CN107866012A - 一种智能脉冲供氧装置 - Google Patents

Abstract

一种智能脉冲供氧装置，包括氧气源、与氧气源连接的供氧通道、用于调节供供氧压力和供氧量的调节模块和呼吸器具，调节模块包括调节阀组、调节控制器；调节控制器包括装于供氧通道上的电磁阀，高度传感器，压力传感器，呼吸传感器，微控制器；电磁阀进口分别连接供氧通道的进气接头、压力传感器检测端，电磁阀出口分别连接供氧通道的出气接头、呼吸传感器的呼吸压力检测端；呼吸传感器输出端、高度传感器输出端、压力传感器输出端分别与微控制器输入端连接；呼吸器具装于供氧通道的出气接头处。本装置可根据使用海拔高度、人体呼吸频率及人体血氧饱和度等指标自适应调自动调整供氧浓度、流量和时间，以满足人体的用氧需求，从而保证人体安全。

Description

一种智能脉冲供氧装置

技术领域

一种智能脉冲供氧装置，属于供氧领域，主要应用于在缺氧环境下的氧气补充，如高原缺氧地区或高空缺氧环境。

背景技术

在高原、高空大气中，氧气的比例仍旧是20.9%，但是随着海拔高度增加，大气压力降低，空气密度减小，大气中氧分压相应降低，导致动脉血氧饱和度下降，产生缺氧。当肺泡氧分压高于8kPa（60mmHg）时，缺氧症状较轻，表现为头痛、头昏、心慌、气促、恶心、呕吐、乏力、失眠、眼花、嗜睡、手足麻木、唇指发绀、心率增快等症状；如果肺泡氧分压低于8kPa（60mmHg）时，即海拔高度达到3000m以上时，容易产生重度缺氧，严重者出现高原昏迷，甚至危及生命。

采用供氧装置对处于缺氧环境中的人员供氧可有效降低缺氧症状的发生，现有便携式供氧装置所采用氧气调节器多为连续供氧，即在人呼吸的全过程均供氧。人吸气周期的约三分之一时间为吸气阶段，其余三分之二时间约为呼气或呼吸间隙阶段，则至少三分之二的氧气未被利用而造成浪费，从而降低了有限气源的时间。特殊场合下会使用肺式供氧装置，即在人体吸气阶段供氧，呼吸阶段停止供氧。但根据呼吸生理学原理，在吸气阶段进入呼吸系统的氧气大部分停留在呼吸系统的死腔，未进入肺部参与气体交换，同时氧气进入小肺泡囊中比在大肺泡囊中的交换效率更高，因此脉冲供氧是在吸气的极早期高速输出氧气，氧气能够迅速扩散进入小肺泡囊中，避免了长时间停留于气管和大肺泡囊中，提高了氧气的使用效能，脉冲供氧是迄今为止效用最高的供氧技术。

同时现有供氧装置仅根据人体呼吸状况和海拔环境进行供氧，但不能根据供氧效果进行调节供氧量满足人体的用于需求，如不能根据人体的心率和血压等生理指标有效调整供氧量，造成供氧装置的智能化程度和供氧效率较低下。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，针对缺氧环境提供一种高效、高集成度的智能供氧装置。

本发明的技术方案是：包括氧气源、与氧气源连接的供氧通道、用于调节供氧压力和供氧量的调节模块和呼吸器具，所述调节模块包括调节阀组、调节控制器；所述调节控制器包括装于供氧通道上的电磁阀，用于采集外界环境海拔高度信号的高度传感器，用于采集供氧通道进口处压力的压力传感器，用于采集供氧通道出口处压差值的呼吸传感器，用于在每一包络时间内当供氧通道出口处压差值由高降低到供氧阈值时控制电磁阀开启一次的时间达到供氧时间后关闭的微控制器；所述电磁阀进口分别连接供氧通道的进气接头、压力传感器检测端，电磁阀出口分别连接供氧通道的出气接头、呼吸传感器的呼吸压力检测端；所述呼吸传感器输出端、高度传感器输出端、压力传感器输出端分别与微控制器输入端连接；所述呼吸器具装于供氧通道的出气接头处。

所述电磁阀经驱动模块与微控制器连接。

所述电磁阀为气体控制电磁阀。

所述微控制器上连接有用于当计时器计时达到呼吸暂停报警时间进行呼吸暂停报警、用于当电磁阀开启时呼吸传感器的呼吸压力检测端为负压进行供氧故障报警的报警器，所述报警器包括指示灯、声报警器。

所述微控制器上还连有电源、模式调节按钮、血氧饱和度信号采集模块。

所述呼吸器具为鼻吸管或面罩。

所述调节阀组、调节控制器串联装于供氧通道。调节阀组是机械阀组，将高压氧气降低为低压氧气，调节控制器是电子调节设备，可根据实际需要调整供氧量。

所述调节阀组包括截止阀模块、减压阀模块、充氧阀、安全阀、压力表。

本发明中高纯度氧气压缩贮存在高压气瓶内，经调节阀组将高压氧气减压为低压氧气，同时由调节控制器控制供氧量，最后通过呼吸器具对人体供氧。在使用者吸气时，调节控制器内的呼吸传感器检测到压差信号，并传递到微控制器内，微控制器根据相应控制算法控制电磁阀的开启时间，并以脉冲供氧方式在吸气初期向使用者供氧，且本装置可根据使用海拔高度、人体呼吸频率及人体血氧饱和度等指标自适应调自动调整供氧浓度、流量和时间，以满足人体的用氧需求，从而保证人体安全。本供氧装置可广泛应用于在缺氧环境下的氧气补充从而满足人体的用氧需求，如高原缺氧地区或高空缺氧环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是调节控制器的结构原理图。

图3是调节控制器正常工作时控制时序图。

图4是调节控制器呼吸暂停检测时序图。

图5是调节控制器供氧故障时控制时序图。

具体实施方式

图1、2中，本发明由氧气源1、调节阀组2 、调节控制器8和呼吸器具9等四大部件构成。高浓度氧气压缩贮存在氧气源如高压气瓶内，经调节阀组2将高压氧气减压为低压氧气，调节控制器8根据人员呼吸情况和使用环境通过调整供氧量，氧气最后通过呼吸器具9对人体供氧。

调节控制器8可在人体吸气前期以脉冲方式提供适量氧气满足人体的用氧需求，且可根据环境海拔、进气口压力和人体呼吸频率自适应调整供氧量，同时也可接入血氧饱和度信号采集模块14，根据人体血氧饱和度调整供氧量。

血氧饱和度信号采集模块14可通过无线或有线方式与调节控制器8通信，采集人体血氧饱和度信号。

氧气源可以利用高压氧气瓶，也可以是分子筛制氧机、薄膜制氧机等，本发明不限于高压氧气源。利用氧气压缩机将高纯度氧气压缩贮存在高压气瓶内，经调节阀组2将高压氧气减压为低压氧气后由调节控制器8控制供氧量，最后通过呼吸器具9对人体供氧。

高压气瓶用于储存高压氧气，采用碳纤维缠绕复合材料气瓶，高压气瓶先采用有限元分析和仿真设计技术对碳纤维缠绕复合材料气瓶进行模拟仿真设计和计算，使气瓶的长径比和耐压能力等达到最优。然后依据设计的尺寸制造铝合金内胆，再用T-700或T-1000型碳纤维材料在高压气瓶自动缠绕机上对铝合金内胆进行缠绕，并后用玻璃纤维丝再次进行缠绕即得到成品，最后对气瓶进行水压强度试验等必要的检验。

调节阀组2进气端与氧气源相连，调节阀组2出气口与调节控制器8相连。调节阀组2主要包括截止阀模块4和减压阀模块6，同时集成充氧阀3、压力表5、安全阀7等部件：

a)截止阀模块4用于控制主气路的开闭；

b)减压阀模块6采用活塞式减压阀，用于将高压氧气减压为稳定的低压氧气；

c)充氧阀3采用单向充氧阀，用于向高压气瓶充氧；

d)压力表5采用弹簧管式压力表，用于指示高压气瓶内剩余气体压力；

e)安全阀7采用采用正拱形爆破片，由镍合金材料制成，在高压气瓶1内压力过高时爆破泄压，防止高压气瓶1内压力过高发生危险。

调节控制器8用于调节供氧量，主要由电磁阀21、呼吸传感器23、电源及开关18、微控制器13、高度传感器15、灯光提示/报警装置16、声控报警装置17、血氧饱和度信号采集模块14和模式调节按钮24等主要部件构成。模式调节按钮24可用于选择不同的供氧气模式，例如大流量供氧模式、省氧供氧模式或紧急供氧模式。

在使用者吸气时，呼吸传感器23检测到压差信号，并传递到微控制器13内，微控制器13根据相应控制算法控制电磁阀21的开启时间，并以脉冲供氧方式在吸气初期向使用者供氧，且供氧装置可根据使用海拔高度、人体呼吸频率及人体血氧饱和度等指标自适应调整供氧量满足人体的用氧需求。智能脉冲供氧装置在使用者吸气的初期以脉冲方式供氧，在使用者吸气的其他时间段及呼气的时间段内电磁阀21处于关闭状态开。电磁阀21的开启时间则由海拔高度、呼吸频率、血氧饱和度及所选择的供氧模式来共同确定：

a)随着使用海拔高度的升高增大供氧量；

b)随着呼吸频率的增加单次供氧量降低，但提高单位时间段内供氧量；

c)随着血氧保护度的降低增大供氧量；

d)根据不同的供氧模式调整供氧量。

调节控制器8实时监测人体的心跳和血压，以及血氧饱和浓度以及呼吸频率，再结合所处环境海拔高度，调整供氧量，达到最佳保护人员的效果同时能最大效率的利用氧气。由于人体素质的千差万别，仅限于海拔高度来调整供氧量，对需求氧量大的会造成供氧不足，对需氧量小的人员造成氧气浪费。

调节控制器8中有关的生理参数可以根据医学结论设定正常值，也可以根据各人情况不同自行设定更加严苛或更加宽泛的各项生理参数，根据监测的参数与设定值的偏离程度的来调控供氧量，会最大程度上满足人体的实际需求，从而避免仅依靠海拔高度单一参数来调节供氧的缺点。

血氧饱和度信号采集模块14采用安装在可佩戴在手腕或气体身体部位用于检测人体血氧饱和度，并通过无线方式（Wifi或蓝牙等）与调节控制器8通信，血氧饱和度信号采集模块14为调节控制器8的选配模块，当调节控制器8未检测到血氧饱和度信号采集模块14连接到系统时，微控制器13则不根据血氧饱和度调节供氧量。

呼吸器具采用鼻吸管，该部件主要由鼻塞12、调节圈10及导管11等组成。鼻吸管的材质为符合GB15593要求的软聚氯乙烯，并经环氧乙烷灭菌，确保符合人体生理指标要求。

本发明正常工作时的控制时序如图3所示。具体检测和控制流程如下：

1)时刻（a）吸气开始，呼吸腔内与外界环境产生负压，呼吸传感器23为负电平。

2)为防止传感器信号波动干扰设定供氧阈值，时刻（b）压差值由高降低到供氧阈值，微控制器13判定产生吸气动作，微控制器13控制电磁阀21开启向呼吸腔内供氧。呼吸腔内产生正压，呼吸传感器23为正电平，同时包络时间开始计时。

3)在时刻（c）达到供氧时间，微控制器13控制电磁阀21关闭停止向呼吸腔内供氧。

4)呼吸传感器23持续检测呼吸腔内气体压力，微控制器13达到设定的包络时间值后才可判断下次吸气动作。

5)重复上述检测和控制流程。

设置包络时间的目的是防止在一次吸气过程中多次供气，微控制器13通过检测呼吸传感器23电平由高降低到设定的供氧阈值来判定吸气状态。在时刻（c）供氧结束，呼吸传感器23由高电平降低为负电平，且低于设定的供氧阈值，若仅通过呼吸传感器23电位的高低来判定认为此时处于吸气阶段，则导致误判。为达到在一次呼吸中电磁阀21仅开启供氧一次的正常工作流程，在微控制器13中设置包络时间，在一个包络时间段内，电磁阀21只能够开启供氧一次，即使在包络时间段内检测到满足呼吸传感器23满足吸气条件，电磁阀21仍不会开启供气，从而确保一次吸气过程中仅供气一次。

当呼吸传感器在一次正常呼吸供氧后未能检测到下次呼吸时，电子氧气调节器微控制器13会判定系统发生呼吸暂停事件，进而采取声光报警告知用户。呼吸暂停的检测时序如图4所示，具体如下：

1)微控制器13实时检测呼吸腔内压差值，判断呼吸动作。时刻（b）呼气动作结束，呼吸暂停计时器开始计时。

2)时刻（c）计时器计时达到设定的呼吸暂停报警时间（20s）仍未检测到下一次吸气，则判定系统发生呼吸暂停事件，通过声光报警提醒用户。若计时时间小于设定的呼吸暂停报警时间，电子氧气调节器正常工作。

3)时刻（d）微控制器13检测到下一次吸气，呼吸暂停事件结束，同时停止相应的声光报警，电子氧气调节器恢复正常工作控制模式。

电子氧气调节器微控制器13实时检测吸气的供氧情况，当吸气过程中未检测到电磁阀供氧时，系统则通过声光报警提醒用户，供氧报警可能是由于气瓶开关未开、氧源耗尽、电子氧气调节器进气管路阻断或断开、电磁阀故障等造成。供氧故障的检测时序如图5所示，具体检测和控制流程如下：

1)时刻（a）至时刻（d）微控制器13检测到呼吸动作，微控制器13给电磁阀21供电，正常供氧，供氧过程中呼吸传感器23检测呼吸腔内为正压，则判定为正常供氧；

2)时刻（e）微控制器13检测到下一次吸气动作，微控制器13给电磁阀21供电，供电过程中呼吸传感器23检测呼吸腔内仍为负压，则判定为供氧故障，进而通过声光报警提醒用户；

3)直到检测到下次呼吸时系统正常供氧，则判定供氧故障事件结束，同时停止相应的声光报警，电子氧气调节器恢复正常工作控制模式。

Claims (8)

1.一种智能脉冲供氧装置，其特征在于：包括氧气源（1）、与氧气源（1）连接的供氧通道、用于调节供氧压力和供氧量的调节模块和呼吸器具（9），所述调节模块包括调节阀组（2）、调节控制器（8）；

所述调节控制器（8）包括装于供氧通道上的电磁阀（21），用于采集外界环境海拔高度信号的高度传感器（15），用于采集供氧通道进口处压力的压力传感器（19），用于采集供氧通道出口处压差值的呼吸传感器（23），用于在每一包络时间内当供氧通道出口处压差值由高降低到供氧阈值时控制电磁阀（21）开启一次的时间达到供氧时间后关闭的微控制器（13）；所述电磁阀（21）进口分别连接供氧通道的进气接头（20）、压力传感器（19）检测端，电磁阀（21）出口分别连接供氧通道的出气接头（22）、呼吸传感器（23）的呼吸压力检测端；所述呼吸传感器（23）输出端、高度传感器（15）输出端、压力传感器（19）输出端分别与微控制器（13）输入端连接；

所述呼吸器具（9）装于供氧通道的出气接头（22）处。

2.根据权利要求1所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述电磁阀（21）经驱动模块与微控制器（1）连接。

3.根据权利要求1所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述电磁阀（21）为气体控制电磁阀。

4.根据权利要求1所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述微控制器（13）上连接有用于当计时器计时达到呼吸暂停报警时间进行呼吸暂停报警、用于当电磁阀（21）开启时呼吸传感器（23）的呼吸压力检测端为负压进行供氧故障报警的报警器，所述报警器包括指示灯（16）、声报警器（17）。

5.根据权利要求1所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述微控制器（13）上还连有电源（18）、模式调节按钮（24）、血氧饱和度信号采集模块（14）。

6.根据权利要求1所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述呼吸器具（9）为鼻吸管或面罩。

7.根据权利要求1所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述调节阀组（2）、调节控制器（8）串联装于供氧通道。

8.根据权利要求1或7所述的智能脉冲供氧装置，其特征在于：所述调节阀组（2）包括截止阀模块（4）、减压阀模块（6）、充氧阀（3）、安全阀（7）、压力表（5）。