CN111752156B - 一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法及治疗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法及治疗系统，包括专家知识库的建立和模糊控制器的设计，专家知识库的建立为模糊控制器的设计提供临床依据；采集呼吸衰竭病人代表性症状数据、治疗参数数据、相关病症流行病学资料的数据指标，并对采集的数据进行存储，对存储的数据进行统计分析，作归一化处理，形成专家知识库；设计四参数输入、二参数输出的多变量模糊控制器，将这两个输出参数作为HFNC呼吸机的设定值，完成专家知识库转化为HFNC呼吸机目标自适应设定。本发明能够实现HFNC呼吸机对患者的自适应通气，方便了临床使用者正确操作HFNC呼吸机，降低了HFNC呼吸机使用中的风险。

Description

一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法及治疗系统
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经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法及治疗系统。
背景技术
呼吸衰竭是各种原因引起的肺通气和(或)换气功能严重障碍，以致不能进行有效的气体交换，导致缺氧伴(或不伴)二氧化碳潴留，从而引起一系列生理功能和代谢紊乱的临床综合征。会造成患者呼吸困难、急促，甚至会引发精神神经症状等，并发肺性脑病时，还可有消化道出血，给患者带来极大痛苦，严重时直接危害生命。
经鼻高流量湿化氧疗(high-flow nasal cannula oxygen therapy，HFNC)技术可同时满足使用者气道湿化、温度和吸入氧气流速的要求，因其使用方便、使用者耐受性好而受到临床医生和护理人员的普遍欢迎。目前在临床上广泛用于纠正低血氧症和高碳酸症。HFNC呼吸机由一个封闭系统组成，在这个系统中，空气和氧气的混合物可以在可变的气体流量下产生。这些气体加热至接近体温，加湿后通过鼻插管输送给患者。但HFNC呼吸机使用中存在的相关参数复杂，很难准确调到合适值。
因此，如何提供一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法及治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，本发明提供了一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法及治疗系统，能够实现HFNC呼吸机对患者的自适应通气，方便了临床使用者正确操作HFNC呼吸机，降低了HFNC呼吸机使用中的风险。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法，包括：专家知识库的建立和模糊控制器的设计，专家知识库的建立为模糊控制器的设计提供临床依据；采集呼吸衰竭病人代表性症状数据、治疗参数数据、相关病症流行病学资料的数据指标，并对采集的数据进行存储，对存储的数据进行统计分析，作归一化处理，形成专家知识库；设计四参数输入、二参数输出的多变量模糊控制器，将这两个输出参数作为HFNC呼吸机的设定值，完成专家知识库转化为HFNC呼吸机目标自适应设定。
优选的，所述模糊控制器模糊控制器的设计方法包括如下步骤：
(1)模糊控制定义变量，包括血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率、潮气量、建议氧浓度、建议呼吸机输出流量；
(2)模糊控制模糊化，是将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值求该值相对的隶属度；
(3)模糊控制知识库，包括数据库与规则库两部分，其中数据库提供处理模糊数据的相关定义；规则库由一群语言控制规则描述控制目标和策略；
(4)模糊控制逻辑判断，模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊值；
(5)模糊控制解模糊化，将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为HFNC呼吸机的输入值。
优选的，所述步骤(5)中，采用重心法作为解模糊化的方法，取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心，作为模糊推理的最终输出值，即输出＝Σ(输入×权重)/Σ权重。
优选的，四参数输入包括血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率、潮气量。
优选的，二参数输出包括氧浓度、呼吸机输出流量。
优选的，模糊控制器包括氧气浓度控制器和流量控制器，所述氧气浓度控制器的输入变量为血氧浓度、吸入气体氧浓度，所述氧气浓度控制器的输出变量为建议氧浓度；所述流量控制器的输入变量为呼吸频率、潮气量，所述流量控制器的输出变量为建议呼吸机输出流量。
优选的，在氧气浓度控制器中，输出的氧气浓度由血氧浓度、吸入氧气浓度决定，当血氧浓度低时，增大建议氧浓度；当吸入氧气浓度较高，而血氧正常时，减小建议氧浓度。
优选的，在流量控制器中，输出的流量由呼吸频率和潮气量决定，当潮气量低时增大HFNC呼吸机输出流量；当潮气量高时减小HFNC呼吸机输出流量；当潮气量稳定时通过衡量呼吸频率改变HFNC呼吸机输出流量。
一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，包括：高流量湿化氧疗设备、血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪、远程控制平台和信号传输装置，所述远程控制平台通过所述信号传输装置分别与所述高流量湿化氧疗设备、所述血氧检测仪、所述潮气量测量仪、所述呼吸频率测量仪相连，获取患者的血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率和潮气量，并提供建议氧浓度、建议呼吸机输出流量。
优选的，所述远程控制平台包括：远程控制系统、人机交互系统、模糊控制器和专家知识库，所述人机交互系统、所述模糊控制器和所述专家知识库均与所述远程控制系统相连。
本发明的有益效果在于：
本发明一些临床病例的解决方法建立了专家知识库，并通过建立模糊控制器实现了将专家知识库转化为HFNC呼吸机目标值自适应设定，能够实现HFNC呼吸机对患者的自适应通气，方便了临床使用者正确操作HFNC呼吸机，降低了HFNC呼吸机使用中的风险，解决了HFNC呼吸机使用中存在的相关参数复杂，很难准确调到合适值，同时仍需要根据患者的病情进行及时调整的问题。
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附图为本发明远程控制平台的工作原理图。
图2附图为本发明各变量与模糊控制器的数据流关系的结构图。
图3附图为本发明氧气浓度控制器的结构图。
图4附图为本发明流量控制器的结构图。
图5附图为本发明模糊控制器的工作原理图。
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1-5，本发明提供了一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗方法，包括：专家知识库的建立和模糊控制器的设计，专家知识库的建立为模糊控制器的设计提供临床依据；采集呼吸衰竭病人代表性症状数据、治疗参数数据、相关病症流行病学资料的数据指标，并对采集的数据进行存储，对存储的数据进行统计分析，作归一化处理，形成专家知识库；设计四参数输入、二参数输出的多变量模糊控制器，将这两个输出参数作为HFNC呼吸机的设定值，完成专家知识库转化为HFNC呼吸机目标自适应设定。其中，四参数输入包括血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率、潮气量；二参数输出包括氧浓度、呼吸机输出流量。
模糊控制器模糊控制器的设计方法包括如下步骤：
(1)模糊控制定义变量，包括血氧浓度SpO2、吸入气体氧浓度FiO2、呼吸频率RR、潮气量VT、建议氧浓度O2％、建议呼吸机输出流量qv；
(2)模糊控制模糊化，是将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值求该值相对的隶属度，此口语化变量称为模糊子集合；
(3)模糊控制知识库，包括数据库与规则库两部分，其中数据库提供处理模糊数据的相关定义；规则库由一群语言控制规则描述控制目标和策略；
(4)模糊控制逻辑判断，模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊值；该部分是模糊控制器的精髓所在。
(5)模糊控制解模糊化，将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为HFNC呼吸机的输入值。
在另一种实施例中，步骤(5)中，采用重心法作为解模糊化的方法，取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心，作为模糊推理的最终输出值，即输出＝Σ(输入×权重)/Σ权重。重心法具有更平滑的输出推理控制，即使对应于输入信号的微小变化，输出也会发生变化。
模糊控制器包括氧气浓度控制器和流量控制器，氧气浓度控制器的输入变量为血氧浓度、吸入气体氧浓度，氧气浓度控制器的输出变量为建议氧浓度；流量控制器的输入变量为呼吸频率、潮气量，流量控制器的输出变量为建议呼吸机输出流量。
模糊参数如表1所示，在各项参数中，血氧浓度被用来判断患者是否为低血氧症，可以与吸入气体氧浓度联合，决定控制量呼吸机输出氧气浓度的调节措施。对于输入量呼吸频率，潮气量可以与输出量呼吸机输出流量组成多输入单输出的模糊控制器。
低 中 高
血氧饱和度 0-90％ 95％-100％
吸入气体氧浓度 20-40％ 40-60％
呼吸频率 0-10次/min 12-28次/min 35-40次/min
潮气量 0-6mL/kg 6-8mL/kg 12-18mL/kg
表1
在氧气浓度控制器中，输出的氧气浓度由血氧浓度、吸入氧气浓度决定，当血氧浓度低时，说明患者气体交换效率低，增大建议氧浓度；当吸入氧气浓度较高，而血氧正常时，减小建议氧浓度。表2表示氧气浓度控制器模糊规则。
Figure BDA0002584173180000061
表2
在流量控制器中，输出的流量由呼吸频率和潮气量决定，当潮气量低时增大HFNC呼吸机输出流量；当潮气量高时减小HFNC呼吸机输出流量；当潮气量稳定时通过衡量呼吸频率改变HFNC呼吸机输出流量。表3表示流量控制器模糊规则。
潮气量 呼吸频率 建议流量 潮气量 呼吸频率 建议流量
低 低 增加 高 低 减小
低 正常 增加 高 正常 减小
低 高 增加 高 高 减小
正常 低 减小
正常 正常 保持
正常 高 增加
表3
表4表示输出的模糊化范围。该系统提供的输出是流量建议增减值和氧浓度建议增减值，传输给HFNC呼吸机的建议呼吸机输出流量的值和建议氧浓度的值需要加上上次的流量值或氧浓度值。
减小 保持 增加
流量建议增减值 [-10 0] [-5 5] [0 10]
氧浓度建议增减值 [-50 0] [-25 25] [0 50]
表4
本发明还提供了一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，包括：高流量湿化氧疗设备、血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪、远程控制平台和信号传输装置，远程控制平台通过信号传输装置分别与高流量湿化氧疗设备、血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪相连，获取患者的血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率和潮气量，并提供建议氧浓度、建议呼吸机输出流量。
远程控制平台包括：远程控制系统、人机交互系统、模糊控制器和专家知识库，人机交互系统、模糊控制器和专家知识库均与远程控制系统相连。人机交互系统提供人机界面，能够显示从血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪采集来的血氧信息、潮气量信息、呼吸频率信息，还能显示经过远程控制系统的计算传输给HFNC呼吸机的建议氧浓度与建议呼吸机输出流量的值。
经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统的工作流程：
1、医生通过血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪采集病人的血氧信息、潮气量信息、呼吸频率信息并传输到远程控制平台中，在远程控制平台中设定初始的氧浓度为0.21，计算建议氧浓度的值、建议呼吸机输出流量的值，发送到HFNC呼吸机上。
2、HFNC呼吸机完成通气任务，将高流量、一定浓度的空氧混合气体通入患者身体。
3、隔1分钟后再次通过血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪采集病人的血氧信息、潮气量信息、呼吸频率信息并传输到远程控制平台中，远程控制系统与模糊控制器结合作用，自动将前一时刻氧浓度设为上一时刻氧浓度建议值，重新计算建议氧浓度与建议呼吸机输出流量的值，发送到HFNC呼吸机上。
4、循环往复，实现HFNC呼吸机对患者的自适应通气。
本发明一些临床病例的解决方法建立了专家知识库，并通过建立模糊控制器实现了将专家知识库转化为HFNC呼吸机目标值自适应设定，能够实现HFNC呼吸机对患者的自适应通气，方便了临床使用者正确操作HFNC呼吸机，降低了HFNC呼吸机使用中的风险。解决了HFNC呼吸机使用中存在的相关参数复杂，很难准确调到合适值，同时仍需要根据患者的病情进行及时调整的问题。
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 (6)

1.一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，其特征在于，包括：高流量湿化氧疗设备、血氧检测仪、潮气量测量仪、呼吸频率测量仪、远程控制平台和信号传输装置，所述远程控制平台通过所述信号传输装置分别与所述高流量湿化氧疗设备、所述血氧检测仪、所述潮气量测量仪、所述呼吸频率测量仪相连，获取患者的血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率和潮气量，并提供建议氧浓度、建议呼吸机输出流量；
所述远程控制平台包括：远程控制系统、人机交互系统、模糊控制器和专家知识库，所述人机交互系统、所述模糊控制器和所述专家知识库均与所述远程控制系统相连；
采集呼吸衰竭病人代表性症状数据、治疗参数数据、相关病症流行病学资料的数据指标，并对采集的数据进行存储，对存储的数据进行统计分析，作归一化处理，形成专家知识库；设计四参数输入、二参数输出的多变量模糊控制器，将这两个输出参数作为HFNC呼吸机的设定值，完成专家知识库转化为HFNC呼吸机目标自适应设定；
所述模糊控制器的设计方法包括如下步骤：
(1)模糊控制定义变量，包括血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率、潮气量、建议氧浓度、建议呼吸机输出流量；
(2)模糊控制模糊化，是将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值求该值相对的隶属度；
(3)模糊控制知识库，包括数据库与规则库两部分，其中数据库提供处理模糊数据的相关定义；规则库由一群语言控制规则描述控制目标和策略；
(4)模糊控制逻辑判断，模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊值；
(5)模糊控制解模糊化，将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为HFNC呼吸机的输入值。
2.根据权利要求1所述的一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，其特征在于，四参数输入包括血氧浓度、吸入气体氧浓度、呼吸频率、潮气量。
3.根据权利要求1所述的一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，其特征在于，二参数输出包括氧浓度、呼吸机输出流量。
4.根据权利要求1所述的一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，其特征在于，模糊控制器包括氧气浓度控制器和流量控制器，所述氧气浓度控制器的输入变量为血氧浓度、吸入气体氧浓度，所述氧气浓度控制器的输出变量为建议氧浓度；所述流量控制器的输入变量为呼吸频率、潮气量，所述流量控制器的输出变量为建议呼吸机输出流量。
5.根据权利要求4所述的一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，其特征在于，在氧气浓度控制器中，输出的氧气浓度由血氧浓度、吸入氧气浓度决定，当血氧浓度低时，增大建议氧浓度；当吸入氧气浓度较高，而血氧正常时，减小建议氧浓度。
6.根据权利要求4所述的一种经鼻高流量湿化氧疗专家治疗系统，其特征在于，在流量控制器中，输出的流量由呼吸频率和潮气量决定，当潮气量低时增大HFNC呼吸机输出流量；当潮气量高时减小HFNC呼吸机输出流量；当潮气量稳定时通过衡量呼吸频率改变HFNC呼吸机输出流量。
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