CN109621114A - 一种呼吸机正压通气模式压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸机正压通气模式下输出气压的控制方法。该方法的实现是基于通气流量和通气压力的正反馈和负反馈信号来控制呼吸机压力的输出。方法实现的控制模型包括目标压力、控制器、气流产生元件、流量正反馈、压力负反馈等部分。本发明针对吸气和呼气时产生的干扰，除了采用传统的差压控制方式外，同时还通过呼吸气流来补偿呼吸机输出压力，实现呼吸机正压通气模式下的通气压力与设置的目标压力保持一致和稳定输出，将有助于提高通气治疗患者的通气舒适度和治疗效果。

Description

一种呼吸机正压通气模式压力控制方法

技术领域

本发明涉及呼吸机正压通气模式的压力输出控制方法方面的研究与探索，尤其采用一种将压力负反馈和流量正反馈作为控制调节量来实现对呼吸机输出的压力进行调节控制。该方法不仅采用了传统的单压力负反馈的方式来调节呼吸机的压力输出，同时还能跟随呼吸机使用者的呼吸气流大小来正反馈补偿压力升降，保证使用者吸气时压力不至于比设置的目标压力之间的压降过大，呼气时比设置的目标压力之间的升压过高。

背景技术

自20世纪80年代初Sullivan采用无创持续正压通气（CPAP：Continual PositiveAirway Pressure）的方式治疗睡眠呼吸暂停患者以来，经过近30年的发展，先后出现了如美国伟康（Respironics）公司采用的双水平气道正压（BiPAP：Bi-level positive airwaypressure ），时间控制气道正压（TCPAP：Time Control Positive Airway Pressure）等。此类正压通气越来越受大广大医务人员、呼吸病患者等的关注和青睐。

目前呼吸机的正压通气模式所采用的压力控制主要是采集输出的压力作为负反馈量来实现对输出压力的控制。如范久臣等在其文章《正压呼吸机模糊PID控制研究》（机械制造, 2008, 46(4):20-23）中描述的基于模糊PID的气压控制、陈正龙等在文章《持续气道正压无创呼吸机控制系统的研制》（中国生物医学工程学报, 2011, 30(2):269-275）描述的PID的企业控制、蒋庆等在其专利《一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机》（2014年）采用的基于PID的压力控制、Ching-ChihTsai等在其文章《Adaptive pressuretracking and breathing period prediction for obstructive sleep apneatreatment respirators with bi‐level positive airway pressure》（Journal of theChinese Institute of Engineers, 2010, 33(2):215-228）的所描述的增益调度PID反馈控制（a gain scheduling PID feedback controller）等。

但在患者呼吸过程中，由于忽大忽小呼吸气流是最大的干扰源，特别是深呼吸时，采用该传统控制方式时，过大的吸气气流容易引起压力快速下降至过低，过大的呼气气流容易引起压力快速上升超出预设的目标压力过多，如图2采用“传统纯压力反馈控制算法所实现的控制气压输出”所示，从而影响使用者的通气舒适度和通气治疗效果，甚至损伤呼吸道，引起呼吸机通气并发症。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为呼吸机正压通气提供一种压力控制方法，使呼吸机输出给患者的压力与预设的目标压力保持在允许的误差内，使该压力不能过高而引起呼吸道气压伤，也使该压力不能过低而不能满足患者需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种呼吸机正压通气用的压力控制方法，为了使呼吸机的压力输出（输到患者端的压力）（4）与预设的目标压力（1）相一致，在允许的无创范围内（比如±50Pa），通过压力传感器和流量传感器检测呼吸机输出到患者端的压力和流量，形成压力负反馈信号（7）和流量正反馈信号（5），并分别乘以压力系数（8）和流量系数（6），然后与目标压力（1）相结合，在经控制器（2）运算输出控制量给气流产生元件（3）控制气流的大小。

本发明所提出的压力控制方法，其实现过程如下C语言程序所述，程序采用经典的增量式PID控制器来实现控制：

/*****相关变量定义****/

double e[3] = {0,0,0};/*时刻t、t-△t和t-2△t的呼吸机输出压力与目标之间的差值*/

double SetPress, OutPress;//预设目标压力, 呼吸机压力输出

double BreathFlow;// 当前时刻t呼吸气流流量

double KP,KI,KD;//PID控制器系数

double a,b;// 压力系数a和流量系数b

/*****控制算法程序****/

double Controll_Data()

{

Double Out_Contol_Data;//输出控制量

static double Out_Control_Data_1;

e[0] = a*(SetPress – OutPress);

Out_Control_Data = KP*e[0]+KI*( e[0]-error[1])+KD*(e[0]-2*e[1]+e[2]);

Out_Control_Data = Out_Control_Data + b*BreathFlow;

Out_Control_Data = Out_Control_Data_1 + Out_Control_Data;

e[2] = e[1];//替换原存储数据

e[1] = e[0]; //替换原存储数据

Out_Control_Data_1= Out_Control_Data;

return (Out_Control_Data);

}

具体在应用程序时，本发明所示列的程序可直接引入，其中参数KP、KI、KD、a和b学根据具体要求来加以整定。

本发明通过采用压力和流量反馈量来共同控制呼吸的压力输出，提高了控制输出压力的稳定性和灵敏性。

附图说明

图1是本发明控制模型组成图。图中：（1）为预设的目标压力，（2）控制运算器，（3）气流产生元件，（4）为呼吸机的压力输出，（5）为流量正反馈信号，（6）流量正反馈信号的流量系数，（7）为压力负反馈信号，（8）为压力正反馈信号的压力系数。

图2是本发明应用后，呼吸机输出压力曲线，（9）为呼吸机输出到患者端的压力-时间数据曲线，（10）为呼吸机输出的流量-时间数据曲线，（11）为患者的呼吸流量-时间曲线。

Claims (7)

1.一种基于流量和压力的、用于呼吸机压力输出控制的闭环控制方法，其特征在于：采用了流量正反馈信号和压力负反馈信号；流量正反馈信号和压力负反馈信号均按照一定比例关系进行运算后作为控制算法的反馈输入。

2.根据权利要求1所述流量，满足如下关系：

流量 = 呼吸流量 = 呼吸机输出流量 - 漏气流量。

3.根据权利要求1所述闭环控制算法，其满足如下关系：关系式中的P(t)为t时刻呼吸机输出压力，PT为目标压力，a为压力系数，Pf（t-△t）为t时刻前一个△t时刻的反馈压力，b为压力系数，Qf（t-△t）为t时刻前一个△t时刻的反馈流量，F[]为呼吸机控制器的输入与输出之间关系式：

P(t)=F[PT-a×Pf(t-△t)+b×Qf(t-△t)] 。

4.根据权利要求3所述呼吸机控制器的控制输入与输出之间的关系F[]由系统设计而定，如线性函数关系、高阶函数关系，指数函数关系等。

5.根据权利要求3中所述压力系数a和流量系数b，可以是固定值，也可以是时变系数，或分别随压力、流量大小变化而变化的系数。

6.根据权利要求3所述气流气压输出关系式F[]可以为采用各类风机作为气流驱动的控制系统的输入输出之间的关系函数，也可以为采用气阀节流方式的控制系统的输入输出之间的关系函数。

7.根据权利要求2所述的流量即与通气患者的呼吸气流一直，规定为吸气时的吸入呼吸道的气流为正，呼气时呼出呼吸道的气流为负，因而吸气气流越大，则正反馈量越大，压力补偿越大，反之则压力补偿越小。