CN109621326B - 一种机械式震荡呼吸训练检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式气流震荡呼吸训练检测装置，由呼吸气道、机械调节模块、气压检测模块、阻抗调节模块、电源模块和电路板构成。其中呼吸气道采用呼气吸气一体式设计，排气道与进气道长度比为5：2，排气道的长度可使气流由初状态的高速不稳定湍流变为相对低速的平流，利于传感器读取数据。在排气气道内设有排气静孔板与小型步进电机和齿轮副驱动的排气动孔板，通过不同的转速实现不同的气压震荡频率，实现无级调节功能。排气气道末端与锥形气道相连，内设有可调节的锥形塞，通过旋钮实现间隙的变化，达到阻抗的调节功能。本发明装置便于携带，操作简单，随时随地均可使用，适用于呼吸疾病用户的康复训练和检测。

Description

一种机械式震荡呼吸训练检测装置

技术领域

本发明属于是便携式医疗监测设备领域，具体涉及一种呼吸疾病患者康复训练的装置。

背景技术

呼吸疾病是一种常见多发病，主要病变在气管、支气管、肺部及胸腔，常见症状微咳嗽、哮喘、胸闷和咳痰，随着病情的加重，患者气管会逐渐萎缩，气流严重受阻，严重影响身体健康。

随着对呼吸疾病的研究和医疗水平的提高，对患者康复治疗训练的医疗器械也越来越先进。目前市面上常见的产品可根据原理分为三类，一类是设有阻抗机构，通过增加呼吸过程的阻力来训练呼吸功能，且具有一定数量的挡位，可根据需要的阻力进行调节，但其同样无法在人体内产生正负压的变化；一类是利用呼气使具有一定重量的小球悬浮，可实现呼气量的测量，起到呼气训练的作用，但此类产品无法吸气，也不能在人体内产生正负压的变化；一类是在出口处设有震荡片，可在呼气过程中实现正负压的变化，但无法根据用户的需求进行阻抗的调节；三类产品各有利弊，且都无法检测呼气的压力。

发明内容

本发明的目的是针对现有产品的不足，提供了一种便携式的呼吸训练检测装置，通过机械的形式调节排气口的开闭与频率，并且可以通过末端的旋钮调节出口流道的大小，实现对不同用户不同压力的训练与检测。

为了实现上述目标，本发明采用的技术方案为：

一种机械式气流震荡调节呼吸训练装置，其特征在于：包括呼吸气道、机械调节模块、气压检测模块、阻抗调节模块和电源模块和电路板；其中呼吸气道包括气嘴(1)、排气气道、进气气道(20)、排气口(11)、进气口(15)；机械调节模块包括排气静孔板(19)、排气动孔板(18)、齿轮副(8)、小型步进电机(9)；气压检测模块包括压差式压力传感器(5)、绝压式压力传感器(23)、微处理器(4)；阻抗调节模块包括锥形塞(14)、调整杆(13)和旋钮(12)。

为了改变以往器械压力的线性变化和正负压变化时产生的突变，将排气孔形状设置为曲率变化曲线形状，在气流量一定的情况下，出口的面积产生具有一定震荡曲线变化，压力值以对应的震荡曲线变化。

气流由气嘴(1)进入气道，气流初段为不稳定的湍流层；根据流体力学理论，气流经5倍气嘴(1)长度的直线形气道(6)，气流逐渐稳定为相对低流速的平流，易于压差式压力传感器(5)采集数值；为降低气流在排气孔板的能量损失，排气定孔板(19)透气面积为50％；气流经过排气定孔板(19)和排气动孔板(18)后，气流流量减小，将排气气道设计为锥形气道(10)，使气流集中，便于阻抗调节模块的调节；气嘴(1)、直线形气道(6)、锥形气道(10)轴线为直线，截面形状为圆形，进气气道(20)由直道和90°弯头组成，与直线形气道(6)的长度比为d:b为2：5，截面圆直径D2：D1为2：3，末端设有带挡片(16)的进气口(15)；各气道直接通过拼接形式相连接。

气压检测模块由气管、压差式压力传感器(5)、绝压式压力传感器(23)和微处理器(4)组成；呼气压力两检测位置分别在前轴端支撑架(7)之前，距离为3～5毫米处和在后轴端支撑架(17)之后，距离为3～5毫米处，检测排气静孔板(19)和排气动孔板(18)的压力差；气流经排气静孔板(19)和排气动孔板(18)后，变为更加稳定的平流，易于检测；绝压式压力传感器(23)检测位置位于进气气道(20)弯头竖直高度1/2处,检测口与进气口轴线位于同一水平高度，用于检测进气的压力变化；压差式压力传感器(5)和绝压式压力传感器(23)通过医用标准气管连接，根据两个检测位置的压力差产生相应的物理变化，经变送器和滤波电路，信号传输至微处理器(4)，通过显示屏(22)显示实时的压力值。

在直线形气道(6)的末端设置有的前轴端支撑架(7)和后轴端支撑架(17)，排气静孔板(19)和排气动孔板(18)通过轴安置在气道中；在排气静孔板(19)外包裹一层橡胶，使其固定在气道内壁中，同时也起到密闭作用，气流只能通过排气静孔板(19)的孔隙处流通；排气静孔板(19)横截面形状为圆形，空心实心扇形交替；排气动孔板(18)为直齿圆柱齿轮，齿顶圆与直线形气道(6)内壁间隙为0.2至0.5毫米，截面以一定数量进行等分,等分截面交替有曲率变化曲线形状排气孔，可通过旋转与排气静孔板(19)实现排气孔面积的变化,且每旋转一定的角度排气孔面积增量或减量不相等,面积变化为非线性曲线,压差式压力传感器两检测位置检测的压力差也为非线性曲线；排气动孔板(18)采用可拆卸更换设计，具有不同的曲率变化曲线孔隙面积；截面形状为圆形，齿顶圆与直线形气道(6)内壁间隙为0.2至0.5毫米；截面内具有排气开孔，顶弧为圆弧，底弧为曲率变化曲线，顶弧与排气动孔板(18)齿根圆半径比R1：R2为1:1.1至1:1.3，底弧终点曲率半径R4与起点曲率半径R3的比值范围为1：1.05至1:1.8，截面边界与等分边界夹角β范围为[5°，15°]；排气动孔板(18)顺时针转向[0，β)，排气孔全部打开；排气动孔板(18)在顺时针转向[β，45°－β)，排气孔面积逐渐减小；排气动孔板(18)顺时针转向[45°－β，45°+β)，排气孔全部闭合；排气动孔板(18)顺时针转向[45°+β，90°－β)，排气孔面积逐渐增大；排气动孔板(18)顺时针转向[90°－β，90°)，排气孔全部打开；继续顺时针旋转将重复以上动作；排气动孔板转过一周形成4次排气孔的打开与闭合；可通过更换不同等分数的排气静孔板(19)和排气动孔板(18)实现不同的震荡频率。

步进电机(9)与排气动孔板(18)采用齿轮传动，总传动比为1：1.5；整个传动齿轮副(8)位于密封中，防止气流泄漏。

阻抗调节模块的调整杆(13)带有外螺纹，与排气口(11)的内螺纹结构相配合，起到定位和调整水平移动的作用；锥形塞(14)两端截面圆直径比d1:d2为1:1.8至1:2；调整杆(13)前端旋入锥形塞中，末端与旋钮(12)连接，通过旋转旋钮(12)可使锥形塞(14)在水平方向调整5毫米以内的位移，使排气口(11)的间隙产生变化，增大或减小锥形气道(10)间隙，减小或增大阻力。

电源模块(3)通过封装电路为电路板(2)供电；数据存储模块设置在电路板(2)上，可对微处理器(4)识别的压力数值进行存储；显示屏(20)通过排线与电路板(2)相连，实时显示微处理器(4)采集的数据；在电路板上(2)具有USB接口，可对电源模块(3)进行充电和数据的传输。

微处理器(4)经运算得到压力的数值，产生相应的信号，传输至步进电机(9)；根据信号步进电机(9)输出相应的步进转角，进而使排气动孔板(18)产生相应的转角，控制排气孔的面积和面积变化率，产生相应频率的正负压变化，气流震荡，起到呼吸训练的作用；可对步进电机(9)的转速调节进行不同震荡频率的调节。

在呼气过程中，由于在进气口(15)设有挡片(16)，气流全部由排气气道排出；在吸气过程中，气道内压力小于外界大气压，进气口(15)的挡片(16)打开，空气进入。

步进电机(9)下端通过螺栓与壳体相连接；步进电机(9)顶部的壳体设有透气孔，方便步进电机(9)散热。

附图说明

图1是本发明的内部结构示意图。

图2是本发明的外观示意图。

图3a是呼吸气道外形示意图；图3b为气嘴长度a、直线形气道长度b、锥形气道长度c、进气气道长度d、直线形气道截面圆直径D1与进气气道截面圆直径D2的尺寸示意图。

图4a是排气静孔板示意图；图4b为β＝5°，R4:R3＝1:1.2排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4c为β＝5°，R4:R3＝1:1.05排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4d为β＝5°，R4:R3＝1:1.3排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4e为β＝5°，R4:R3＝1:1.8排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4f为β＝10°，R4:R3＝1:1.1排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4g为β＝10°，R4:R3＝1:1.05排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4h为β＝10°，R4:R3＝1:1.2排气动孔板示意图及排气孔面积变化图；图4i为β＝10°，R4:R3＝1:1.5排气动孔板示意图及排气孔面积变化图。

图5a是齿轮副的轴向剖视配合图；图5b为齿轮副端面配合图。

图6a是阻抗调节模块最小位置示意图；图6b为阻抗调节模块最大位置示意图；图6c为锥形塞示意图。

图7a是排气动孔板初始位置示意图；图7b是排气动孔板顺时针旋转β位置示意图；图7c是排气动孔板顺时针旋转45°－β位置示意图；图7d是排气动孔板顺时针旋转45°位置示意图；

图8是装置系统功能模块图

具体实施方式

本发明是一种便携式呼吸训练检测装置，可随时随地进行呼吸训练与检测，同时具有存储功能，便于观测康复情况。

实施例1

用户打开装置开关(21)，电源模块(3)向电路板(2)供电，微处理器(4)启动开机程序，压差式压力传感器(5)开始工作；排气动孔板(18)处于闭合状态。

用户通过气嘴(1)向装置内呼气，压差式压力传感器(5)检测气流压力，信号经电路板(2)运算滤波，传输至微处理器(4)进行运算，通过显示屏(22)显示当前的压力值，同时将信号传输至步进电机(9)。

步进电机(9)根据信号以相应的步进角输出，带动排气动孔板(18)以一定的角度转动，排气静孔板(19)与排气动孔板(18)配合，排气孔的呈现打开闭合交替的状态，压差式压力传感器(5)检测压力数值，通过微处理器(4)在显示屏(22)显示压力值，并对数值进行存储，进气口(16)挡片关闭，气流全部从排气口(11)排出。

当用户吸气时，进气口(15)挡片(16)因大气压作用而打开，空气由进气口(15)进入气道，绝压式压力传感器(23)检测压力数值通过电路显示在显示屏(22)上。

用户可根据自身情况，旋转末端的旋钮(12)调整锥形塞(14)以调节相应的阻力，顺时针旋转使锥形塞(14)向远离排气口(11)方向移动，阻力减小，逆时针旋转使锥形塞(14)向靠近排气口(11)方向移动，阻力增大。

用户使用完毕后关闭开关(21)，电源模块(3)断电，系统关闭。

Claims (6)

1.一种机械式气流震荡呼吸训练装置，其特征在于：包括呼吸气道、机械调节模块、气压检测模块、阻抗调节模块、电源模块(3)和电路板(2)；其中呼吸气道包括气嘴(1)、排气气道、锥形气道(10)、进气气道(20)、排气口(11)、和进气口(15)，所述呼吸气道的气嘴(1)、排气气道、锥形气道(10)、排气口(11)、进气气道(20)、进气口(15)以水平方向安置，锥形气道(10)排气口(11)位于锥形气道(10)的小端，进气气道(20)通过弯头与排气气道竖直并列连接，进气口(15)位于进气气道(20)的末端，排气口(11)位于排气气道末端；机械调节模块包括排气静孔板(19)、排气动孔板(18)、齿轮副(8)和小型步进电机(9)，所述机械调节模块中的排气静孔板(19)和排气动孔板(18)通过轴连接，轴的两端分别通过前轴端支撑架(7)和后轴端支撑架(17)支承，小型步进电机(9)放置于排气气道后端上方，通过输出轴齿轮与排气动孔板组成齿轮副(8)；气压检测模块包括压差式压力传感器(5)、绝压式压力传感器(23)和微处理器(4)，其中压差式压力传感器(5)和微处理器(4)安装在电路板(2)上，绝压式压力传感器(23)位于进气气道(20)的弯头处，通过导线与电路板(2)连接，电路板整体位于排气气道前端的上方；阻抗调节模块包括锥形塞(14)、调整杆(13)和旋钮(12)，所述阻抗调节模块中的锥形塞(14)位于锥形气道(10)内部，与调整杆(13)的一端连接，旋钮(12)位于排气气道外部，与调整杆(13)的另一端连接，调整杆(13)上有外螺纹，与排气口(11)的内螺纹啮合。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述呼吸气道由排气气道和进气气道(20)组成，其中排气气道由气嘴(1)、直线形气道(6)、锥形气道(10)、排气口(11)组成；气嘴(1)、直线形气道(6)、锥形气道(10)轴线为直线，截面形状为圆形；直线形气道(6)内设置有前轴端支撑架(7)和后轴端支撑架(17)；排气口末端设置带有内螺纹的支撑，锥形气道(10)两端截面圆直径比为1:2至2:3；进气气道(20)由直道和90°弯头组成，与直线形气道(6)的长度比为d:b为2：5，截面圆直径D2：D1为2：3，末端设有带挡片(16)的进气口(15)。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述机械调节模块中的排气动孔板(18)，中心与轴配合，周向具有齿轮结构，可随齿轮副(8)转动；截面形状为圆形，齿顶圆与直线形气道(6)内壁间隙为0.2至0.5毫米；截面以一定数量进行等分,等分截面交替设有排气孔，其形状顶弧为圆弧，底弧为曲率变化曲线，顶弧与排气动孔板(18)齿根圆半径比R1：R2为1:1.1至1:1.3，底弧终点曲率半径R4与起点曲率半径R3的比值范围为1：1.05至1:1.8，截面边界与等分边界夹角β范围为[5°，15°]。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述机械调节模块中的小型步进电机(9)与排气动孔板(18)采用齿轮副(8)传动，传动比为1：1.5；齿轮副(8)齿顶圆与壳体间隙为1毫米之内。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述阻抗调节模块，由锥形塞(14)、调整杆(13)和旋钮(12)组成；锥形塞(14)两端截面圆直径比d1:d2为1:1.8至1:2，小径与调整杆(13)前端通过螺纹相连接，中部与排气口(11)的支撑相配合，末端为旋钮(12)， 可通过旋转旋钮(12)调整锥形塞(14)水平位移5毫米以内。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于:所述气压检测模块中的压差式压力传感器(5)，用于检测机械调节模块的前后压力差,具有两个数据采集端口，一个设置在前轴端支撑架(7)之前，距离为3～5毫米，另一个设置在后轴端支撑架(17)之后，距离为3～5毫米；绝压式压力传感器(23)检测位置位于进气气道(20)弯头竖直高度1/2处,检测口与进气口轴线位于同一水平高度，用于检测进气的压力变化；压差式压力传感器(5)与绝压式压力传感器通过气管与检测位置相连。

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