CN108939246A - 一种呼吸自适应的便携式制氧机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及保健医疗机械设备领域，公开了一种呼吸自适应的便携式制氧机，包括：制氧单元、自适应脉冲供氧单元和控制单元；制氧单元，用于制取医用浓度的氧气；自适应脉冲供氧单元包括：脉冲供氧单元和呼吸检测单元；脉冲供氧单元包括：供氧管路、电磁阀和三通管件；控制单元根据用户呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T₁时，通过控制单元控制打开电磁阀进行供氧，当达到供氧时长t，通过控制单元控制关闭电磁阀结束供氧。本发明的呼吸自适应的便携式制氧机，能够有效识别用户呼吸动作、使供氧自适应用户的呼吸、准确进行供氧控制。

Description

一种呼吸自适应的便携式制氧机

技术领域

本发明涉及保健医疗机械设备领域，特别是涉及一种呼吸自适应的便携式制氧机。

背景技术

随着PSA制氧技术的成熟和家用制氧机的普及，现在很多需氧用户开始使用制氧机进行补氧，并且随着器件小型化、高效化的发展，整机质量小于5kg的便携式制氧机也已经问世。越来越多的用户开始选择此类便携式制氧机进行出行补氧，扩大了日常的活动范围，也增强了吸氧的舒适便携性。此种制氧机受体积和重量的限制，通常最大供氧量在1000ml/min以下，为了节省氧气提高氧气利用率，很多厂家研发具有脉冲供氧功能的便携制氧机，即在使用者吸气时供氧，呼气时不供氧。

但是目前市场上的该脉冲式供氧制氧机存在着反应灵敏度低，有时吸气不供氧，以及出氧量控制不准确的缺陷。例如，现有的便携制氧机采用按照固定的时间间隔进行脉冲供氧的方式，不能和用户的呼吸进行自动匹配，需要用户的呼吸根据供氧脉冲进行调整，增加了使用者的吸氧负担，氧气的利用率不高；有的便携制氧机采用了一个额外的电磁阀配合流量传感器进行呼吸气流的判断，从而根据呼吸进行脉冲供氧，此类产品的气路和控制都相对复杂，需要随着呼吸的变化改变传感器气路的通断，不能准确确定气路切换的时间点，且延长了用户从吸气到开始供氧的时间，检测呼吸的灵敏度不高，个别呼吸无法捕获。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明为了解决上述不足，提供了一种能够有效识别用户呼吸动作、使供氧自适应用户的呼吸、准确进行供氧控制的呼吸自适应的便携式制氧机。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种呼吸自适应的便携式制氧机，包括：制氧单元、自适应脉冲供氧单元和控制单元；

所述制氧单元，用于制取医用浓度的氧气；

所述自适应脉冲供氧单元包括：脉冲供氧单元和呼吸检测单元；

所述脉冲供氧单元包括：供氧管路、电磁阀和三通管件；

所述供氧管路的第一端与所述制氧单元气路连接，用于将所述制氧单元制取得到的氧气供应至所述供氧管路中；

所述供氧管路的第二端与所述三通管件气路连接，所述三通管件的其中一条支路为出氧口；

所述电磁阀设置在所述供氧管路上；

所述呼吸检测单元与所述三通管件的另一条支路气路连接，用于采集用户呼吸气压信息；

所述控制单元分别与所述电磁阀和所述呼吸检测单元电连接，用于接收所述用户呼吸气压信息，并进行数据处理得到用户呼吸波形曲线数据，根据所述用户呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T₁时，通过所述控制单元控制打开电磁阀进行供氧，当达到供氧时长t，通过所述控制单元控制关闭电磁阀结束供氧。

进一步地，所述控制单元根据所述用户呼吸波形曲线数据，确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t的过程如下：

对所述用户呼吸波形曲线数据进行数据采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，记录时间为T₁，T₁即为供氧时间的起始点；

继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变大的数据、且该段数据中有值大于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气，在第n次结束呼气后出现的开始吸气时间认为是第n+1次呼吸周期的开始点，记录时间为T_n+1，计算呼吸周期为T＝(T_n+1-T₁)/n；

根据所述呼吸周期T，由以下公式计算得到供氧时长t：

t＝α*T+β

其中，t≤T/3；常数α和β分别为通过实验确定的在特定氧脉冲量下的经验值。

进一步地，所述呼吸检测单元包括：差压式传感器，所述差压式传感器与所述控制单元电连接，用于采集用户呼吸气压信息，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户呼吸波形曲线数据。

进一步地，对所述差压式传感器进行校正，校正过程如下：

在非呼吸状态下且无气流干扰时，所述控制单元读取所述差压式传感器的检测值Data1并进行存储；

所述呼吸检测单元进行数据处理之前，获取采集到的所述用户呼吸气压数据与所述检测值Data1的差值，再对该差值经过数据处理单元进行数据处理。

进一步地，在对所述用户呼吸波形曲线数据进行数据采样之前，对所述用户呼吸波形进行软件滤波处理。

进一步地，所述脉冲供氧单元还包括：储气罐；所述储气罐与所述制氧单元气路连接，且所述供氧管路的第一端与所述储气罐气路连接，所述制氧单元制取得到的氧气供应至所述储蓄罐中存储。

进一步地，所述脉冲供氧单元还包括：压力传感器，所述压力传感器与所述储气罐气路连接，并与所述控制单元电连接，用于采集储气罐内的压力信息，并将所述压力信息传输至所述控制单元中；

在所述确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t的过程中，当记录时间为T₁时，所述控制单元控制电磁阀打开供氧，此时，所述控制单元同时控制所述压力传感器采集所述储气罐内压力为P，并根据储气罐内压力P和呼吸周期T，由以下公式计算得到供氧时长t：

t＝α*T+β*P+γ

其中，t≤T/3；常数α、β和γ分别为通过实验确定的在特定氧脉冲量下的经验值。

进一步地，所述脉冲供氧单元还包括：限流嵌件，所述限流嵌件设置在所述供氧管路上，位于电磁阀气路的前端或后端。

(三)有益效果

本发明实施例的呼吸自适应的便携式制氧机，通过对吸氧者呼吸状态的准确判断、对吸氧者呼吸周期的计算，控制进行自适应的脉冲供氧，对脉冲供氧量进行严格的控制，并根据呼吸频率进行调整，保证每分钟的供氧量与档位设定值相符，灵敏的触发供氧，提高氧气使用率和吸氧者对氧气的利用率，通过实验研究得到，本发明的脉冲供氧触发压力的灵敏度低于0.1cmH₂O，比专标要求的0.5cmH₂O提高了4倍；同时，还可根据呼吸频率和储气罐内的压力变化，自动调整每次输出的脉冲氧量，且不同呼吸频率匹配不同系数控制供氧时间，可准确的调整脉冲出氧量，保证了出氧量的控制精度。

附图说明

图1是本发明实施例的一种呼吸自适应的便携式制氧机的结构示意图；

图2是图1中自适应脉冲供氧单元的结构示意图；

图3a是呼吸检测单元采集的原始数据处理得到的用户呼吸波形曲线；

图3b是经软件滤波处理后的用户呼吸波形曲线；

图4是本发明自适应脉冲供氧时呼吸检测单元测得的用户呼吸波形曲线；

图5是图1中控制单元的结构示意图。

其中：

1：自适应脉冲供氧单元；2：控制单元；3：制氧单元；

11：脉冲供氧单元；12：呼吸检测单元；111：供氧管路；

112：电磁阀；113：三通管件；113a：出氧口；

114：储气罐；114a：压力传感器；115：限流嵌件；

121：差压传感器；21：数据处理单元；22：数据采样单元；

23：计时单元；24：中央控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了本发明实施例的一种呼吸自适应的便携式制氧机的结构示意图。如图1所示，该便携式制氧机，包括：制氧单元3、自适应脉冲供氧单元1和控制单元2。制氧单元3、自适应脉冲供氧单元1和控制单元2分别通过电源模块进行供电。还可在该便携式制氧机内设置散热单元4，为设备散热，延长设备使用寿命。

所述制氧单元3，用于制取医用浓度的氧气，并将氧气提供给自适应脉冲供氧单元1。

图2给出了一种自适应脉冲供氧单元的结构示意图，如图2所示，所述自适应脉冲供氧单元1，包括：脉冲供氧单元11和呼吸检测单元12，用于对用户呼吸信号进行采集，并在控制单元2作用下，对用户进行脉冲自适应式供氧。自适应脉冲供氧控制由呼吸检测单元和脉冲供氧单元共同完成。

其中，脉冲供氧单元11包括：供氧管路111、电磁阀112和三通管件113。所述供氧管路111的第一端111a与所述制氧单元3气路连接，所述制氧单元3制取得到的氧气供应至所述供氧管路111中；所述供氧管路111的第二端111b与所述三通管件113气路连接，所述三通管件113的其中一条支路为出氧口113a，出氧口113a可由鼻插式鼻氧管连接到吸氧者的鼻孔；所述电磁阀112设置在所述供氧管路111上，控制供氧管路111上的氧气的通断。

呼吸检测单元12与三通管件113的另一通管路气路连接，并与控制单元2电连接，用于采集用户呼吸气压信息，并将所述气压信息传输至控制单元中进行数据处理得到用户呼吸波形曲线数据。

具体地，呼吸检测单元12包括：差压传感器121，由差压传感器121采集用户呼吸气压信息，并将采集的压力信息传输至控制单元2的数据处理单元21中进行数据处理，从而得到用户呼吸波形曲线数据。自适应脉冲供氧时，呼吸检测单元12测得的压力波形如图4所示，可见，脉冲供氧单元11供氧时产生的压力波形近似为方波，与呼吸波形叠加后不会对检测呼吸和供氧控制造成影响。差压传感器121通过三通管件113直接从出氧口113a检测呼吸参数，不需要气路的控制，实现起来简单，控制方便。

此外，在进行数据处理得到用户呼吸波形曲线数据之前，还可以将采集到的用户呼吸气压信息进行软件滤波处理，取连续几个数值的平均值做平滑滤波，软件滤波处理前和处理后如图3a和图3b所示(图3a为采集的原始用户呼吸波形曲线，图3b为经软件滤波之后的用户呼吸压波形曲线)，由图可见，经过滤波处理后可以更精准的判断获取呼吸波形数据的采样点以及呼吸的开始点。

控制单元2分别与所述电磁阀112和所述呼吸检测单元12电连接，用于接收所述用户呼吸波形曲线数据，并根据所述用户呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T₁时，通过所述控制单元2控制打开电磁阀112进行供氧，当达到供氧时长t，通过所述控制单元2控制关闭电磁阀112结束供氧。

在呼吸检测单元12处理得到用户呼吸波形曲线数据后，控制单元2根据该用户呼吸波形曲线数据，进行自适应供氧控制，其具体工作过程如下：

S1：根据用户呼吸波形曲线数据，确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t，其中，具体过程如下：

对所述用户呼吸波形曲线数据进行数据采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，记录时间为T₁，T₁即为供氧时间的起始点；

继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变大的数据、且该段数据中有值大于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气，在第n次结束呼气后出现的开始吸气时间认为是第n+1次呼吸周期的开始点，记录时间为T_n+1，计算呼吸周期为T＝(T_n+1-T₁)/n；

根据所述呼吸周期T，由以下公式计算得到供氧时长t：

t＝α*T+β

其中，t≤T/3；常数α和β分别为通过实验确定的在特定氧脉冲量下的经验值，与整个便携式制氧机系统工作状态下储气罐压力等级和目标输出供氧量有关，通常是通过实验的方法进行标定、计算得出。

例如，算出在特定呼吸周期T下的2组以上不同供氧时间t与输出流量Q的关系，再通过求出方程的解得到α和β。具有不同储气罐体积和工作压力及输出供氧量的制氧机，所标定的系数α和β将不同。程序可根据当前工作档位和状态通过查表得到相应的值。例如：若设定每分钟的供氧体积为400ml，当检测到T＝3s，P＝120kPa时，则可查询到对应的α＝0.271，β＝-0.402，带入关系式则得到供氧时长t＝0.411s。有资料表明，在吸气的前段氧气被吸入和利用的最多，而吸气时间为整个呼吸周期的1/3左右，则有α<t吸，且α可在[1/10,1/3]内取值，β根据系统的测试结果进行调整。

S2：在确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t之后，控制单元2会当达到供氧时间的起始点T₁时，自动控制打开电磁阀112进行供氧，氧气通过三通管件113的出氧口113a输送给用户，当达到供氧时长t，自动控制关闭电磁阀112结束供氧。

具体地，为实现上述过程，如图5所示，控制单元2包括：数据处理单元21、数据采样单元22、计时单元23和中央控制单元24。

数据处理单元21，与差压传感器121电连接，获取差压传感器121传输的用户呼吸压力信息，并进行波形曲线处理得到用户呼吸波形曲线数据。

数据采样单元22，分别与数据处理单元21和计时单元23电连接；对所述用户呼吸波形曲线数据进行数据采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，此时触发计时单元23记录时间为T₁，T₁即为供氧时间的起始点，并触发中央控制单元24输出控制命令，控制电磁阀112打开；继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变大的数据、且该段数据中有值大于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气，在第n次结束呼气后出现的开始吸气时间认为是第n+1次呼吸周期的开始点，此时触发计时单元23记录时间为T_n+1。

中央控制单元24，与计时单元23和电磁阀112电连接，当计时单元23记录时间为T₁时，触发中央控制单元24输出控制命令，控制电磁阀112打开；当计时单元23记录时间为T_n+1时，计算呼吸周期为T＝(T_n+1-T₁)/n，并根据公式t＝α*T+β计算得到供氧时长t；当电磁阀门112打开，开始供氧至计时时间t时，触发中央控制单元24控制电磁阀门112关闭。

需要说明的是，差压传感器121实时检测用户呼吸压力，并通过数据采样单元22和计时单元23实时检测用户的呼吸周期T，当开始吸气时，记录此时时间T₁，T₁即为供氧时间的起始点，若用户的呼吸频率发生改变，设备会根据用户的呼吸波形曲线数据重新确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t。

为了能够灵敏的判断吸气开始点，需使用高灵敏度适合量程的差压传感器121，其采集频率应不小于50Hz，分辨率不应低于2Pa，测量误差不超过20Pa。进一步地，在差压传感器121进行数据采集中可以进行实况校正，具体校正过程如下：在非呼吸状态下且无气流干扰时，所述控制单元2分别读取所述差压传感器121的检测值Data1并进行存储；所述呼吸检测单元12进行数据处理之前，获取采集到的所述用户呼吸气压数据与所述检测值Data1的差值，再对该差值经过数据处理单元122进行数据处理。可有效提高设备的一致性和设备呼吸触发的灵敏度。

通过上述步骤S1、S2，便完成了一个呼吸周期的检测和供氧控制。可设定设备的起始呼吸周期为一特定值，如3s，起始供氧时间为0.5s；之后可根据档位要求、用户的实际呼吸变化和储气罐114内气体压力的变化进行调整。

本发明实施例的呼吸自适应的便携式制氧机，通过对吸氧者呼吸状态的准确判断、对吸氧者呼吸周期的计算，控制进行自适应的脉冲供氧，对脉冲供氧量进行严格的控制，并根据呼吸频率进行调整，保证每分钟的供氧量与档位设定值相符，灵敏的触发供氧，提高氧气使用率和吸氧者对氧气的利用率，通过实验研究得到，本发明的脉冲供氧触发压力的灵敏度低于0.1cmH₂O，比专标要求的0.5cmH₂O提高了4倍；同时，还可根据呼吸频率和储气罐内的压力变化，自动调整每次输出的脉冲氧量，且不同呼吸频率匹配不同系数控制供氧时间，可准确的调整脉冲出氧量，保证了出氧量的控制精度。

基于上述实施例，作为一种优选实施例，如图2所示，所述脉冲供氧单元11还包括：储气罐114；所述储气罐114与所述制氧单元3气路连接，且所述供氧管路111的第一端与所述储气罐114气路连接，所述制氧单元3制取得到的氧气供应至所述储气罐中存储。在电磁阀112被打开后，储气罐114内的压力会对供氧时长t产生一定的影响，因此在确定供氧时长t的过程中需要考虑储气罐114内的压力。其中，脉冲供氧单元11还包括：压力传感器114a，可以在所述储气罐114上引出一条气路连接压力传感器114a来采集储气罐114内压力，并将采集到的压力信息传输至所述控制单元2中。

当记录时间为T₁时，电磁阀112打开供氧，此时，控制单元2的数据采样单元21同时采集储气罐114内压力P；同时根据先前由(T_n+1-T₁)/n算出的呼吸周期T以及公式t＝α*T+β*P+γ计算得到供氧时长t，当电磁阀门112打开，开始供氧至计时时间t时，触发中央控制单元24控制电磁阀门112关闭。其中，t≤T/3；常数α、β和γ分别为通过实验确定的在特定氧脉冲量下的经验值。

例如，算出在特定呼吸周期T下的3组以上不同供氧时间t与输出流量Q的关系，再通过求出方程的解得到α、β和γ。具有不同储气罐体积和工作压力及输出供氧量的制氧机，所标定的系数α、β和γ将不同。程序可根据当前工作档位和状态通过查表得到相应的值。例如：若设定每分钟的供氧体积为400ml，当检测到T＝3s，P＝120kPa时，则可查询到对应的α＝0.256，β＝-0.0057，γ＝0.3231，带入关系式则得到供氧时长t＝0.4071s。

基于上述实施例，作为一种优选实施例，如图2所示，所述脉冲供氧单元11还包括：限流嵌件115，所述限流嵌件设置在所述供氧管路111上，优选设置在储气罐114和电磁阀112之间的供氧管路上。限流嵌件115为刚性的具有直径为0.1-0.5mm规格内孔的小圆柱体，通过小孔对气流的限制作用，使得通过调整电磁阀112通电时间控制气量多少的方法成为可能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，包括：制氧单元、自适应脉冲供氧单元和控制单元；

所述制氧单元，用于制取医用浓度的氧气；

所述自适应脉冲供氧单元包括：脉冲供氧单元和呼吸检测单元；

所述脉冲供氧单元包括：供氧管路、电磁阀和三通管件；

所述供氧管路的第一端与所述制氧单元气路连接，用于将所述制氧单元制取得到的氧气供应至所述供氧管路中；

所述供氧管路的第二端与所述三通管件气路连接，所述三通管件的其中一条支路为出氧口；

所述电磁阀设置在所述供氧管路上；

所述呼吸检测单元与所述三通管件的另一条支路气路连接，用于采集用户呼吸气压信息；

所述控制单元分别与所述电磁阀和所述呼吸检测单元电连接，用于接收所述用户呼吸气压信息，并进行数据处理得到用户呼吸波形曲线数据，根据所述用户呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t，当达到供氧时间的起始点T₁时，通过所述控制单元控制打开电磁阀进行供氧，当达到供氧时长t，通过所述控制单元控制关闭电磁阀结束供氧。

2.根据权利要求1所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，所述控制单元根据所述用户呼吸波形曲线数据确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t的过程如下：

对所述用户呼吸波形曲线数据进行数据采样，取采样值大于零且连续变大的数据，若该段数据中有值大于设定的呼吸触发阈值时，则认为开始吸气，记录时间为T₁，T₁即为供氧时间的起始点；

继续数据采样，当采样值小于零且出现连续变大的数据、且该段数据中有值大于设定的呼吸结束判断阈值时，则认为结束呼气，在第n次结束呼气后出现的开始吸气时间认为是第n+1次呼吸周期的开始点，记录时间为T_n+1，计算呼吸周期为T＝(T_n+1-T₁)/n；

根据所述呼吸周期T，由以下公式计算得到供氧时长t：

t＝α*T+β

其中，t≤T/3；常数α和β分别为通过实验确定的在特定氧脉冲量下的经验值。

3.根据权利要求2所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，所述呼吸检测单元包括：差压式传感器，所述差压式传感器与所述控制单元电连接，用于采集用户呼吸气压信息，并传输至所述控制单元中进行数据处理得到用户呼吸波形曲线数据。

4.根据权利要求3所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，对所述差压式传感器进行校正，校正过程如下：

在非呼吸状态下且无气流干扰时，所述控制单元分别读取所述差压式传感器的检测值Data1并进行存储；

所述呼吸检测单元进行数据处理之前，获取采集到的所述用户呼吸气压数据与所述检测值Data1的差值，再对该差值经过数据处理单元进行数据处理。

5.根据权利要求2所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，在对所述用户呼吸波形曲线数据进行数据采样之前，对所述用户呼吸波形进行软件滤波处理。

6.根据权利要求2-5任一项所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，所述脉冲供氧单元还包括：储气罐；所述储气罐与所述制氧单元气路连接，且所述供氧管路的第一端与所述储气罐气路连接，所述制氧单元制取得到的氧气供应至所述储蓄罐中存储。

7.根据权利要求6所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，所述脉冲供氧单元还包括：压力传感器，所述压力传感器与所述储气罐气路连接，并与所述控制单元电连接，用于采集储气罐内的压力信息，并将所述压力信息传输至所述控制单元中；

在所述确定供氧时间的起始点T₁和供氧时长t的过程中，当记录时间为T₁时，所述控制单元控制电磁阀打开供氧，此时，所述控制单元同时控制所述压力传感器采集所述储气罐内压力为P，并根据储气罐内压力P和呼吸周期T，由以下公式计算得到供氧时长t：

t＝α*T+β*P+γ

其中，t≤T/3；常数α、β和γ分别为通过实验确定的在特定氧脉冲量下的经验值。

8.根据权利要求6所述的呼吸自适应的便携式制氧机，其特征在于，所述脉冲供氧单元还包括：限流嵌件，所述限流嵌件设置在所述供氧管路上。