CN105232048A

CN105232048A - 主流式多种呼吸气体浓度实时监测装置及方法

Info

Publication number: CN105232048A
Application number: CN201510589432.5A
Authority: CN
Inventors: 杨嘉琛; 陈波波; 周建雄
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2016-01-13

Abstract

本发明公开了一种主流式多种呼吸气体浓度实时监测装置及方法：通过设计呼吸管道便于监测呼吸气体浓度；呼吸管道设计主要包括监测窗口的设计；呼吸管道和呼吸电路相结合组成一个便携式监测模块；利用脉冲信号控制红外光源亮灭，使四通道热释电传感器输出周期固定的调制信号；利用各个通道的波峰和波谷电压差值获取各个通道的交流分量；利用校正方程对三个测量通道的测量数据进行调整，得到二氧化碳通道调整后的数值；一氧化二氮通道调整后的数值；醚氛类麻醉气体通道调整后的数值；利用标定实验获取的系数和三阶多项式分别求取不同气体的浓度。本发明能够快捷、稳定、准确地实现多种呼吸气体浓度的监测。

Description

主流式多种呼吸气体浓度实时监测装置及方法

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种主流式多种呼吸气体浓度实时监测装置及方法。

背景技术

临床监测过程中对人呼吸二氧化碳浓度实时监测可以准确掌握人体新陈代谢情况，另外在手术过程中，对一氧化二氮和醚氛类麻醉气体等麻醉气体浓度实时监测可以为医生施加麻醉提供重要信息指导。目前，由于传感器的限制，少数能够实现多种呼吸气体浓度实时监测的设备主要通过抽取呼吸气体到旁流式监测模块中进行，因而存在延时和波形失真。另外在浓度测量过程中，旁流式监测利用电动机带动滤光轮旋转，使单通道传感器在不同时间接收不同波长的红外信号。由于该种监测方法存在机械振动，因而测量精度差且难以小型化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种主流式多种呼吸气体浓度实时监测装置及方法，克服现有技术中旁流式多种呼吸气体浓度监测方法中存在延时失真，并且测量精度差且难以小型化的问题。

本发明的技术方案是：一种主流式呼吸多种气体浓度实时监测装置，由上位机、呼吸管道和监测模块组成，所述上位机为通用计算机或监护仪，呼吸气流从进气口进入管道，经过出气口流出，气体通过监测窗口组成的气室，所述监测模块包括红外光源和四通道热释电传感器，分别置于监测窗口上，红外光经过气室被呼吸气体吸收，并最终被四通道热释电传感器监测，四通道热释电传感器的四个通道分别为参考通道、二氧化碳通道、一氧化二氮通道、醚氛类麻醉气体通道，分别对无气体吸收的3.95um，被二氧化碳吸收的4.26um，被一氧化二氮吸收的4.5um和被醚氛类麻醉气体吸收的8.3um波段的红外光强度进行测量；传感器的输出信号经过滤波放大电路滤波放大后送入数据采集电路中进行数据采集，并通过串口电路将采集数据发送到上位机中进行处理，在上位机上显示出多种气体浓度的波形。

一种主流式呼吸多种气体浓度实时监测方法，包括如下步骤：

(1)首先对整个系统进行一个上电预热过程，预热时间1分钟；

(2)利用脉冲信号控制红外光源亮灭，使四通道热释电传感器输出周期固定的调制信号；

(3)对各个通道的波峰电压或波谷电压进行采集；

(4)利用各个通道的波峰和波谷电压差值获取各个通道的交流分量，得到参考通道交流分量V_ar、二氧化碳通道交流分量V_ac、一氧化二氮通道交流分量V_an、醚氛类麻醉气体通道交流分量V_am；

(5)利用校正方程对三个测量通道的测量数据进行调整，得到二氧化碳通道调整后的数值D_c＝a₁₁·V_ar+a₁₂·V_ac+a₁₃·V_an+a₁₄·V_am；一氧化二氮通道调整后的数值D_n＝a₂₁·V_ar+a₂₂·V_ac+a₂₃·V_an+a₂₄·V_am；醚氛类麻醉气体通道调整后的数值D_m＝a₃₁·V_ar+a₃₂·V_ac+a₃₃·V_an+a₃₄·V_am，其中a_ij为通过标定实验确定的系数；

(6)利用标定实验获取的系数b_ij和三阶多项式分别求取不同气体的浓度，其中二氧化碳浓度

C_{c} = b_{10} + b_{11} \cdot D_{c} + b_{12} \cdot D_{c}^{2} + b_{13} \cdot D_{c}^{3};

一氧化二氮浓度

C_{n} = b_{20} + b_{21} \cdot D_{n} + b_{22} \cdot D_{n}^{2} + b_{23} \cdot D_{n}^{3};

醚氛类麻醉气体浓度

C_{m} = b_{30} + b_{31} \cdot D_{m} + b_{32} \cdot D_{m}^{2} + b_{33} \cdot D_{m}^{3} .

本发明的有益效果为：

(1)针对目前旁流式监测存在延时失真和机械振动等问题，本发明采用直接在病人呼吸管道进行监测的方式，并利用四通道热释电传感器分别对：无气体吸收的3.95um，被二氧化碳吸收的4.26um，被一氧化二氮吸收的4.5um和被醚氛类麻醉气体吸收的8.3um波段红外光强度进行测量。

(2)针对热释电传感器对光强信号响应弱的问题，本发明使用调制技术使传感器输出周期固定的调制信号，便于通过带通滤波放大电路改善信号信噪比。

(3)针对主流式监测呼吸气流强度变化会对浓度监测造成干扰，本发明将各通道的直流成分去除，仅保留交流成分。

(4)针对呼吸气流中水蒸气对气体监测造成干扰，以及不同监测气体之间也存在相互干扰，本发明利用校正方程组对各通道交流分量进行调整。

(5)针对元器件的非线性使传感器输出信号与理论计算之间存在明显的偏差，本发明利用三阶多项式函数对调整后的交流分量进行拟合，从而确定不同监测气体浓度。

附图说明

图1主流式多种呼吸气体浓度实时监测装置结构示意图；

图2本发明多种呼吸气体浓度监测方法流程；

图3主流式多种呼吸气体浓度监测装置呼吸电路示意图；

其中：1、进气口；2、出气口；3、气室；4、四通道热释电传感器；5、红外光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的气体浓度监测方法针对主流式多种呼吸气体浓度监测而提出，下面给出本发明适用的监测系统组成。

该主流式多种呼吸气体浓度监测系统由上位机、呼吸管道和监测模块组成。上位机为通用计算机或监护仪。呼吸管道如图1所示，呼吸气流从进气口1进入管道，经过出气口2流出，气体通过监测窗口组成的气室3，红外光源5和四通道热释电传感器4分别置于监测窗口，红外光经过气室被呼吸气体吸收，并最终被四通道热释电传感器监测。监测模块除了呼吸管道还包括呼吸电路，如图3所示，主要有微控制器电路、放大电路以及串口通信电路。传感器的输出信号经过滤波放大电路滤波放大后送入数据采集电路中进行数据采集，并通过串口电路将采集数据发送到上位机中进行处理，在上位机上显示出多种气体浓度的波形。

本发明的主流式多种呼吸气体浓度监测方法按如下过程获取多种气体浓度波形：

(1)监测模块利用脉冲信号控制光源亮灭，使四通道传感器输出周期固定的调制信号，该信号经过带通滤波放大后送入数据采集电路。

(2)当调制信号达到波峰或波峰值时，数据采集电路开始对各个通道的波峰电压Vh或波谷电压Vl进行采集，并将采集的数据被送入到上位机。

(3)上位机利用波峰和波谷电压差值获取各个通道的交流分量：Va＝(Vh-Vl)/2，从而得到参考通道交流分量Var、二氧化碳通道交流分量Vac、一氧化二氮通道交流分量Van、醚氛类麻醉气体通道交流分量Vam。

(4)利用校正方程对三个测量通道的测量数据进行调整，得到二氧化碳通道调整后的数值D_c＝a₁₁·V_ar+a₁₂·V_ac+a₁₃·V_an+a₁₄·V_am；一氧化二氮通道调整后的数值D_n＝a₂₁·V_ar+a₂₂·V_ac+a₂₃·V_an+a₂₄·V_am；醚氛类麻醉气体通道调整后的数值D_m＝a₃₁·V_ar+a₃₂·V_ac+a₃₃·V_an+a₃₄·V_am。其中aij为通过标定实验确定的系数。

(5)利用标定实验获取的系数bij和三阶多项式分别求取不同气体的浓度，其中二氧化碳浓度

C_{c} = b_{10} + b_{11} \cdot D_{c} + b_{12} \cdot D_{c}^{2} + b_{13} \cdot D_{c}^{3};

一氧化二氮浓度

C_{n} = b_{20} + b_{21} \cdot D_{n} + b_{22} \cdot D_{n}^{2} + b_{23} \cdot D_{n}^{3};

醚氛类麻醉气体浓度

C_{m} = b_{30} + b_{31} \cdot D_{m} + b_{32} \cdot D_{m}^{2} + b_{33} \cdot D_{m}^{3} .

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种主流式呼吸多种气体浓度实时监测装置，由上位机、呼吸管道和监测模块组成，其特征在于，所述上位机为通用计算机或监护仪，呼吸气流从进气口进入管道，经过出气口流出，气体通过监测窗口组成的气室，所述监测模块包括红外光源和四通道热释电传感器，分别置于监测窗口上，红外光经过气室被呼吸气体吸收，并最终被四通道热释电传感器监测，四通道热释电传感器的四个通道分别为参考通道、二氧化碳通道、一氧化二氮通道、醚氛类麻醉气体通道，分别对无气体吸收的3.95um，被二氧化碳吸收的4.26um，被一氧化二氮吸收的4.5um和被醚氛类麻醉气体吸收的8.3um波段的红外光强度进行测量；传感器的输出信号经过滤波放大电路滤波放大后送入数据采集电路中进行数据采集，并通过串口电路将采集数据发送到上位机中进行处理，在上位机上显示出多种气体浓度的波形。

2.一种主流式呼吸多种气体浓度实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先对整个系统进行一个上电预热过程，预热时间1分钟；

(3)对各个通道的波峰电压或波谷电压进行采集；

C_{c} = b_{10} + b_{11} \cdot D_{c} + b_{12} \cdot D_{c}^{2} + b_{13} \cdot D_{c}^{3};

一氧化二氮浓度

C_{n} = b_{20} + b_{21} \cdot D_{n} + b_{22} \cdot D_{n}^{2} + b_{23} \cdot D_{n}^{3};

醚氛类麻醉气体浓度

C_{m} = b_{30} + b_{31} \cdot D_{m} + b_{32} \cdot D_{m}^{2} + b_{33} D_{m}^{3} .