CN110638454A - 一种适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置及方法 - Google Patents

一种适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置及方法 Download PDF

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方海强
孙超
许丽嫱
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Abstract

本发明涉及一种适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置及方法，包括振荡压力产生模块，信号采集模块，控制处理单元以及气路部分。在微处理器的控制作用下，采用函数补偿的方法使振荡压力产生模块产生幅度稳定的振荡信号，采用时域幅值削减法合成有效的复频信号，并作用于人工气道，信号采集模块同步实现气道压力及流量信号的连续采集，再由控制处理单元实现呼吸力学参数的估算。本发明提供的强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，适用于正压通气条件，可以实现机械通气治疗同步的呼吸力学监测，有助于实现对正压通气过程中患者治疗情况的监控，从而为医生调整治疗方案提供参考与帮助。

Description

一种适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检 测装置及方法
技术领域
本发明属于设备检测及信号处理方法领域，具体涉及适用于正压通气条件 下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，用于在进行呼吸机正压通气的同时 利用强迫振荡法检测呼吸力学参数，对监测机械通气对患者的治疗效果有重要 作用。
背景技术
呼吸力学参数是评价人体呼吸系统状态的重要生理参数，有助于呼吸系统 疾病的诊断、预防和治疗，在机械通气过程中进行呼吸力学参数的监测对于医 生观察患者病情、优化治疗方案有重要意义。目前检测呼吸力学参数的方法主 要是利用呼吸机进行阻断法测量呼吸力学参数，或基于呼吸力学模型进行呼吸 力学参数的估计。阻断法必须阻断通气无法实现实时监测，而基于呼吸力学模 型进行参数估计的方法对于无自主呼吸的患者比较适用，一旦患者具有自主呼 吸需要有创测量食道压代替胸膜腔内压来完成估算，有创且无法实时。本发明 提出一套装置在不影响机械通气的前提下，对人工气道进行强迫振荡，同时采 集气道流量压力，通过功率谱法计算实时估算呼吸力学参数，对于机械通气下呼吸系统治疗效果的监控有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在正压通气同时进行呼吸力学参数检测装置及 检测方法，具体涉及对人工气道添加强迫振荡，过程中采用函数补偿的方法产 生幅度稳定的振荡信号，并采用时域幅值削减法合成有效的复频信号，同时采 集气道流量及压力，并利用功率谱法实现气道阻力系数和顺应性的估算，为临 床医生评价呼吸机机械通气治疗效果提供有意义的参考。
本发明的技术方案如下：一种适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸 力学参数检测装置，包括振荡压力产生模块，信号采集模块，控制处理单元以 及气路部分，其中，所述控制处理单元采用函数补偿的方法使振荡压力产生模 块产生幅度稳定的幅频信号，通过密闭气道管路串联在正压通气的人工气道上， 信号采集模块同步采集人工气道中的气体流量和压力信号，由控制处理单位实 现呼吸力学参数的估算。
进一步，如上所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数 检测装置，采用扬声器作为振荡压力产生模块，其中，所述密封扬声器后部空 间，增加扬声器盆面的压力，气路将扬声器盆面空间串联入机械通气人工气道， 使人工气道中形成强迫振荡压。
进一步，如上所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数 检测装置，振荡压力产生模块可以产生4-40Hz的2cmH20振荡压力信号，其中， 所述控制处理单元采用函数补偿的方法使振荡压力产生模块产生幅度稳定的幅 频信号。
进一步，如上所述的控制处理单元向扬声器发送正弦控制信号，使扬声器 得到15Hz幅值2cmH2O的正弦振荡信号，并通过函数补偿的方法使振荡压力产生 模块产生4-4OHz范围内幅度稳定的幅频信号，其特征在于：控制处理单元给出 控制信号根据函数y＝1.219e-0244x+0.2331进行不同频率点的控制信号幅度补偿，对 不同频率进行失真补偿，其中x为频率，在4-40Hz范围内，y为控制电压信号， 该补偿函数是基于实验得到，将各频率点输出的振荡压力补偿至2cmH2O。
进一步，如上所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数 检测装置，由控制处理单元产生多个频率的正弦信号在时域上进行叠加，形成 复频伪随机信号，并利用时域幅值削减法对组合信号的伪随机信号需要进行相 位优化，其中，所述控制处理单元利用随机函数生成初始相位组合，通过幅值 和相位构建多正弦信号组合信号，然后计算多正弦信号组合信号的最大值和最 小值，根据最值设置削减阈值，将超过削减阈值的部分削减到阈值，之后对削 减后的幅值进行傅里叶变换求出相位谱，最后找到各个频率分量的相位并更新 相位组合，循环上述过程多次，直到波峰系数Kr值变化小于某个阈值或循环次 数到达设置值，停止循环，其中为波峰系数，Eeff为组合信号的总能量，M+为组合信号的最大值，M-为组合信号的最小值。
进一步，如上所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数 检测装置，由控制处理单元实现呼吸阻抗的估算，其特征在于：首先使用波器 对原始流量压力信号进行低通滤波，然后分别进行傅里叶变换，并在多频率点 进行功率谱法计算，得到呼吸阻抗。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的适用于正压通气条件下基于强迫 振荡的呼吸力学参数检测装置，适用于使用机械通气进行治疗的患者，可以在 不影响正常治疗的同时实现实时呼吸力学参数检测，不受机械通气模式限制。 该装置利用强迫振荡检测肺功能的原理，通过气路设计，提出振荡压力的函数 补偿，再通过复频信号相位优化及功率谱计算得到受检者的呼吸阻抗参数，其 中补偿函数是在开展一系列实验的基础上推导得到的，时域幅值削减法对复频 组合信号进行相位优化，提供了有效的振荡压力信号，可以在很短时间内完成 多频率呼吸阻抗的估算，实现不影响正压通气治疗的实时呼吸力学参数监测， 为临床医生评估正压治疗效果提供有意义的参考。
附图说明
图1为本发明适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装 置的系统结构示意图；
图2为本发明所提出的控制处理单元振荡控制电压补偿函数曲线；
图3为本发明时域幅值削减法进行复频信号相位优化的流程图。
图4为本发明复频信号呼吸阻抗算法实现流程图
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明所提供的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测 装置的系统结构如图1所示，该系统包括振荡压力产生模块01，信息采集模块 02，控制处理单元03以及气路连接部分，其中振荡压力产生模块01主要由扬 声器06构成，信号采集模块由流量传感器04和压力传感器05构成，微处理器 07为控制处理单元03的主体，完成各模块的控制以及信号采集。具体实施时通 过控制处理单元03发出控制信号驱动扬声器06产生振荡压力信号，振荡压力 信号通过密闭气道管路串联在正压通气的人工气道08上，信号采集模块02同 步采集人工气道08中的气体流量和压力信号，由控制处理单位03实现呼吸力 学参数的估算。
为保证振荡压力信号能有效地加载到呼吸气流上，密封扬声器06的后部空 间，增加扬声器盆面的压力，气路将扬声器盆面空间串联入机械通气人工气道 08，使人工气道08中形成强迫振荡压。
系统要求振荡压力产生模块01产生4-40Hz的2cmH2O振荡压力信号，控制 处理单元03采用函数补偿的方法提供扬声器06的控制信号，使振荡压力产生 模块01产生幅度稳定的正弦信号。具体体现为控制处理单元03向扬声器06发 送正弦控制信号，使人工气道08上得到15Hz幅值2cmH20的正弦振荡信号。再 根据函数y＝1.219e-0244x+0.2331进行不同频率点的控制信号幅度补偿，对不同频率 进行失真补偿，其中x为频率，在4-40Hz范围内，y为控制电压信号，如图2 所示，该补偿函数是基于实验得到，将4-40Hz范围内各频率点输出的振荡压力 补偿至2cmH2O。
控制处理单元03利用随机函数生成初始相位组合，通过幅值和相位构建多 正弦信号组合信号利用多个频率的正弦信号在时域上进行叠加，形成有多个频 率信息的伪随机信号，控制扬声器06产生含有多个频率正弦信号组合的伪随机 信号，其中多正弦信号组合信号的每个频率分量的振荡压力幅值约为2cmH2O。 为避免总的振荡水平过高形成饱和失真，控制信号将采用时域幅值削减法进行 相位优化，使时域信号的压力值分布比较密集。算法流程如图3所示，计算多 正弦信号组合信号的最大值和最小值，根据最值设置削减阈值，将超过削减阈 值的部分削减到阈值，之后对削减后的幅值进行傅里叶变换求出相位谱，最后 找到各个频率分量的相位并更新相位组合，循环上述过程多次，直到波峰系数 Kr值变化小于某个阈值或循环次数到达设置值，停止循环，其中为 波峰系数，Eeff为组合信号的总能量，M+为组合信号的最大值，M-为组合信号的最 小值。
信号采集模块02同步采集人工气道08中的气体流量和压力信号，根据所 测得气体流量压力信号，由控制处理单元实现呼吸阻抗的估算，首先使用凯瑟 滤波器对原始流量压力信号进行低通滤波，分别对压力信号和流量信号进行离 散傅里叶变换，
Figure BDA0002198607670000053
其中xp(n)为所采集的压力离散信号，Sp(k)为离散傅里叶变换后的压力信号 频谱序列，Ap(k)为压力信号频谱的实部，Bp(k)为压力信号频谱的虚部，xf(n) 为所采集的流量离散信号，Sf(k)为离散傅里叶变换后的流量信号频谱序列，Af(k) 为流量信号频谱的实部，Bf(k)为流量信号频谱的虚部。进一步求得压力信号与 流量信号的自功率谱Gpp和互功率谱Gpf进而求得某一频率分量x信号的呼吸系统 阻抗的幅值Zx与相位θx，以及呼吸阻力系数R与呼吸电抗系数X。
Figure BDA0002198607670000061
Figure BDA0002198607670000062
R＝|Zx|cosθx
X＝|Zx|sinθx
综上所述，本发明搭建了适用于适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼 吸力学参数检测装置，通过在人工气道上加载振荡信号的方法实现受检者呼吸 力学参数的估算。该装置通过密封扬声器串联入人工气道使得振荡压力能有效 加入通气气流，结合大量样本实验给出了控制信号补偿函数，提出采用时域幅 值削减法进行相位优化，以得到有效的复频随机信号，并采用功率谱法实现呼 吸力学参数的有效估算，进而为临床医生监控机械通气治疗效果提供有意义的 参考。
本发明的适用于适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检 测装置，适用于使用机械通气进行治疗的患者，可以在不影响正常治疗的同 时实现实时呼吸力学参数检测，不受机械通气模式限制。
以上举例仅是本发明的一个具体实施例。显然，本领域的技术人员可以 对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本 发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本 发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，包括振荡压力产生模块，信号采集模块，控制处理单元以及气路部分，其特征在于：控制处理单元采用函数补偿的方法使振荡压力产生模块产生幅度稳定的幅频信号，通过密闭气道管路串联在正压通气的人工气道上，信号采集模块同步采集人工气道中的气体流量和压力信号，由控制处理单位实现呼吸力学参数的估算。
2.如权利要求1所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，采用扬声器作为振荡压力产生模块，其特征在于：密封扬声器后部空间，增加扬声器盆面的压力，气路将扬声器盆面空间串联入机械通气人工气道，使人工气道中形成强迫振荡压。
3.如权利要求1所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，振荡压力产生模块可以产生4-40Hz的2cmH2O振荡压力信号，其特征在于：控制处理单元采用函数补偿的方法使振荡压力产生模块产生幅度稳定的幅频信号。
4.如权利要求4所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，其控制处理单元向扬声器发送正弦控制信号，使扬声器得到15Hz幅值2cmH2O的正弦振荡信号，并通过函数补偿的方法使振荡压力产生模块产生4-40Hz范围内幅度稳定的幅频信号，其特征在于：控制处理单元给出控制信号根据函数y＝1.219e-0.244x+0.2331进行不同频率点的控制信号的幅度补偿，对不同频率进行失真补偿，其中x为频率，在4-40Hz范围内，y为控制电压信号，该补偿函数是基于实验得到，将各频率点输出的振荡压力补偿至2cmH2O。
5.如权利要求1所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，由控制处理单元产生多个频率的正弦信号在时域上进行叠加，形成复频伪随机信号，并利用时域幅值削减法对组合信号的伪随机信号需要进行相位优化，其特征在于：利用随机函数生成初始相位组合，通过幅值和相位构建多正弦信号组合信号，然后计算多正弦信号组合信号的最大值和最小值，根据最值设置削减阈值，将超过削减阈值的部分削减到阈值，之后对削减后的幅值进行傅里叶变换求出相位谱，最后找到各个频率分量的相位并更新相位组合，循环上述过程多次，直到波峰系数Kr值变化小于某个阈值或循环次数到达设置值，停止循环，其中
Figure FDA0002198607660000021
为波峰系数，Eeff为组合信号的总能量，M+为组合信号的最大值，M-为组合信号的最小值。
6.如权利要求1所述的适用于正压通气条件下基于强迫振荡的呼吸力学参数检测装置，由控制处理单元实现呼吸阻抗的估算，其特征在于：首先原始流量压力信号进行低通滤波，然后分别进行傅里叶变换，并在多频率点进行功率谱法计算，得到呼吸阻抗。
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