CN106039607B - 一种数字式呼吸跟随供氧系统及其供氧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式呼吸跟随供氧系统，包括：呼吸节律传感器、高度传感器、微控制器、D/A转换器和比例阀，微控制器输入端分别连接高度传感器和呼吸节律传感器，比例阀通过输氧管道连通氧源和氧气面罩。本发明还公布了一种数字式呼吸跟随供氧系统的供氧方法，包括以下步骤：检测人体肺呼吸深度P；检测人体肺呼吸周期T；根据呼吸深度P和呼吸周期T通过预先设置在微处理器中的数学模型计算得出肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）；微控制器将获得的肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）转化为电信号发送至D/A转换器；利用D/A转换器根据电信号强弱控制比例阀的开启程度。提高氧气的使用率及用氧者的舒适度。

Description

一种数字式呼吸跟随供氧系统及其供氧方法

技术领域

本发明涉及航空供氧领域，具体的说，是一种数字式呼吸跟随供氧系统及其供氧方法。

背景技术

航空器随着飞行高度的增加其周围环境的氧气越稀薄，为了保证飞行员具有良好的氧气供应，通常在航空器座舱内均安装有供氧系统。目前，国内氧气调节器的供氧方式主要采用以下两种方式：即连续式供氧和断续式供氧。连续式供氧是向使用者连续不间断地供氧，这种供氧方式，不能将氧源中的氧气进行分隔，其一会造成氧气的大量浪费，其二在氧源中的氧气未完全耗尽的情况下，对氧源中的氧气会造成污染，人体呼出的二氧化碳等会混合到氧源中，不能保持氧源中氧气的洁净程度。断续式供氧通常采用机械气动式结构来实现，在使用者吸气时供氧，呼气时断氧。这种供氧方式避免了氧源中氧气的污染和浪费问题，改善了氧气利用率，但由于采用机械气动结构，存在呼吸流阻大，呼吸费力等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字式呼吸跟随供氧系统，用于解决现有的供氧装置或者供氧系统存在氧气浪费大，有效利用率低、对氧源存在污染以及供氧需求者吸入氧气流阻大，不易吸入的问题；本发明还提供了一种数字式呼吸跟随供氧系统的供氧方法，用于精确的控制氧气的供给量，根据不同供氧需求者的需求量进行自动按需供应，解决了供氧过程中氧气的污染、浪费和不易吸入的诸多问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种数字式呼吸跟随供氧系统，所述系统包括：依次连接的氧源、供氧控制装置和氧气面罩，所述供氧控制装置包括安装在供氧控制装置内部的高度传感器、呼吸节律传感器、微控制器、D/A转换器和比例阀，所述微控制器的输入端分别连接所述高度传感器和呼吸节律传感器，所述微控制器的输出端依次连接所述D/A转换器和比例阀，所述比例阀通过输氧管道连通氧源和氧气面罩。

优选地，所述供氧控制装置还包括设置在供氧控制装置面板上并分别与微控制器连接的四刀双掷应急开关、防错插接头座、电源开关。

优选地，所述防错插接头座包括设置方形凹槽的氧源进气口和设置圆形凹槽的氧气输出口，所述氧源通过带有方接头的输氧管与氧源进气口连接且所述方接头形状与方形凹槽相适应；所述氧气面罩通过带有圆接头的输氧管与氧气输出口连接且所述圆接头与圆形凹槽形状相适应; 圆形凹槽其横截面呈圆形且圆形直径为D，方形凹槽横截面呈方形且方形边长为S，对角线的长度为A，A＞D＞S。

优选地，所述氧源进气口、氧气输出口均设置自锁机构；所述自锁机构包括设置连接孔与定位孔的压片、使压片横向往复运动的压片弹簧、纵向设置的止动销、以及外套于止动销并使其纵向往复运动的止动销弹簧；所述连接孔与氧源进气口的气道或氧气输出口的气道匹配；所述定位孔与止动销匹配。

优选地，所述氧气面罩上分别设置带有单向阀的吸气孔和出气孔且氧气面罩通过输氧管与氧气输出口连接。

优选地，所述比例阀与氧气输出口一一对应设置。

一种数字式呼吸跟随供氧系统的供氧方法，包括以下步骤：

1.1检测人体肺呼吸深度P；

1.2检测人体肺呼吸周期T；

1.3根据呼吸深度P和呼吸周期T通过预先设置在微处理器中的数学模型计算得出肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）；

1.4微控制器将获得的肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）转化为电信号发送至D/A转换器；

1.5利用D/A转换器根据电信号的强弱控制比例阀的开启程度。

优选地，所述步骤1.1中的呼吸深度P通过呼吸节律传感器检测获得，所述呼吸节律传感器安装在供氧控制装置内，所述呼吸深度P氧气面罩内压力与外压力之差，氧气面罩内压力为P1，外压力为P2，P=P1-P2。

优选地，所述步骤1.2中的呼吸周期T通过呼吸节律传感器与微控制器中的定时单元检测获得。

优选地，所述步骤1.3中所述的肺通气量Flow∑与呼吸深度P的数学模型关系为：Flow∑=a*P^2+b*|P|+c（a,b,c为常值）；所述氧流量Flow（O2）的计算公式为：Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）,其中，K、K1的值为定值，PA为标准大气压，PB为所在高度压力，即Flow（O2）=K*（a*P^2+b*|P|+c）*（PA-PB）/（PB-K1）。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过传感器和D/A转换器实现对不同供氧需求者的氧气需求的检测和自动供应，解决了现有供氧装置在供氧过程中存在氧气浪费、氧源污染以及供氧不畅的问题。

（2）本发明能够自动通过高度传感器获知供氧需求者所处环境因高度变化而产生的空气含氧浓度的变化，从而自动调整氧气的供应量。

（3）本发明能够对供氧需求者的呼吸频率进行捕捉，在吸气时按需供应，在呼气时自动关闭，杜绝了氧气的浪费和氧源污染。

附图说明

图1为本发明的机构连接示意框图；

图2为本发明在吸气状态时的工作原理图；

图3为本发明在呼气状态时的工作原理图；

图4为呼吸特性曲线示意图；

图5为供氧控制装置结构示意图；

其中1-比例阀；2-氧气面罩；3-座舱；4-氧源；5-大气接口；6-电源开关；7-四刀双掷应急开关；8-防错插接头座；9-氧气输出口；10-氧源进气口；91-止动销；92-圆形凹槽；93-压片；101-方形凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1-5所示，一种数字式呼吸跟随供氧系统，所述系统包括：依次连接的氧源4、供氧控制装置和氧气面罩2，所述供氧控制装置包括安装在供氧控制装置内部的高度传感器、呼吸节律传感器、微控制器、D/A转换器和比例阀1，所述微控制器的输入端分别连接所述高度传感器和呼吸节律传感器，所述微控制器的输出端依次连接所述D/A转换器和比例阀1，所述比例阀1通过输氧管道连通氧源4和氧气面罩2。

本实施例中，所述供氧控制装置还包括设置在供氧控制装置面板上并分别与微控制器连接的四刀双掷应急开关7、防错插接头座8、电源开关6。

本实施例中，所述防错插接头座8包括设置方形凹槽101的氧源进气口10和设置圆形凹槽92的氧气输出口9，所述氧源4通过带有方接头的输氧管与氧源进气口10连接且所述方接头形状与方形凹槽101相适应；所述氧气面罩2通过带有圆接头的输氧管与氧气输出口9连接且所述圆接头与圆形凹槽92形状相适应; 圆形凹槽92其横截面呈圆形且圆形直径为D，方形凹槽101横截面呈方形且方形边长为S，对角线的长度为A，A＞D＞S。

本实施例中，所述氧源进气口10、氧气输出口9均设置自锁机构；所述自锁机构包括设置连接孔与定位孔的压片93、使压片93横向往复运动的压片弹簧、纵向设置的止动销91、以及外套于止动销91并使其纵向往复运动的止动销弹簧；所述连接孔与氧源进气口10的气道或氧气输出口9的气道匹配；所述定位孔与止动销91匹配。

本实施例中，所述氧气面罩2上分别设置带有单向阀的吸气孔和出气孔且氧气面罩通过输氧管与氧气输出口9连接。

本实施例中，所述比例阀1与氧气输出口9一一对应设置。

工作原理：

系统的工作状态分为吸气状态和呼气状态，当供氧需求者戴上氧气面罩2进行呼吸时，微控制器通过呼吸节律传感器采样与氧气面罩2连接的输氧管内的压强，即呼吸深度P，所述呼吸深度P的取值为吸气时输氧管中产生的压力P1与氧气面罩2外部压力P2的差值，呼气时同理， P=P1-P2。由P确定呼吸深度信号。高度传感器采样系统所在实时高度压力（PB），PA为标准大气压,通过氧流量公式Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）自动计算不同呼吸深度和不同高度下的供氧量，并将其转换成对应的电信号，以正弦方式控制D/A转换器输出，驱动比例阀1开启，使得氧气从比例阀1流到氧气面罩2中，实现吸气供氧的功能。若P值越大，表明呼吸深度越深，而PB的值越小，表明高度越高，则相对应的D/A转换器输出电压越大，比例阀1的驱动电流越大，输出的氧流量越大，反之则输出的氧流量越小，从而实现了呼吸跟随的功能。当为呼气状态时（P﹥0），微控制器控制D/A转换器输出电压为0，关闭比例阀1，从而切断氧气流到氧气面罩，达到了呼气断氧的目的，从而氧源4中的未使用氧气可完整保存不会受到任何污染和浪费。

供氧需求者将供氧氧气面罩2摘下后，呼吸节律传感器感受不到呼吸信号（P= 0），比例阀1处于关断状态，氧气输出自动切断。

因此，实现了供氧需求者带上供氧氧气面罩2吸气即供氧，取下供氧氧气面罩2自动断氧，省去了输出管路上的通断阀门和相应操作。

当出现系统供氧异常、需要紧急供氧的异常情况或者系统自动供氧失败等，供氧需求者可以通过四刀双掷应急开关将自动模式切换到应急模式，此时，比例阀1不受D/A转换器控制，直接连通氧源4向供氧需求者供氧。

值得说明的是，由于多数航空器（民用飞机除外）的座舱3不能做到绝对的密封，因此为了达到氧气面罩2中进入大气和氧源4中供应的纯氧混合后的浓度达到理想比例，所述高度传感器5安装在与大气相同的位置，客观的检测所在高度的大气的氧气浓度和气压等信息。若使用本发明的环境为绝对的密封环境，所处环境不会因为高度的变化而影响其大气压强和含氧量，则此时所述高度传感器则不需要和大气连通。

实施例2：

结合附图1-4所示，一种数字式呼吸跟随供氧系统的供氧方法，包括以下步骤：

1.1检测人体肺呼吸深度P；

1.2检测人体肺呼吸周期T；

1.3根据呼吸深度P和呼吸周期T通过预先设置在微处理器中的数学模型计算得出肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）；

1.4微控制器将获得的肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）转化为电信号发送至D/A转换器；

1.5利用D/A转换器根据电信号的强弱控制比例阀1的开启程度。

本实施例中，所述步骤1.1中的呼吸深度P通过呼吸节律传感器检测获得，所述呼吸节律传感器安装在供氧控制装置内，所述呼吸深度P氧气面罩内压力与外压力之差，氧气面罩内压力为P1，外压力为P2，P=P1-P2。

本实施例中，所述步骤1.2中的呼吸周期T通过呼吸节律传感器与微控制器中的定时单元检测获得。

本实施例中，所述步骤1.3中所述的肺通气量Flow∑与呼吸深度P的数学模型关系为：Flow∑=a*P^2+b*|P|+c（a,b,c为常值）；所述氧流量Flow（O2）的计算公式为：Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）,其中，K、K1的值为定值，PA为标准大气压，PB为所在高度压力，即Flow（O2）=K*（a*P^2+b*|P|+c）*（PA-PB）/（PB-K1）。

例如：

当P=-0.2mbar，PB=70.09KPa（海拔3000米对应的气压值），代入公式得：Flow∑=9.95L/Min， Flow（O2）=1.3L/Min；

当P=-0.7mbar，PB=41.04KPa（海拔7000米对应的气压值），代入公式得：Flow∑=19.75L/Min，Flow（O2）=9.3L/Min；

将上述值代入氧浓度计算公式F（O2）%=（（0.21* Flow∑+ Flow（O2））/ Flow∑）*100%，得到3000米和7000米的面罩内氧浓度F（O2）%=34%，F（O2）%=68%，其浓度值符合《急性缺氧防护生理要求》在各海拔高度上所需氧浓度的规定。

同理，在其他条件为定值的情况下且常数取PB=40Kpa时的对应值，当氧气需求者为成年人或者刚刚进行过运动时，深吸气时P=-1mbar，PB=40Kpa，人别代入公式：Flow∑=a*P^2+b*|P|+c和Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）得Flow∑=14.75L/Min，Flow（O2）=5.28L/Min；

当氧气需求者为小孩儿或者正在休息时，深吸气时P=-0.42mbar，PB=40Kpa，人别代入公式：Flow∑=a*P^2+b*|P|+c和Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）得Flow∑=7.62L/Min，Flow（O2）=2.36L/Min；

由此可得，当其他条件均为定值时，仅仅是氧气需求者的呼吸深度不同，供氧量随着呼吸深度的增加而增加，达到按需供给的目的。

值得说明的是：人体的呼吸特性曲线类似于正弦波，因此本发明采用正弦函数驱动D/A转换器控制比例阀1输出，输出的供氧波形与人体吸气时波形一致（吸气时供氧，呼气时断氧）。

设正弦函数y=Asin(wt)，其中A=K *Flow（O2），w=2*π/T，代入正弦函数，得y=K *Flow（O2）*sin((2*π/T)*t)。

其中，K为常数，Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1），T为呼吸周期，t为瞬时时间。

微控制器中自带定时器功能，当用氧人戴上面罩开始呼吸时，启动定时器，直到下一个呼吸时读取定时器的值，得到用氧人的呼吸周期（T）。T值越大，表明呼吸周期越长，呼吸频率越慢，控制器控制阀门输出的氧流量时间越长，反之，呼吸周期越短，呼吸频率越快，输出的氧流量时间越短。

微控制器采用中断方式每隔一段时间输出一个瞬时值到D/A转换器，驱动比例阀1打开。例如定时器值设为30ms，则t的取值为30,60,90……

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字式呼吸跟随供氧系统，其特征在于，所述系统包括：依次连接的氧源（4）、供氧控制装置和氧气面罩（2），所述供氧控制装置包括安装在供氧控制装置内部的高度传感器、呼吸节律传感器、微控制器、D/A转换器和比例阀（1），所述微控制器的输入端分别连接所述高度传感器和呼吸节律传感器，所述微控制器的输出端依次连接所述D/A转换器和比例阀（1），所述比例阀（1）通过输氧管道连通氧源（4）和氧气面罩（2）；

微控制器通过安装在所述供氧控制装置内的呼吸节律传感器检测获得呼吸深度P；通过呼吸节律传感器与微控制器中的定时单元检测获得呼吸周期T；通过高度传感器采样系统所在实时高度压力PB；

所述呼吸深度P为氧气面罩（2）内压力与外压力之差，氧气面罩（2）内压力为P1，氧气面罩（2）外压力为P2，P=P1-P2；

根据呼吸深度P和呼吸周期T通过预先设置在微处理器中的数学模型计算得出肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）；

所述的肺通气量Flow∑与呼吸深度P的数学模型关系为：Flow∑=a*P^2+b*|P|+c；a,b,c为常值；

所述氧流量Flow（O2）的计算公式为：Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）；其中，K、K1的值为定值，PA为标准大气压，PB为实时高度压力，即Flow（O2）=K*（a*P^2+b*|P|+c）*（PA-PB）/（PB-K1）；

微控制器将获得的肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）转化为电信号发送至D/A转换器；

利用D/A转换器根据电信号的强弱控制比例阀（1）的开启程度。

2.根据权利要求1所述的一种数字式呼吸跟随供氧系统，其特征在于，所述供氧控制装置还包括设置在供氧控制装置面板上并分别与微控制器连接的四刀双掷应急开关（7）、防错插接头座(8)、电源开关（6）。

3.根据权利要求2所述的一种数字式呼吸跟随供氧系统，其特征在于，所述防错插接头座（8）包括设置方形凹槽（101）的氧源进气口（10）和设置圆形凹槽（92）的氧气输出口（9），所述氧源（4）通过带有方接头的输氧管与氧源进气口（10）连接且所述方接头形状与方形凹槽（101）相适应；所述氧气面罩（2）通过带有圆接头的输氧管与氧气输出口（9）连接且所述圆接头与圆形凹槽（92）形状相适应; 圆形凹槽（92）其横截面呈圆形且圆形直径为D，方形凹槽（101）横截面呈方形且方形边长为S，对角线的长度为A，A＞D＞S。

4.根据权利要求3所述的一种数字式呼吸跟随供氧系统，其特征在于，所述氧源进气口（10）、氧气输出口（9）均设置自锁机构；所述自锁机构包括设置连接孔与定位孔的压片（93）、使压片（93）横向往复运动的压片弹簧、纵向设置的止动销（91）、以及外套于止动销（91）并使其纵向往复运动的止动销弹簧；所述连接孔与氧源进气口（10）的气道或氧气输出口（9）的气道匹配；所述定位孔与止动销（91）匹配。

5.根据权利要求3所述的一种数字式呼吸跟随供氧系统，其特征在于，所述氧气面罩（2）上分别设置带有单向阀的吸气孔和出气孔且氧气面罩通过输氧管与氧气输出口（9）连接。

6.根据权利要求5所述的一种数字式呼吸跟随供氧系统，其特征在于， 所述比例阀（1）与氧气输出口（9）一一对应设置。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种数字式呼吸跟随供氧系统的供氧方法，其特征在于：包括以下步骤：

1.1检测人体肺呼吸深度P；所述呼吸深度P通过呼吸节律传感器检测获得；所述呼吸深度P为氧气面罩（2）内压力与外压力之差，氧气面罩（2）内压力为P1，氧气面罩（2）外压力为P2，P=P1-P2；

1.2检测人体肺呼吸周期T；所述呼吸周期T通过呼吸节律传感器与微控制器中的定时单元检测获得；

1.3根据呼吸深度P和呼吸周期T通过预先设置在微处理器中的数学模型计算得出肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）；

所述的肺通气量Flow∑与呼吸深度P的数学模型关系为：

Flow∑=a*P^2+b*|P|+c；a,b,c为常值；

所述氧流量Flow（O2）的计算公式为：Flow（O2）=K*Flow∑*（PA-PB）/（PB-K1）；其中，K、K1的值为定值，PA为标准大气压，PB为实时高度压力，

即Flow（O2）=K*（a*P^2+b*|P|+c）*（PA-PB）/（PB-K1）；

1.4微控制器将获得的肺通气量Flow∑和所需氧流量Flow（O2）转化为电信号发送至D/A转换器；

1.5利用D/A转换器根据电信号的强弱控制比例阀（1）的开启程度。

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