CN111658931A - 一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统 - Google Patents

一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，包括：环境检测模块、人机接口、中央处理单元、人机耦合模型及空氧混合气体发生调节装置，环境检测模块，用于采集环境参数信息；人机接口，用于录入病人体征参数信息；人机耦合模型，接收环境参数信息与病人体征参数信息，通过自适应调节，模拟实际使用场景；中央处理单元，接收人机耦合模型传输的模拟信息，发出控制指令给空氧混合气体发生调节装置；空氧混合气体发生调节装置，将调节后的湿化空氧混合气体输出给病人。本发明对治疗过程中气体温湿度和氧浓度进行动态自适应调节，达到最佳治疗条件，完成治疗全过程的人机协调，保障了经鼻高流量湿化氧疗临床疗效和安全性。

Description

一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，更具体的说是涉及一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统。
背景技术
氧疗是目前国内外临床上最常用的呼吸疾病治疗手段。传统氧疗方式采用鼻导管或面罩吸氧，吸入的氧气难以达到足够的湿化程度和温度，同时吸入氧气流速受到限制。
经鼻高流量湿化氧疗(High-Flow Nasal Cannula Oxygen Therapy，HFNC)是从国外引进的最新呼吸支持技术，可同时满足患者气道湿化、温度和吸入氧气流速的需求，且舒适度高，填补了国内临床应用空白，在临床上得以迅速推广。
目前国内外HFNC装备研究均处于起步阶段，在核心技术上存在明显缺陷，无法满足临床个性化、精准化的需求。主要表现为缺少智能化技术，不能很好适应国内多变的气候环境和病人的个体差异，影响疗效，不利于在基层和家庭规范应用及推广。
因此，如何提供一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，对治疗过程中气体温湿度和氧浓度进行动态自适应调节，达到最佳治疗条件，完成治疗全过程的人机协调，保障了经鼻高流量湿化氧疗临床疗效和安全性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，包括：环境检测模块、人机接口、中央处理单元、人机耦合模型及空氧混合气体发生调节装置，其中，
所述环境检测模块，用于采集环境参数信息；
所述人机接口，用于录入病人体征参数信息；
所述人机耦合模型，接收环境参数信息与病人体征参数信息，通过自适应调节，模拟实际使用场景；
所述中央处理单元，接收人机耦合模型传输的模拟信息，发出控制指令给空氧混合气体发生调节装置；
所述空氧混合气体发生调节装置，将调节后的湿化空氧混合气体输出给病人。
优选的，所述环境检测模块包括温度传感器、湿度传感器和氧浓度传感器；所述温度传感器采集环境的温度参数信息，所述湿度传感器采集环境的湿度参数信息，所述氧浓度传感器采集环境的氧气浓度参数信息。
优选的，还包括ADC采集器，将环境参数信息转换成模拟量/数字量供人机耦合模型读取与计算。
优选的，还包括电源管理模块，用于将电源有效分配给环境检测模块、人机接口、人机耦合模型、中央处理单元及ADC采集器。
优选的，所述人机耦合模型包括控制器和自适应控制模块，控制器用于将气体温度预设值、气体湿度预设值、气体氧浓度预设值与空氧混合气体发生调节装置输出的湿化空氧混合气体的温度、湿度、氧浓度分别进行比对，自适应控制模块根据对比结果调节空氧混合气体发生调节装置输出的湿化空氧混合气体的温度、湿度、氧浓度。
优选的，比对的方法为：温度传感器、湿度传感器、氧浓度传感器实时采集空氧混合气体发生调节装置所产生的气体的温度、湿度、氧浓度，与预设值做差值，得到各节点误差值e(k)、e(i)和e(j)，若误差值低于预设值，则自适应调节不执行，自适应控制模块不工作；若误差值高于预设值，则自适应控制模块根据实际与设定的气体温度、湿度、氧浓度信息间的差值以及目标参数，执行自适应调节。
优选的，预设值的得出方法为：通过灰色关联度分析法描述环境温度、湿度、氧浓度及病人体征参数的关系，实现定性与定量的分析结合，从而得到最优的湿化空氧混合气体参数输出。
优选的，灰色关联度分析法包括：
①预处理：选取初值化法、始点零化法、极大化法、逆化法或均值化法等某一数值预处理方法对影响疗效的参数数值进行无量纲化处理，计算得到各参数的灰色相对关联度序列初值像，以消除各影响参数因不同量纲间的差异，使得这些参数间具有可比较性；
②灰色关联度的计算：选取基于相对关联对和绝对关联度的综合关联度分析各参数间的联系。
优选的，选取基于相对关联对和绝对关联度的综合关联度分析各参数间的联系的方法为：首先分别选择预处理方法中初值化法和始点零化法消除量纲，计算得到各参数间的灰色相对关联度序列初值像及灰色相对关联度序列的始点零化像，通过相对关联度计算公式计算各因素间灰色相对关联度；然后计算得到各参数间的灰色绝对关联度序列初值像及灰色绝对关联度序列的始点零化像，通过绝对关联度计算公式计算得到各因素间灰色绝对关联度；最后基于各因素间灰色相对关联度及各因素间灰色绝对关联度，根据灰色综合关联度计算公式计算各影响因素间的综合关联度，依据值的大小对温度、湿度、氧浓度进行排序，以确定各因素对治疗疗效影响程度，确定权重值w1、w2及w3从而为自适应调节控制器误差的预设值提供依据。
本发明的有益效果在于：
本发明针对现有经鼻高流量湿化氧疗设备参数不能根据环境、疾病变化进行自动调节导致氧疗不智能、人机不协调、临床上难以实现病人的个体化精准氧疗问题，建立多参数耦合下温度、湿度、氧浓度动态自适应调节技术，即建立环境、病人和设备的人机耦合多参数控制模型，基于灰色关联度分析法获取最优参数组合，对治疗过程中气体温度、湿度和氧浓度进行动态自适应调节，达到最佳治疗条件，完成治疗全过程的人机协调，保障经鼻高流量湿化氧疗的临床疗效和安全性，从而解决目前国内外装备智能化缺失，人机协调性不够的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的结构示意图。
图2附图为本发明的工作流程图。
图3附图为本发明灰色关联度分析法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
请参阅附图1-2，本发明提供了一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，包括：环境检测模块、人机接口、中央处理单元、人机耦合模型及空氧混合气体发生调节装置，其中，
环境检测模块，用于采集环境参数信息；
人机接口，用于录入病人体征参数信息，包括疾病特点、治疗敏感度等；
人机耦合模型，接收环境参数信息与病人体征参数信息，通过自适应调节，模拟实际使用场景；
中央处理单元，接收人机耦合模型传输的模拟信息，发出控制指令给空氧混合气体发生调节装置；
空氧混合气体发生调节装置，将调节后的湿化空氧混合气体输出给病人。
环境检测模块包括温度传感器、湿度传感器和氧浓度传感器；温度传感器采集环境的温度参数信息，湿度传感器采集环境的湿度参数信息，氧浓度传感器采集环境的氧气浓度参数信息。
本发明还包括ADC采集器，将环境参数信息转换成模拟量/数字量供人机耦合模型读取与计算。
本发明还包括电源管理模块，用于将电源有效分配给环境检测模块、人机接口、人机耦合模型、中央处理单元及ADC采集器。
人机耦合模型包括控制器和自适应控制模块，控制器用于将气体温度预设值、气体湿度预设值、气体氧浓度预设值与空氧混合气体发生调节装置输出的湿化空氧混合气体的温度、湿度、氧浓度分别进行比对，自适应控制模块根据对比结果调节空氧混合气体发生调节装置输出的湿化空氧混合气体的温度、湿度、氧浓度。
比对的方法为：温度传感器、湿度传感器、氧浓度传感器实时采集空氧混合气体发生调节装置所产生的气体的温度、湿度、氧浓度，与预设值做差值，得到各节点误差值e(k)、e(i)和e(j)，若误差值低于预设值，则自适应调节不执行，自适应控制模块不工作；若误差值高于预设值，则自适应控制模块根据实际与设定的气体温度、湿度、氧浓度信息间的差值以及目标参数，执行自适应调节。
其中，预设值的得出方法为：通过灰色关联度分析法描述环境温度、湿度、氧浓度及病人体征参数的关系，实现定性与定量的分析结合，从而得到最优的湿化空氧混合气体参数输出。
参考附图3，灰色关联度分析法包括：①预处理：选取初值化法、始点零化法、极大化法、逆化法或均值化法等某一数值预处理方法对影响疗效的参数数值进行无量纲化处理，计算得到各参数的灰色相对关联度序列初值像，以消除各影响参数因不同量纲间的差异，使得这些参数间具有可比较性；②灰色关联度的计算：选取基于相对关联对和绝对关联度的综合关联度分析各参数间的联系。选取基于相对关联对和绝对关联度的综合关联度分析各参数间的联系的方法为：首先分别选择预处理方法中初值化法和始点零化法消除量纲，计算得到各参数间的灰色相对关联度序列初值像及灰色相对关联度序列的始点零化像，通过相对关联度计算公式计算各因素间灰色相对关联度；然后计算得到各参数间的灰色绝对关联度序列初值像及灰色绝对关联度序列的始点零化像，通过绝对关联度计算公式计算得到各因素间灰色绝对关联度；最后基于各因素间灰色相对关联度及各因素间灰色绝对关联度，根据灰色综合关联度计算公式计算各影响因素间的综合关联度，依据值的大小对温度、湿度、氧浓度进行排序，以确定各因素对治疗疗效影响程度，确定权重值w1、w2及w3(w1+w2+w3＝1，假设w1>w2>w3)从而为自适应调节控制器误差的预设值提供依据。对于影响疗效最重要、重要、次重要的参数，自适应控制器工作的的预设误差值e则相应减小，误差预设值分给为w3*e，w2*e，w1*e。
本发明针对现有经鼻高流量湿化氧疗设备参数不能根据环境、疾病变化进行自动调节导致氧疗不智能、人机不协调、临床上难以实现病人的个体化精准氧疗问题，建立多参数耦合下温度、湿度、氧浓度动态自适应调节技术，即建立环境、病人和设备的人机耦合多参数控制模型，基于灰色关联度分析法获取最优参数组合，对治疗过程中气体温度、湿度和氧浓度进行动态自适应调节，达到最佳治疗条件，完成治疗全过程的人机协调，保障经鼻高流量湿化氧疗的临床疗效和安全性，从而解决目前国内外装备智能化缺失，人机协调性不够的问题。
本发明的工作流程：
①系统设计前准备工作：首先收集不同病人在现有模式高流量经鼻氧疗治疗下，所设置的气体温湿度及氧浓度的疗效(这里的疗效可以以治愈时间为判定依据)，利用灰色关联度分析法分析各参数间的关联度值，依据值的大小进行排序、分类，从而确定这三个因素对疗效影响的优先级。
②依据经鼻高流量湿化氧疗设备执行元件(设备内空压机、加热线路、湿化水罐等)、病人、环境所建立的人机耦合模型，如θ(t)或者
Figure BDA0002583747520000071
r(t)、φ(t)、ω(t)、
Figure BDA0002583747520000081
等分别表示环境中温度、湿度、氧浓度、病人治疗灵敏度等系统多参数随时间变化的状态。
③医生通过设备的人机接口录入病人的疾病、治疗敏感度等体征参数；同时通过人机接口设置合适的气体温度、湿度，以及录入空氧比，实现系统参数的预设定；
④动态自适应控制过程
系统依据所采集到的环境温度、湿度、氧浓度、病人治疗灵敏度及疾病等人体征特点输入到人机耦合模型中，为实现系统参数的辨识提供依据；
温度传感器、湿度传感器、氧浓度传感器实时采集空氧混合气体发生调节装置(设备内空压机、加热线路、湿化水罐等)所产生的气体的温度、湿度、氧浓度，与预设值做差值，得到各节点误差值e(k)、e(i)和e(j)，若误差值低于设定值，则系统的自适应调节不执行，自适应控制模块不工作；若误差值高于预设值，则系统的自适应控制模块根据实际与设定的气体温湿度、氧浓度信息间的差值以及目标参数，执行自适应调节，通过不断的提取人机耦合模型的信息(环境信息)和改变控制器参数，使人机耦合模型更接近实际使用场景，进而将控制程序录入到中央处理单元中。
中央处理单元依据病人体征参数、检测到的环境温度、湿度、氧浓度信息，由中央处理单元计算得到相应的温度、湿度及氧浓度的湿化空氧混合气体参数，同时发出控制指令给空氧混合气体发生、调节装置，从而输出给病人。
系统实时采集环境的温度、湿度及氧浓度信号，中央处理单元依据这些参数做实时计算处理，实现治疗过程中气体温湿度和氧浓度的动态自适应调节。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，包括：环境检测模块、人机接口、中央处理单元、人机耦合模型及空氧混合气体发生调节装置，其中，
所述环境检测模块，用于采集环境参数信息；
所述人机接口，用于录入病人体征参数信息；
所述人机耦合模型，接收环境参数信息与病人体征参数信息，通过自适应调节，模拟实际使用场景；
所述中央处理单元，接收人机耦合模型传输的模拟信息，发出控制指令给空氧混合气体发生调节装置；
所述空氧混合气体发生调节装置，将调节后的湿化空氧混合气体输出给病人。
2.根据权利要求1所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，所述环境检测模块包括温度传感器、湿度传感器和氧浓度传感器；所述温度传感器采集环境的温度参数信息，所述湿度传感器采集环境的湿度参数信息，所述氧浓度传感器采集环境的氧气浓度参数信息。
3.根据权利要求1所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，还包括ADC采集器，将环境参数信息转换成模拟量/数字量供人机耦合模型读取与计算。
4.根据权利要求3所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，还包括电源管理模块，用于将电源有效分配给环境检测模块、人机接口、人机耦合模型、中央处理单元及ADC采集器。
5.根据权利要求1所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，所述人机耦合模型包括控制器和自适应控制模块，控制器用于将气体温度预设值、气体湿度预设值、气体氧浓度预设值与空氧混合气体发生调节装置输出的湿化空氧混合气体的温度、湿度、氧浓度分别进行比对，自适应控制模块根据对比结果调节空氧混合气体发生调节装置输出的湿化空氧混合气体的温度、湿度、氧浓度。
6.根据权利要求5所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，比对的方法为：温度传感器、湿度传感器、氧浓度传感器实时采集空氧混合气体发生调节装置所产生的气体的温度、湿度、氧浓度，与预设值做差值，得到各节点误差值e(k)、e(i)和e(j)，若误差值低于预设值，则自适应调节不执行，自适应控制模块不工作；若误差值高于预设值，则自适应控制模块根据实际与设定的气体温度、湿度、氧浓度信息间的差值以及目标参数，执行自适应调节。
7.根据权利要求6所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，预设值的得出方法为：通过灰色关联度分析法描述环境温度、湿度、氧浓度及病人体征参数的关系，实现定性与定量的分析结合，从而得到最优的湿化空氧混合气体参数输出。
8.根据权利要求7所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，灰色关联度分析法包括：
①预处理：选取初值化法、始点零化法、极大化法、逆化法或均值化法等某一数值预处理方法对影响疗效的参数数值进行无量纲化处理，计算得到各参数的灰色相对关联度序列初值像，以消除各影响参数因不同量纲间的差异，使得这些参数间具有可比较性；
②灰色关联度的计算：选取基于相对关联对和绝对关联度的综合关联度分析各参数间的联系。
9.根据权利要求8所述的一种智能经鼻高流量湿化氧疗系统，其特征在于，选取基于相对关联对和绝对关联度的综合关联度分析各参数间的联系的方法为：首先分别选择预处理方法中初值化法和始点零化法消除量纲，计算得到各参数间的灰色相对关联度序列初值像及灰色相对关联度序列的始点零化像，通过相对关联度计算公式计算各因素间灰色相对关联度；然后计算得到各参数间的灰色绝对关联度序列初值像及灰色绝对关联度序列的始点零化像，通过绝对关联度计算公式计算得到各因素间灰色绝对关联度；最后基于各因素间灰色相对关联度及各因素间灰色绝对关联度，根据灰色综合关联度计算公式计算各影响因素间的综合关联度，依据值的大小对温度、湿度、氧浓度进行排序，以确定各因素对治疗疗效影响程度，确定权重值w1、w2及w3从而为自适应调节控制器误差的预设值提供依据。
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