CN111513721B - 一种呼吸节律发生器及其控制方法 - Google Patents

一种呼吸节律发生器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种呼吸节律发生器及其控制方法，所述呼吸节律发生器结构为：包括两位三通电磁阀、两位四通电磁阀、调速气泵、被检设备接口和控制器；所述两位三通电磁阀的2号口与两位四通电磁阀的B口相连，所述四通电磁阀的A口连接被检设备接口，所述调速气泵的P口、T口分别连接两位四通电磁阀的P口、T口；所述控制器分别对两位三通电磁阀进行气体控制、对两位四通电磁阀进行方向控制、对调速气泵进行流速控制。本发明解决多参数监护仪的呼末二氧化碳浓度和呼吸率两个计量参数检定的问题以及呼末二氧化碳检测仪的校准、质检问题，装置外形小巧，操作简便，方便在医院开展现场检定工作。

Description

一种呼吸节律发生器及其控制方法
技术领域
本发明涉及人体呼吸模拟及检定技术领域，特别是一种呼吸节律发生器及其控制方法。
背景技术
多参数监护仪能为医学临床诊断提供重要的病人信息，通过各种功能模块，可实时检测人体的心电信号、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率和体温等重要参数，实现对各参数的监督报警，信息存储和传输，是一种监护病人的重要设备。2019年12月31日，国家市场监督管理总局首次颁布JJG1163-2019《多参数监护仪检定规程》，2020年3月1日正式实施，并将多参数监护仪纳入国检计量器具强检目录，该检定规程的计量器具及配套设备表里面首次提出了呼吸节律发生器，以及其参数要求。
呼吸节律发生器是一种模拟人体呼吸动作产生不同呼吸频率的仪器，可选择不同浓度的CO2标准气体，可用于呼末参数监测设备及含有此功能的多参数监护仪进行的检定工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种呼吸节律发生器及其控制方法，解决多参数监护仪的呼末二氧化碳浓度和呼吸率两个计量参数检定的问题以及呼末二氧化碳检测仪的校准、质检问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种呼吸节律发生器，包括两位三通电磁阀、两位四通电磁阀、调速气泵、被检设备接口和控制器；所述两位三通电磁阀的2号口与两位四通电磁阀的B口相连，所述四通电磁阀的A口连接被检设备接口，所述调速气泵的P口、T口分别连接两位四通电磁阀的P口、T口；所述控制器分别对两位三通电磁阀进行气体控制、对两位四通电磁阀进行方向控制、对调速气泵进行流速控制。
根据上述呼吸节律发生器，本发明还提供了其控制方法，包括以下步骤：
1)确定发生器的模拟状态
当模拟呼气动作时：两位三通电磁阀和两位四通电磁阀同时处于第一状态，即两位三通电磁阀的2号口和3号口连通，两位四通电磁阀的P口和A口连通、T口和B口连通；在调速气泵的作用下，CO2气体通过被检设备接口呼出；
当模拟吸气动作时：两位三通电磁阀和两位四通电磁阀同时处于第二状态，即两位三通电磁阀的2号口和1号口连通；两位四通电磁阀的P口和B口连通、T口和A口连通；在调速气泵的作用下，外部空气通过被检设备接口吸入；
2)设置呼吸频率的控制参数
参数包括呼气时间et、吸气时间it、潮气量VT；呼吸频率RR和呼气时间et、吸气时间it的关系如式(1)所示，潮气量VT与呼气气泵流速fre(t)、吸气气泵流速fri(t)、呼气时间et、吸气时间it的关系如式(2)所示，呼吸比EIr与呼气时间et、吸气时间it的关系如式(3)所示；
RR＝60/(et+it) (1)
Figure BDA0002461123950000021
EIr＝et/it (3)
3)实现控制过程
调速气泵提供一定范围内的流速fr，通过PWM调速信号的占空比DR来控制，满足式(4)所示的关系，式中，k为气泵的流量控制系数；
fr＝k*DR (4)
两位四通电磁阀通过气流方向的切换实现呼气、吸气动作的模拟；两位三通电磁阀有两个状态，由一个控制信号的高、低电平来控制；高电平对应第一状态，低电平对应第二状态；调整控制信号的高电平时间Th和低电平时间Tl来实现和呼气时间et、吸气时间it和呼吸比的控制；
et＝Th；it＝Tl (5)
将式(4)、式(5)带入呼吸参数的数学模型，得到RPM(respire per minute，每分钟呼吸次数)、VT和EIr与硬件电路控制参数的数学模型：
Figure BDA0002461123950000031
Figure BDA0002461123950000032
DRe＝VT/k*Th；DRi＝VT/k*Tl (8)
控制器根据用户设置的呼吸参数，利用式(6)～式(8)的数学模型计算出该呼吸条件下的硬件控制参数Th、Tl以及调速气泵呼气调速占空比参数DRe、吸气调速占空比参数DRi。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)解决目前多参数监护仪呼末二氧化碳浓度和呼吸率没有相应的检定设备的问题，填补技术空白。2)装置配置了主流、旁流两种呼末二氧化碳测试方式的标准接口，满足市面上绝大多数多参数监护仪及呼末二氧化碳监测仪的检定要求。3)装置外形小巧，操作简便，方便在医院开展现场检定工作。
附图说明
图1是本发明中呼吸节律发生器结构示意图。
图2是本发明的呼吸节律发生器的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明是采用一种基于微型调速气泵和电磁阀的模拟呼吸动作，产生不同呼吸频率的标准呼吸节律发生器。其中调速气泵用于提供呼吸动力，配合两位四通电磁阀和两位三通电磁阀实现呼吸动作的模拟。通过调速气泵的流量来模拟人肺的呼气分钟通气量；通过两位三通电磁阀的通道切换实现呼出CO2气体和吸入空气的切换；通过两位四通电磁阀的通道切换实现呼气和吸气的气流方向切换。通过控制两个电磁阀可实现不同呼吸频率的调节。配合已知浓度的CO2气体，实现呼末二氧化碳浓度参数和呼吸率参数的检定功能。
本发明发生器的结构为：包括两位三通电磁阀、两位四通电磁阀、调速气泵、被检设备接口和控制器；所述两位三通电磁阀的2号口与两位四通电磁阀的B口相连，所述四通电磁阀的A口连接被检设备接口，所述调速气泵的P口、T口分别连接两位四通电磁阀的P口、T口；所述控制器分别对两位三通电磁阀进行气体控制、对两位四通电磁阀进行方向控制、对调速气泵进行流速控制。
模拟呼气动作：两位三通电磁阀和两位四通电磁阀同时处于第一状态，即两位三通电磁阀2号口和3号口连通；两位四通电磁阀P口和A口，T口和B口连通。此时在调速气泵的作用下，CO2气体通过被检设备接口呼出，完成呼气动作，如图1中实心箭头所示。
模拟吸气动作：两位三通电磁阀和两位四通电磁阀同时处于第二状态，即两位三通电磁阀2号口和1号口连通；两位四通电磁阀P口和B口，T口和A口连通。此时在调速气泵的作用下，外部空气通过被检设备接口吸入，最终排入空气中，完成吸气动作，如图1中空心箭头所示。
呼吸频率的控制：一次完整的呼吸动作需要控制三个主要参数，呼气时间et、吸气时间it、潮气量VT。呼吸频率RR和呼气时间et、吸气时间it的关系如式(1)所示；潮气量VT与气泵流速、呼气时间et、吸气时间it的关系如式(2)所示；呼吸比EIr与呼气时间et、吸气时间it的关系如式(3)所示。
RR＝60/(et+it) (1)
Figure BDA0002461123950000051
EIr＝et/it (3)
正常情况下，成人的潮气量体重比为(8～10)ml/kg，小儿为(6～10)ml/kg，正常人呼吸比E/I(et：it)1.5：1～2:1。呼吸节律发生器的潮气量可调范围(100～1000)ml，呼吸比范围1:1～3:1。呼吸率范围(2～100)RPM。用户可根据需要设置以上三个参数。
本发明中，调速气泵可提供一定范围内的流速fr(ml/s)，通过PWM调速信号的占空比DR来控制，满足式(4)所示的关系。式中，k为气泵的流量控制系数，为确定值。
fr＝k*DR (4)
两位四通电磁阀通过气流方向的切换实现呼、吸动作的模拟。两位三通电磁阀有两个状态，由一个控制信号的高、低电平来控制。高电平对应第一状态(往外呼气)，低电平对应第二状态(往里吸气)。调整控制信号的高电平时间(Th)和低电平时间(Tl)来实现和呼气时间et、吸气时间it和呼吸比的控制。
et＝Th；it＝Tl (5)
将式(4)、式(5)带入呼吸参数的数学模型，得到RPM、VT和EIr与硬件电路控制参数的数学模型：
Figure BDA0002461123950000052
Figure BDA0002461123950000053
DRe＝VT/k*Th；DRi＝VT/k*Tl (8)
控制器(微处理器)是基于STM32 ARM微处理器平台开发。控制器根据用户设置的呼吸参数(呼吸率、潮气量、呼吸比)，利用式(6)～式(8)的数学模型计算出该呼吸条件下的硬件控制参数Th、Tl、DRe、DRi。
PWM流速控制信号的占空比DRe、DRi，通过STM32内置的定时器PWM功能实现。Th、Tl的控制是利用处理器内部定时器中断对GPIO口的状态设置来实现，时间控制精度1ms。控制器流程图如图2所示。
为了验证本发明呼吸节律发生器的实际应用效果，以一台迈瑞iPM10多参数监护仪来验证，该监护仪配有旁流式呼末参数模块。呼吸率在(10～60)RPM范围内监护仪的示值与呼吸节律发生器的示值一致；标准气体使用4.99％体积比的CO2，测试环境的大气压为95.5kPa，该气压条件下的标气体积浓度为35.68mmHg，监护仪显示的CO2浓度为36mmHg。测试验证了本发明技术的呼吸节律发生器满足实际使用要求。
本发明呼吸节律发生器满足JJG1163-2019检定规程要求，主要用于呼吸末二氧化碳监测模块的检测，适用于多参数监护仪及呼末二氧化碳监护仪等仪器设备,分为主流监测和旁流监测两种检测方式，可以利用多种已知浓度的标准CO2气体检验被测设备CO2模块监测的准确性，具有操作简捷、外形小巧、方便携带等特点。

Claims (1)

1.一种呼吸节律发生器的控制方法，其特征在于，所述呼吸节律发生器包括两位三通电磁阀、两位四通电磁阀、调速气泵、被检设备接口和控制器；所述两位三通电磁阀的2号口与两位四通电磁阀的B口相连，所述四通电磁阀的A口连接被检设备接口，所述调速气泵的P口、T口分别连接两位四通电磁阀的P口、T口；所述控制器分别对两位三通电磁阀进行气体控制、对两位四通电磁阀进行方向控制、对调速气泵进行流速控制；
所述控制方法包括以下步骤：
1)确定发生器的模拟状态
当模拟呼气动作时：两位三通电磁阀和两位四通电磁阀同时处于第一状态，即两位三通电磁阀的2号口和3号口连通，两位四通电磁阀的P口和A口连通、T口和B口连通；在调速气泵的作用下，CO2气体通过被检设备接口呼出；
当模拟吸气动作时：两位三通电磁阀和两位四通电磁阀同时处于第二状态，即两位三通电磁阀的2号口和1号口连通；两位四通电磁阀的P口和B口连通、T口和A口连通；在调速气泵的作用下，外部空气通过被检设备接口吸入；
2)设置呼吸频率的控制参数
参数包括呼气时间et、吸气时间it、潮气量VT；呼吸频率RR和呼气时间et、吸气时间it的关系如式(1)所示，潮气量VT与呼气气泵流速fre(t)、吸气气泵流速fri(t)、呼气时间et、吸气时间it的关系如式(2)所示，呼吸比EIr与呼气时间et、吸气时间it的关系如式(3)所示；
RR＝60/(et+it) (1)
Figure FDA0004162704560000011
EIr＝et/it (3)
3)实现控制过程
调速气泵提供一定范围内的流速fr，通过PWM调速信号的占空比DR来控制，满足式(4)所示的关系，式中，k为气泵的流量控制系数；
fr＝k*DR (4)
两位四通电磁阀通过气流方向的切换实现呼气、吸气动作的模拟；两位三通电磁阀有两个状态，由一个控制信号的高、低电平来控制；高电平对应第一状态，低电平对应第二状态；调整控制信号的高电平时间Th和低电平时间Tl来实现和呼气时间et、吸气时间it和呼吸比的控制；
et＝Th；it＝Tl (5)
将式(4)、式(5)带入呼吸参数的数学模型，得到RPM、VT和EIr与硬件电路控制参数的数学模型：
Figure FDA0004162704560000021
Figure FDA0004162704560000022
DRe＝VT/k*Th；DRi＝VT/k*Tl (8)
控制器根据用户设置的呼吸参数，利用式(6)～式(8)的数学模型计算出相应呼吸条件下的硬件控制参数Th、Tl以及调速气泵呼气调速占空比参数DRe、吸气调速占空比参数DRi。
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