器到压力传感器需要时间，当前流速值可能被上一个控制周期的流速值干扰以及受到传感器精度的限制，导致上述两种方法的估算精度不高，影响了呼吸机压力控制通气的准确性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够克服传感器精度限制，采样周期内流速不恒定问题和减弱流速的滞后性与流速间相互影响，提高气阻和顺应性的估算精度，为有效提高压力控制通气的准确性提供保障的估算气阻和顺应性的方法和装置。
一种估算气阻和顺应性的方法，所述方法包括：
实时采集呼吸回路的压力值和流速值；
利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；
利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；
将所述控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将所述控制周期内的流速值作为所述传递函数的输入值，估算所述传递函数的系数；
根据所述传递函数的系数计算所述呼吸回路的气阻和顺应性。
在其中一个实施例中，所述呼吸回路包括吸气支路和呼气支路，所述第一公式为：
其中Pn为第n个控制周期的压力值，pinsp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的吸气支路压力值，pexp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的呼气支路压力值，k2和k3分别为系数且为常数。
在其中一个实施例中，所述第二公式为：
其中Fn为第n个控制周期的流速值，finsp(i)为控制周期内第i个吸气支路流速值，fexp(i)为控制周期内第i个呼气支路流速值，s(i)为控制周期内第i个实际流速值finsp(i)-fexp(i)与控制周期内平均流速的差的平方占该控制周期内流速方差的百分比，k1为系数且为常数，n为控制周期内采样值的个数。
在其中一个实施例中，在所述实时采集呼吸回路的压力值和流速值的步骤之后，还包括：
根据采集到的压力值与实际流速值对应的容积值绘制所述呼吸回路的压力-容积曲线；
获取所述压力-容积曲线中的拐点；
根据所述拐点将所述采集到的压力值和流速值分别进行分段；
根据预设规则调节每个段内对应的第一公式和第二公式的系数，并根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
在其中一个实施例中，在所述实时采集呼吸回路的压力值和流速值的步骤之前，还包括：
获取所述控制阀在控制周期内的开度值，并根据所述开度值调节所述呼吸回路的流速值。
一种估算气阻和顺应性的装置，所述装置包括：
采集模块，用于实时采集呼吸回路的压力值和流速值；
压力值估算模块，用于利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；
流速值估算模块，用于利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；
系数估算模块，用于将所述控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将所述控制周期内的流速值作为所述传递函数的输入值，估算所述传递函数的系数；
计算模块，用于根据所述传递函数的系数计算所述呼吸回路的气阻和顺应性。
在其中一个实施例中，所述呼吸回路包括吸气支路和呼气支路，所述第一公式为：
其中Pn为第n个控制周期的压力值，pinsp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的吸气支路压力值，pexp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的呼气支路压力值，k2和k3分别为系数且为常数。
在其中一个实施例中，所述第二公式为：
其中Fn为第n个控制周期的流速值，finsp(i)为控制周期内第i个吸气支路流速值，fexp(i)为控制周期内第i个呼气支路流速值，s(i)为控制周期内第i个实际流速值finsp(i)-fexp(i)与控制周期内平均流速的差的平方占该控制周期内流速方差的百分比，k1为系数且为常数，n为控制周期内采样值的个数。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
曲线绘制模块，用于根据采集到的压力值与实际流速值对应的容积值绘制所述呼吸回路的压力-容积曲线；
获取模块，用于获取所述压力-容积曲线中的拐点；
分段模块，用于根据所述拐点将所述采集到的压力值和流速值分别进行分段；
分段估算模块，用于根据预设规则调节每个段内对应的第一公式和第二公式的系数，并根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
开度调节模块，用于获取所述控制阀在控制周期内的开度值，并根据所述开度值调节所述呼吸回路的流速值。
估算气阻和顺应性的方法和装置，实时采集呼吸回路的压力值和流速值；利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；将控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将控制周期内的流速值作为传递函数的输入值，估算传递函数的系数；根据传递函数的系数计算呼吸回路的气阻和顺应性。由于采集到的压力值与第一公式估算出控制周期内的压力值，采集到的流速值与第二公式估算出控制周期内的流速值，将控制周期内的压力值和控制周期内的流速值引入呼吸力学模型的传递函数，而不是将实时采集到的压力值和流速值直接用于呼吸力学模型的传递函数，由此克服了传感器精度的限制采样周期内流速不恒定问题和减弱流速的滞后性与流速间相互影响，有效的降低气体在呼吸回路中的滞后性以及相互干扰所带来的影响。将控制周期内的压力值和流速值引入该传递函数来估算传递函数的系数，并根据传递函数的系数来计算呼吸回路的气阻和顺应性，由此提高了气阻和顺应性的估算精度，从而为有效提高压力控制通气的准确性提供了保障。
附图说明
图1为一个实施例中估算气阻和顺应性方法的流程图；
图2为一个实施例中呼吸回路的示意图；
图3-1为一个实施例中呼吸力学模型的结构示意图；
图3-2为又一个实施例中呼吸力学模型的结构示意图；
图3-3为另一个实施例中呼吸力学模型的结构示意图；
图3-4为再一个实施例中呼吸力学模型的结构示意图；
图4为一个实施例中容积-压力曲线示意图；
图5为一个实施例中估算气阻和顺应性的装置的结构示意图；
图6为又一个实施例中估算气阻和顺应性的装置的结构示意图；
图7为另一个实施例中估算气阻和顺应性的装置的结构示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种估算气阻和顺应性的方法，该方法包括：
步骤102，实时采集呼吸回路的压力值和流速值。
呼吸回路包括吸气支路和呼气支路，设置在呼吸机或者麻醉机上。呼吸回路的示意图如图2所示，其中吸气支路202上设有第一压力传感器204，在吸气支路的开始设有第一流量传感器206，第一流量传感器的一侧设有控制阀208。呼气支路210上设有第二压力传感器212，在呼气支路上还设有第二流量传感器214。第一压力传感器204、第一流量传感器206、第二压力传感器212、第二流量传感器214以及控制阀208分别与控制器216相连接。吸气支路和呼气支路通过Y型管218相连接，并通过Y型管218与病人相连。以呼吸机上的呼吸回路为例，其中吸气支路中的气体为氧气和空气的混合气体，呼气支路中的气体为病人呼出的气体。
呼吸回路的压力值包括吸气支路压力值和呼气支路压力值，呼吸回路的流速值包括吸气支路流速值和呼气支路流速值。在呼吸周期的吸气阶段，在采样周期内，同时启动第一压力传感器、第一流量传感器、第二压力传感器和第二流量传感器开始工作，也就是利用第一压力传感器采集吸气支路中气体的压力值，利用第一流量传感器采集吸气支路中气体的流速值，利用第二压力传感器采集呼气支路中气体的压力值，利用第二流量传感器采集呼气支路中气体的流速值。采集到的呼吸回路的压力值和流速值，也称作是采样数据。如果采样数据能够准确反映呼吸回路中的原始压力值和原始流速值，则可以认为是实时采集呼吸回路的压力值和流速值。
步骤104，利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值。
在其中一个实施例中，第一公式为：其中Pn为第n个控制周期的压力值，pinsp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的吸气支路压力值，pexp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的呼气支路压力值，k2和k3分别为常数。具体的，k2可以为0或者1，k3可以为0或者1。
步骤106，利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值。
在其中一个实施例中，第二公式为：其中Fn为第n个控制周期的流速值，finsp(i)为控制周期内第i个吸气支路流速值，fexp(i)为控制周期内第i个呼气支路流速值，s(i)为控制周期内第i个实际流速值finsp(i)-fexp(i)与控制周期内平均流速的差的平方占该控制周期内流速方差的百分比，k1为常数，n为控制周期内采样值的个数。具体的，k1可以为0或者1。
步骤108，将控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将控制周期内的流速值作为传递函数的输入值，估算传递函数的系数。
呼吸力学模型的结构示意图可以采用图3-1、图3-2、图3-3和图3-4中的任意一种来表示。以图3-1为例，呼吸力学模型的传递函数可以是Z域的传递函数其中a1、b0、b1和b2是需要估算的系数。将控制周期内的压力值作为传递函数的输出值，将控制周期内的流速值作为传递函数的输入值，实际上G(Z)＝输出值/输入值＝压力值/流速值。使用吸气前n个控制周期内分别获得的压力值和流速值，运用最小二乘法估算出传递函数的系数，即估算出a1、b0、b1和b2的值。
步骤110，根据传递函数的系数计算呼吸回路的气阻和顺应性。
传递函数的系数可以计算出呼吸力学模型中元件值，根据呼吸力学模型中元件之间的连接关系来计算对应的等效电阻和等效电容，即可得到呼吸回路的总气阻和总顺应性。以图3-1为例，第一电阻R1与第一电容C1串联构成第一支路，第二电阻R2与第二电容C2串联构成第二支路，第一支路与第二支路并联。传递函数中的a1、b0、b1和b2中任何一个值都可以看作是以R1、R2、C1和C2为变量的函数，根据第一电阻、第一电容、第二电阻和第二电容的连接关系，计算得到等效电阻值和等效电容值。其中等效电阻值即为呼吸回路的总气阻，等效电容即为呼吸回路的总顺应性。
本实施例中，实时采集呼吸回路的压力值和流速值；利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；将控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将控制周期内的流速值作为传递函数的输入值，估算传递函数的系数；根据传递函数的系数计算呼吸回路的气阻和顺应性。由于采集到的压力值与第一公式估算出控制周期内的压力值，采集到的流速值与第二公式估算出控制周期内的流速值，将控制周期内的压力值和控制周期内的流速值引入呼吸力学模型的传递函数，而不是将实时采集到的压力值和流速值直接用于呼吸力学模型的传递函数，由此克服了传感器精度的限制采样周期内流速不恒定问题和减弱流速的滞后性与流速间相互影响，有效的降低气体在呼吸回路中的滞后性以及相互干扰所带来的影响。将控制周期内的压力值和流速值引入该传递函数来估算传递函数的系数，并根据传递函数的系数来计算呼吸回路的气阻和顺应性，由此提高了气阻和顺应性的估算精度，从而为有效提高压力控制通气的准确性提供了保障。
在一个实施例中，在实时采集呼吸回路的压力值和流速值的步骤之前，还包括：获取控制阀在控制周期内的开度值，并根据开度值调节呼吸回路的流速值。
本实施例中，不同类型的控制阀的响应时间不同，控制阀的控制周期要根据控制阀的响应时间和控制效果来确定。为了实现较好的控制效果，控制周期一般为10ms～20ms。进一步依据控制阀的响应时间在控制周期的占比情况来确定呼吸回路压力值和流速值的采样频率，采样频率为控制频率的倍数。采样周期的选取会依赖控制阀的响应时间占控制周期的比例来确定，比如占比为50％，采样周期会选择为0.2*控制周期。
通过调节控制阀的电流值可以调节控制阀的开度值，电流值增加，则控制阀的开度值相应增加，相应的呼吸回路的流速值会增加。控制器在每个一个控制周期末会更改开度值，例如在第一控制周期内开度值为30％，在第二控制周期内开度值更改为40％。通过更改开度值，能够实现呼吸回路中的第一压力传感器和第二压力传感器检测到的压力值恒定，进而实现压力控制通气。
在一个实施例中，在实时采集呼吸回路的压力值和流速值的步骤之后，还包括：根据采集到的压力值与实际流速值对应的容积值绘制呼吸回路的压力-容积曲线；获取压力-容积曲线中的拐点；根据拐点将采集到的压力值和流速值分别进行分段；根据预设规则调节每个段内对应的第一公式和第二公式的系数，并根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
本实施例中，实际流速值是指finsp(i)-fexp(i)。根据吸气支路流速值与呼气支路流速值的差以及采样时间，计算出与每个实际流速值相对应的容积值。其中，容积值＝(吸气支路流速值-呼气支路流速值)*采样时间，根据呼气支路压力和容积值生成呼吸回路的压力-容积曲线。由于呼吸回路较长，流速从第一流量传感器到第二压力传感器需要时间以及当前流速值可能被上一个控制周期的流速值干扰，为了准确表征每个控制周期的流速值和压力值，因此需要将采集到的压力值和流速值进行分段处理，具体的，可以根据压力-容积曲线中的拐点对采集到的压力值和流速值分别进行分段。在不同的段内的根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
以压力-容积曲线中的吸气支路曲线中存在一个拐点为例，如图4所示。吸气相曲线与呼气相曲线有两个交点，A点和B点。其中P点为吸气相曲线的拐点，具体的，通过判断当前采样周期内容积的变化值Δv(n)与压力的变化值Δp(n)的比值与上一个采样周期内容积的变化值Δv(n-1)与压力的变化值Δp(n-1)的比值是否大于阈值，若是，则表示吸气支路曲线中存在拐点即P点，根据P点可以将采集到的压力值和流速值分别分为两段。第一段对应A点与P点之间，第二段对应P点与B点。预设规则可以是，在A点与P点之间即第一段内k1＝0，k2＝1，k3＝1，在P点与B点之间即第二段内k1＝1，k2＝1，k3＝0。在第一段内，根据第一公式取k2＝1，k3＝1，来估算内各个的控制周期内的压力值。根据第二公式取k1＝0，来估算各个的控制周期内的流速值。在第二段内，根据第一公式取k2＝1，k3＝0，来估算内各个的控制周期内的压力值。根据第二公式取k1＝1，来估算各个的控制周期内的流速值。由于将采集到的压力值和流速值进行分段，并对每个段内的第一公式和第二公式的系数分别进行调节，由此根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。从而能够更真实的表征控制周期内的压力值和流速值，进一步提高了估算呼吸回路的总气阻和总顺应性的精度。
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种估算气阻和顺应性的装置，该装置包括：采集模块502、压力值估算模块504、流速值估算模块506、系数估算模块508和计算模块510，其中：
采集模块502，用于实时采集呼吸回路的压力值和流速值。
压力值估算模块504，用于利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值。在一个实施例中，呼吸回路包括吸气支路和呼气支路，第一公式为：其中Pn为第n个控制周期的压力值，pinsp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的吸气支路压力值，pexp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的呼气支路压力值，k2和k3分别为系数且为常数。
流速值估算模块506，用于利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值。在一个实施例中，第二公式为：其中Fn为第n个控制周期的流速值，finsp(i)为控制周期内第i个吸气支路流速值，fexp(i)为控制周期内第i个呼气支路流速值，s(i)为控制周期内第i个实际流速值finsp(i)-fexp(i)与控制周期内平均流速的差的平方占该控制周期内流速方差的百分比，k1为系数且为常数，n为控制周期内采样值的个数。
系数估算模块508，用于将控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将控制周期内的流速值作为传递函数的输入值，估算传递函数的系数。
计算模块510，用于根据传递函数的系数计算呼吸回路的气阻和顺应性。
在一个实施例中，如图6所示，该装置还包括：曲线绘制模块512、获取模块514、分段模块516和分段估算模块518，其中：
曲线绘制模块512，用于根据采集到的压力值与实际流速值对应的容积值绘制呼吸回路的压力-容积曲线。
获取模块514，用于获取压力-容积曲线中的拐点。
分段模块516，用于根据拐点将采集到的压力值和流速值分别进行分段。
分段估算模块518，用于根据预设规则调节每个段内对应的第一公式和第二公式的系数，并根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
在一个实施例中，如图7所示，该装置还包括开度调节模块520用于获取控制阀在控制周期内的开度值，并根据开度值调节呼吸回路的流速值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种估算气阻和顺应性的方法，所述方法包括：
实时采集呼吸回路的压力值和流速值；所述呼吸回路包括吸气支路和呼气支路；
利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；所述第一公式为：其中Pn为第n个控制周期的压力值，pinsp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的吸气支路压力值，pexp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的呼气支路压力值，k2和k3分别为系数且为常数；
利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；所述第二公式为：其中Fn为第n个控制周期的流速值，finsp(i)为控制周期内第i个吸气支路流速值，fexp(i)为控制周期内第i个呼气支路流速值，s(i)为控制周期内第i个实际流速值finsp(i)-fexp(i)与控制周期内平均流速的差的平方占该控制周期内流速方差的百分比，k1为系数且为常数，n为控制周期内采样值的个数；
将所述控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将所述控制周期内的流速值作为所述传递函数的输入值，估算所述传递函数的系数；
根据所述传递函数的系数计算所述呼吸回路的气阻和顺应性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述实时采集呼吸回路的压力值和流速值的步骤之后，还包括：
根据采集到的压力值与实际流速值对应的容积值绘制所述呼吸回路的压力-容积曲线；
获取所述压力-容积曲线中的拐点；
根据所述拐点将所述采集到的压力值和流速值分别进行分段；
根据预设规则调节每个段内对应的第一公式和第二公式的系数，并根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，在所述实时采集呼吸回路的压力值和流速值的步骤之前，还包括：
获取控制阀在控制周期内的开度值，并根据所述开度值调节所述呼吸回路的流速值。
4.一种估算气阻和顺应性的装置，其特征在于，所述装置包括：
采集模块，用于实时采集呼吸回路的压力值和流速值；所述呼吸回路包括吸气支路和呼气支路；
压力值估算模块，用于利用采集到的压力值和第一公式估算控制周期内的压力值；所述第一公式为：其中Pn为第n个控制周期的压力值，pinsp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的吸气支路压力值，pexp为当前控制周期结束时或者下一个控制周期起始时的呼气支路压力值，k2和k3分别为系数且为常数；
流速值估算模块，用于利用采集到的流速值和第二公式估算控制周期内的流速值；所述第二公式为：其中Fn为第n个控制周期的流速值，finsp(i)为控制周期内第i个吸气支路流速值，fexp(i)为控制周期内第i个呼气支路流速值，s(i)为控制周期内第i个实际流速值finsp(i)-fexp(i)与控制周期内平均流速的差的平方占该控制周期内流速方差的百分比，k1为系数且为常数，n为控制周期内采样值的个数；
系数估算模块，用于将所述控制周期内的压力值作为呼吸力学模型的传递函数的输出值，将所述控制周期内的流速值作为所述传递函数的输入值，估算所述传递函数的系数；
计算模块，用于根据所述传递函数的系数计算所述呼吸回路的气阻和顺应性。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
曲线绘制模块，用于根据采集到的压力值与实际流速值对应的容积值绘制所述呼吸回路的压力-容积曲线；
获取模块，用于获取所述压力-容积曲线中的拐点；
分段模块，用于根据所述拐点将所述采集到的压力值和流速值分别进行分段；
分段估算模块，用于根据预设规则调节每个段内对应的第一公式和第二公式的系数，并根据系数调节后的第一公式来估算每个段内控制周期内的压力值以及根据系数调节后的第二公式来估算每个段内控制周期内的流速值。
6.根据权利要求4-5任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
开度调节模块，用于获取控制阀在控制周期内的开度值，并根据所述开度值调节所述呼吸回路的流速值。
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