CN110743070B - 一种用于人工气道管理的气囊压力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人工气道管理的气囊压力调节装置及调节方法，包括带PWM输出的微控制器，微控制器的PWM模块连接无刷电机充气泵，电机反馈部分连接微控制器捕获模块，无刷电机充气泵气体输出连接气囊，气囊又通过管路连接压力传感器和泄气电磁阀，压力传感器上的电信号传输给微控制器，微控制器又通过I/O口控制电磁阀，当压力过大时，通过泄气电磁阀排放掉气囊内多余的压力。本发明能够使气囊压力精准、快速并恒定在设定的压力数值上，有效抑制了气囊随着外部条件的变化而压力忽高忽低，提高了人工气道气囊压力的环境适应能力，整体上提高了人工气道气囊的可靠性、安全性和稳定性，有利于医疗机构对人工气道气囊的规模化推广应用。

Description

一种用于人工气道管理的气囊压力调节装置

技术领域：

本发明涉及一种气囊压力调节装置，尤其是一种用于人工气道管理的气囊压力调节装置。

背景技术：

在现代临床中，ICU建立人工气道进行机械通气已经成为抢救危重病人的重要手段，也是临床上用于改善呼吸的重要辅助手段，但是机械通气参数设定的合理性以及稳定性直接影响着患者的疗效和康复进程，特别是机械通气过程中气道气囊压力的稳定性更是直接决定着病人的治疗效果，并能直接降低呼吸机相关性肺炎(VAP)的发病率，VAP是最常见和严重的院内获得性肺炎。那么阻止VAP产生最直接有效的办法就是用气囊在声门下组建一个压力合理稳定的阻塞回路。目前人工气道气囊有两种：第一种是手动充气，手动充气设备优点是价格便宜，缺点是充气时气囊压力全靠医护人员经验把控，充气设备插拔时容易发生漏气现象，不易稳定气囊压力，定时检测气囊压力给医护人员带来了很大的工作负担。第二种是普通电机充气，这种充气方式基本实现了智能化，采用气泵维持气囊气压，但是这种方案也有不足，它无法实现充气速度的可控和充气量可调节，也就是说不能实现快速实时随动的稳定气囊压力，由于在实际临床中，患者的呼吸变化(如由平缓呼吸突然变为急促)、患者体位发生改变(如由平躺改为侧卧)等外部因素的改变，都会导致气囊上的分泌物从气囊边缘流入下呼吸道。

发明内容：

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的是在于提供一种能够使气囊的充气速度可控和充气量可实时调节，并稳定在设定的压力范围内，有效抑制了因为气囊压力过大导致的病人气管损失或者因气囊压力过小而导致分泌物从气囊边缘流入下呼吸道的自动充气装置及其运行方法。最根本的原因还是为了减轻医护人员负担，增强患者治疗效果。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于人工气道管理的气囊压力调节装置，包括带PWM输出的微控制器、气囊、压力传感器、泄气电磁阀、无刷电机充气泵，微控制器的PWM模块连接无刷电机充气泵，电机反馈部分连接微控制器捕获模块，无刷电机充气泵气体输出连接气囊，气囊又通过管路连接压力传感器和泄气电磁阀，压力传感器上的电信号传输给微控制器，微控制器又通过I/O口控制电磁阀，当压力过大时，通过泄气电磁阀排放掉气囊内多余的压力。

本发明的进一步改进在于：微控制器、无刷电机充气泵、压力传感器、泄气电磁阀构成一个闭环全自动控制系统，微控制器、无刷电机充气泵、气囊同时又构成一个开环预补气装置控制系统，以弥补闭环全自动控制系统反应滞后的特点。

压力传感器的数据采集和无刷电机充气泵的控制为该调节装置的控制算法的核心部分；微控制器以固定周期采样压力传感器的数据，与人机界面设定的目标压力比较计算出压力偏差，并经过PID算法模块计算输出；该输出量确定了脉冲宽度调制控制单元输出的占空比，从而调节无刷电机充气泵的输出速度；微控制器每隔0.001s采集一次压力传感器的压力数据；将压力控制分为两个阶段：当气囊压力偏差大于阈值δ时，采用增大比例控制系数Kp，增大比例即为加快充气速度，使调节无刷电机充气泵加速输出，以加快充气速度；当气囊压力偏差小于阈值δ时，采用减小比例调节积分调节控制增大积分系数Ki，即稳定调节速度，以降低稳态误差，使气囊内部压力稳定趋近于设定值，因为如果不使用积分调节控制只使用比例调节，那么由于气囊漏气、气泵每转一圈的充气量存在的误差以及测量和充气执行之间存在时间差等原因，会导致我们的充气压力值和控制压力值之间存在稳态误差，也就是说，稳定下来时测量值和设定值之间总会存在固定的误差。所以我们要引入积分调节，只要有偏差存在，就不断地对偏差进行累加，并反映在调节力度(充气速度)上，这样一来，即使20厘米水柱和25厘米水柱相差不大，但是随着时间地推移，只要没有达到目标压力，这个累加就不断增加，系统就会慢慢意识到：还没有达到目标压力，该增加充气量了。但是K_I增大时x(k)的震荡幅度(也就是气囊压力值的震荡赋值)就会增加，也就是充气和放气的反复执行，快速充气后气囊压力大于设定值，此时马上打开电磁阀放气，放气后压力又会小于气囊设定压力值，然后继续充气，如此反复若干次才能让气囊压力稳定到设定值，无法让气囊压力值快速稳定下来。所以要同步增大微分调节系数K_D，采用微分调节控制，以降低暂态误差，所谓降低暂态误差就是减少压力波动，其实就是减缓充气速度，使气囊内部压力稳定趋近于设定值而不会充气时超过设定值；设定值是通过液晶界面直接手动设定的；其中，阈值δ是充气压力值和控制压力值之间存在的差值，阈值δ为5-6厘米的水柱压力；

PID控制算法可以表示为：

式中：K_p，K_I，K_D分别为比例、积分和微分控制系数；x(k)为k时刻的输出值；e(k)为k时刻的压力偏差；e(k-1)为上一次的压力偏差；当e(k)小于阈值δ时增大K_p，减小K_I，K_D，当e(k)大于δ时，比例控制系数K_p，积分控制系数K_I和微分控制系数K_D。

本发明的有益效果为：本发明能够使气囊压力精准、快速并恒定在设定的压力数值上，有效抑制了气囊随着外部条件的变化而压力忽高忽低，提高了人工气道气囊压力的环境适应能力，整体上提高了人工气道气囊的可靠性、安全性和稳定性，有利于医疗机构对人工气道气囊的规模化推广应用。

附图说明：

图1为本发明的调节装置的结构示意图。

图2为本发明的调节方法的闭环反馈算法框架图。

图3为本发明的程序框架流程图。

图2中标号：1为设定压力值、2为AD采样装置、3为微控制器、4为无刷电机充气泵、5为气囊、6为干扰信号、7为压力传感器、8为泄气电磁阀、9为预补气装置。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了验证该方法对人工气道气囊的改善效果，对气囊充气以及改进后的气囊充气进行了充气试验。

为使实施方式的技术优点表达地更加清晰，以下我们结合附图，对发明内容进行完整详细描述。

在本发明的描述中，需要申明的是，除非有其它明确规定或限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“相连”、“传递”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或是一体连接；可以是机械连接，也可以是电气连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介相连，可以是两个元器件内部连通。传递可以是气体压力的传递，也可以是电气数据信息的传递。对于本领域的普通技术员而言，可以就具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对实施方法作详细说明时，实施方法中的特征时可以相互组合的。

如图1所示，本实施方法提供的执行方案，包括气囊、微控制器、电动无刷电机充气泵、压力传感器、泄气电磁阀，微控制器通过PWM部件连接无刷电机充气泵，控制无刷电机充气泵给气囊充气，电动阀通过硅胶四通导管连接气囊、压力传感器、泄气电磁阀，压力传感器把压力信号转化为电信号传递给微控制器，微控制器通过压力传感器得到的压力信号和既设定的压力值进行比较，压力过小时运用PID算法调整充气速度，压力过大时启动泄气电磁阀，减小气囊压力，使气囊压力精准稳定在设定范围内。

本发明通过一个4通管道、压力传感器、无刷电机充气泵、气囊、泄气电磁阀连接在同一气路管道内，使他们处于同一气压下，方便整个系统的测量和控制。本发明通过微控制器、气囊、压力传感器、无刷电机充气泵提供了一套让气囊快速达到既定压力值的闭环反馈的实施方案。本发明又通过微控制器、无刷电机充气泵构成一套开环的预补气装置方法。当初次完成气囊压力稳定后，将启动预补气装置程序。本发明既可以通过微控制器控制的人机界面设定人工气道气囊压力数据，又可以通过485通讯口连接电脑，用电脑上位机软件设定人工气道气囊压力数据。本发明中通过医护人员设定的气囊压力数据自动计算PID调节时的比例控制系数K_p、积分控制系数K_I和微分控制系数K_D。

电动气阀通过管道给气囊提供稳定的压力，气囊的容量为15ml左右，里面充的是空气，一般来说，人工气道气囊的压力一般维持在为25cmH2O～30cmH2O压力。标准大气压是1033.6cmH20压力，那么当28cmH20压力15ml的气囊内的注入的空气量是((1033.6+28)/1033.6)*15＝15.4ml，是当气囊压力突发外因导致突然升高(如气管突然收缩等因素)，设备会开启泄气电磁阀以降低气囊压力，以杜绝气囊因压力过大发生破裂。

医务工作人员使用设备人机界面或者上位机电脑给微控制器设定压力值1，开启充气，如图2所示，微控制器3前端的AD采样装置2便开始采集气囊5相连接的压力传感器7的压力值数据，当数据未达到设定值时，微控制器3会驱动电动无刷电机充气泵4给气囊5充气，同时，气囊5的压力数据又通过压力传感器7和AD采样装置2将气压模拟信号转化为电信号传递给微控制器3，压力传感器7每0.001秒便将气囊压力数据回传给微控制器3，以便微控制器3能实时监控气囊5内的压力，以便微控制器3能够调整PID参数以调整PWM脉宽，来调整无刷电机充气泵4来确定其充气速度，这整个设定压力值1、AD采样装置2、微控制器3、无刷电机充气泵4、气囊5、压力传感器7构成了一个完整的自动控制反馈回路。

图2中的干扰信号6包括外界对气囊5的挤压和气囊5的漏气。当气囊压力过大(超过设定值)时，微控制器3便启动泄气电磁阀8，以释放气囊压力，泄气过程中压力传感器7同样以0.001s/次的速度检测气囊压力，当微控制器3检测到气囊5压力等于设定值时便关闭电磁泄气阀8。泄气过程同样工作在整个自动控制反馈回路中。

图2中的预补气装置9是为了弥补PID算法及反馈回路滞后的缺点，在气囊5压力达到初次设定值后，便启动预补气装置9，其补气方法是在经过精确计算后得出的经验方法，在整个回路中，预补气装置9和泄气电磁阀8属于开环回路，但它只是整个回路的局部，并且是闭环回路的有益补充。

本发明能够使气囊内部的压力稳定在设定的压力范围内，相对于其它充气方法，其特点是：快、准、稳，利用开环控制回路和闭环控制回路相结合的方法，有效地弥补了反馈回路和PID算法滞后的特点。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (1)

1.一种用于人工气道管理的气囊压力调节装置，其特征在于：包括带PWM输出的微控制器、气囊、压力传感器、泄气电磁阀、无刷电机充气泵，微控制器的PWM模块连接无刷电机充气泵，电机反馈部分连接微控制器捕获模块，无刷电机充气泵气体输出连接气囊，气囊又通过管路连接压力传感器和泄气电磁阀，压力传感器上的电信号传输给微控制器，微控制器又通过I/O口控制电磁阀，当压力过大时，通过泄气电磁阀排放掉气囊内多余的压力；

所述微控制器、无刷电机充气泵、压力传感器、泄气电磁阀构成一个闭环全自动控制系统，所述微控制器、无刷电机充气泵、气囊同时又构成一个开环预补气装置控制系统，以弥补闭环全自动控制系统反应滞后的特点；

压力传感器的数据采集和无刷电机充气泵的控制为控制算法；微控制器以固定周期采样压力传感器的数据，与人机界面设定的目标压力比较计算出压力偏差，并经过PID算法模块计算输出；该输出量确定了脉冲宽度调制控制单元输出的占空比，从而调节无刷电机充气泵的输出速度；所述微控制器每隔0.001s采集一次压力传感器的压力数据；将压力控制分为两个阶段：当气囊压力偏差大于阈值δ时，采用增大比例控制系数Kp，使调节无刷电机充气泵加速输出，以加快充气速度；当气囊压力偏差小于阈值δ时，采用减小比例调节积分调节控制增大积分系数Ki，以降低稳态误差，使气囊内部压力稳定趋近于设定值；为了同步增大微分调节系数K_D，即采用微分调节控制，以降低暂态误差，即减少压力波动，减缓充气速度，使气囊内部压力稳定趋近于设定值而不会充气时超过设定值；其中，阈值δ是充气压力值和控制压力值之间存在的差值，阈值δ为5-6厘米的水柱压力；

PID控制算法可以表示为：

式中：K_p，K_I，K_D分别为比例、积分和微分控制系数；x(k)为k时刻的输出值；e(k)为k时刻的压力偏差；e(k-1)为上一次的压力偏差；当e(k)小于阈值δ时增大K_p，减小K_I，K_D，当e(k)大于δ时，比例控制系数K_p，积分控制系数K_I和微分控制系数K_D。

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