CN112274742A - 一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备及控制方法，该咳痰设备包括涡轮，包括涡轮进气口、涡轮出气口，涡轮进气口、涡轮出气口的进气流量通过涡轮驱动电路控制；正负压电磁调节阀，与涡轮进气口、涡轮出气口连通；正负压电磁调节阀包括流量传感器、压力传感器；控制系统，包括处理器，涡轮驱动电路、流量传感器、压力传感器分别将咳痰设备进气管路的气源流量、控制正负压电磁调节阀的电流反馈给处理器，形成一个基于气源流量、气源压力以及电流反馈的闭环控制系统，进而对咳痰设备进气管路的压力和流量进行控制。本发明的咳痰设备不需要设置复杂的管道系统或控制系统，结构简单，降低产品成本。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备及控制方法。
背景技术
咳痰设备可通过电流控制涡轮气压源部件的气流方向，进而调节患者输出的正负治疗压力。传统的咳痰设备采用阀组控制涡轮气压源部件的压力大小和流量，该阀组包括两个及以上的压力电磁调节阀，以及多套压力电磁阀的控制系统，整体的设备系统气道原理复杂，极大地增加产品成本。
中国专利申请CN111529867A公开了一种咳嗽负压和咳嗽气流成比例的机械辅助咳痰方法及系统，该系统包括咳痰控制器、风机、切换阀和咳痰管路，其中，风机、大气和咳痰管路与进行调节的切换阀连接。咳痰排气相的咳痰负压与咳痰气流成正比变化关系。在排气相的开始点，咳嗽气流最大，对应的气道负压最高；在咳嗽排气相的持续过程中，随着咳嗽气流的递减，咳嗽负压也成比例的递降。该系统通过咳痰排气相的咳痰负压控制咳痰的气流，整个控制系统监测压力与时间、流量与时间的变化关系，整体设备系统气道结构不简单，极大地增加产品成本。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备及控制方法，旨在解决现有的咳痰设备整体设备系统气道、控制系统复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备，包括：
涡轮，用于为咳痰设备提供气源，所述涡轮包括涡轮进气口、涡轮出气口，所述涡轮进气口、涡轮出气口的进气流量通过涡轮驱动电路控制；
正负压电磁调节阀，与所述涡轮进气口、涡轮出气口连通，用于实时检测、调节咳痰设备进气管路的气源压力、流量；所述正负压电磁调节阀包括用于检测咳痰设备进气管路气体流量的流量传感器、用于检测咳痰设备进气管路气源压力的压力传感器；
控制系统，包括处理器，所述涡轮驱动电路、流量传感器、压力传感器分别将咳痰设备进气管路的气源流量、控制正负压电磁调节阀的电流反馈给处理器，形成一个基于气源流量、气源压力以及电流反馈的闭环控制系统，进而对咳痰设备进气管路的压力和流量进行控制。
进一步地，所述正负压电磁调节阀包括具有容置腔的阀体、沿所述阀体的中心轴依次布置的至少两个阀芯，以及用于控制阀芯导通的阀体驱动电路，所述阀芯之间设置利于气体流通的第一通道，所述第一通道在阀芯的运动过程中分别与所述涡轮进气口、涡轮出气口连通。
进一步地，所述阀体还包括设置于所述阀体一侧的输出口、设置于所述阀体另一侧的进气口和出气口，所述输出口与所述第一通道连通，所述进气口与所述涡轮进气口连通，出气口与所述涡轮出气口连通。
进一步地，所述阀体驱动电路包括音圈电机、将所述音圈电机安装于所述阀体内的音圈电机支架，所述音圈电机与所述处理器通信连接。
进一步地，所述阀芯与所述音圈电机之间还设置用于缓冲的弹簧片。
进一步地，所述流量传感器、压力传感器分别靠近所述输出口设置。
进一步地，咳痰设备还包括靠近所述咳痰设备进气管路设置的痰液回收瓶、患者界面。
本发明还提供一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备控制方法，包括：
S01，处理器初始化；设定涡轮的正压工作模式、负压工作模式；涡轮调节至指定的标准压力值P；
S02，压力传感器实时采集咳痰设备管路的压力值P(t)，将采集的压力值P(t)发送至处理器；流量传感器采集咳痰设备管路的流量值I(t)，将采集的流量值I(t)发送至处理器，将检测的压力值P(t)与标准压力值P进行比对；
若P(t)>P，处理器发送控制信号至正负压电磁调节阀，控制正负压电磁调节阀的阀门减小，直至P(t)＝P；
若P(t)<P，处理器发送控制信号至正负压电磁调节阀，控制正负压电磁调节阀的阀门增大，直至P(t)＝P；
若P(t)＝P，则维持当前状态。
进一步地，步骤S02还包括：
处理器通过实时采集的流量值I(t)，判断咳痰设备进气管路气体的流动方向；
根据咳痰设备进气管路气体的流动方向，判断用户吸气或呼气的状态；
若用户为吸气状态时，处理器控制涡轮采用正压工作模式；
若用户为呼气状态时，处理器控制涡轮采用负压工作模式。
进一步地，步骤S02中，处理器发送控制信号至正负压电磁调节阀包括：处理器发送数字信息或模拟信息至正负压电磁调节阀。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于正负压电磁调节阀的咳痰设备，涡轮驱动电路、流量传感器、压力传感器分别与处理器通信连接，将采集的咳痰设备进气管路的气源流量、气源压力、控制正负压电磁调节阀的电流的相关数据反馈至处理器，形成一个基于气源流量、气源压力以及电流反馈的闭环系统，精确调节咳痰设备进气管路的气源流量、气源压力、气体的运行方向等参数，可向患者输出正压、负压治疗压力，用来改变预设方向(水平方向或垂直方向)的治疗力。
进一步地，患者吸气时，输出正压治疗压力，垂直方向治疗力产生叩击、震颤可促使呼吸道粘液和代谢物松弛和液化；患者呼气时，水平方向治疗力产生的定向推挤、震颤帮助已液化的粘液按照选择的方向排除体外。相比于现有技术，本方案的咳痰设备不需要设置复杂的管道系统或控制系统，结构简单，降低产品成本。
本发明的基于正负压电磁调节阀的咳痰设备的控制方法，患者处于吸气状态时，启动正压工作模式；患者处于呼气状态时，启动负压工作模式；在一个呼吸周期内，正压模式将气源通过进气管路导入患者呼吸系统，负压模式将患者体内的痰液通过进气管路排出体外；在此过程中，根据压力传感器检测的压力值P(t)与标准压力值P进行比对；通过设定的判断条件控制正负压电磁调节阀的导通、阀门增大或阀门减少的工况，进而控制进气管路内气体的压力和流量大小；通过流量传感器采集的流量值判断进气管路的气体流动方向，进而控制进气管路内气体的流动方向。
附图说明
图1为本发明的咳痰设备的结构框图；
图2为本发明的正负压电磁调节阀的结构图；
图3为本发明的涡轮与正负压电磁调节阀在正压工作模式的原理图；
图4为本发明的涡轮与正负压电磁调节阀在负压工作模式的原理图；
图5为本发明的咳痰设备控制方法的流程图。
附图标记如下：
1、涡轮；2、正负压电磁调节阀；3、进气管路；4、流量传感器；5、压力传感器；6、控制系统；7、音圈电机；8、弹簧片；9、痰液回收瓶；10、患者界面；11、涡轮进气口；12、涡轮出气口；13、涡轮驱动电路；21、阀体；22、阀芯；23、第一通道；24、输出口；25、进气口；26、出气口；61、处理器；71、音圈电机支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，本发明提供一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备，包括：
涡轮1，用于为咳痰设备提供气源，涡轮1包括涡轮进气口11、涡轮出气口12，涡轮进气口11、涡轮出气口12的进气流量通过涡轮驱动电路13控制；
正负压电磁调节阀2，与涡轮进气口11、涡轮出气口12连通，用于实时检测、调节咳痰设备进气管路3的气源压力、流量；正负压电磁调节阀2包括用于检测咳痰设备进气管路3气体流量的流量传感器4、用于检测咳痰设备进气管路3气源压力的压力传感器5；
控制系统6，包括处理器61，涡轮驱动电路13、流量传感器4、压力传感器5分别将咳痰设备进气管路3的气源流量、控制正负压电磁调节阀2的电流反馈给处理器61，形成一个基于气源流量、气源压力以及电流反馈的闭环控制系统，进而对咳痰设备进气管路3的压力和流量进行控制。
具体地，咳痰设备用于治疗呼吸系统疾病，有效清除呼吸系统分泌物，减少细菌感染，减轻或防止肺炎、肺脓肿、肺不张等疾病的发生。改善肺部血液循环，预防静脉淤滞，松弛呼吸肌，改善全身张力，增强呼吸肌力产生咳嗽反射，有利于机体康复。根据临床胸部物理治疗原理，在病人身体表面产生特定方向周期变化的治疗力。其中，垂直方向治疗力产生叩击、震颤可促使呼吸道粘液和代谢物松弛和液化；水平方向治疗力产生的定向推挤、震颤帮助已液化的粘液按照选择的方向排除体外。
本实施例中，咳痰设备为气压咳痰设备，可向患者输出正压、负压治疗压力，用来改变预设方向(水平方向或垂直方向)的治疗力。
具体地，咳痰设备包括涡轮1，涡轮进气口11可产生负压吸力，将气体吸入涡轮1内；气体在涡轮1内提速或减速至指定的输出功率之后，经涡轮出气口12排出。功率增大，输出的正压力或负压力绝对值增大；功率减小，输出的正压力或负压力绝对值减小。在此过程中，涡轮进气口11、涡轮出气口12的进气流量通过涡轮驱动电路13控制。涡轮驱动电路13可选为印刷电路板，PCB板等。涡轮进气口11、涡轮出气口12分别连通正负压电磁调节阀2，通过控制正负压电磁调节阀2的电流方向，调节咳痰设备进气管路3的气流运行方向、压力的大小。
正负压电磁调节阀2包括流量传感器4、压力传感器5。流量传感器4用于实时检测咳痰设备进气管路3的气源压力、流量的大小；压力传感器5用于检测咳痰设备进气管路3的气源压力。将检测的流量、气源压力分别发送至控制系统6的处理器61。处理器61包括算法处理器，存储处理器。算法处理器将流量、气源压力进行逻辑运算，再将计算结果存储于存储处理器，用于样本调取或分析。
涡轮驱动电路13、流量传感器4、压力传感器5分别与处理器61通信连接，将采集的咳痰设备进气管路3的气源流量、气源压力、控制正负压电磁调节阀2的电流的相关数据反馈至处理器61，形成一个基于气源流量、气源压力以及电流反馈的闭环系统，精确调节咳痰设备进气管路3的气源流量、气源压力、气体的运行方向等参数，可向患者输出正压、负压治疗压力，用来改变预设方向(水平方向或垂直方向)的治疗力。
进一步地，患者吸气时，输出正压治疗压力，垂直方向治疗力产生叩击、震颤可促使呼吸道粘液和代谢物松弛和液化；患者呼气时，水平方向治疗力产生的定向推挤、震颤帮助已液化的粘液按照选择的方向排除体外。相比于现有技术，本方案的咳痰设备不需要设置复杂的管道系统或控制系统，结构简单，降低产品成本。
参照图2至图4，本方案中，作为上述技术方案的进一步改进，正负压电磁调节阀2包括具有容置腔的阀体21、沿阀体21的中心轴依次布置的至少两个阀芯22，以及用于控制阀芯22导通的阀体驱动电路，阀芯22之间设置利于气体流通的第一通道23，第一通道23在阀芯22的运动过程中分别与涡轮进气口11、涡轮出气口12连通。
具体地，阀体21设置容置腔，在容置腔内沿阀体21的中心轴依次布置多个阀芯22，阀芯22之间设置第一通道23。涡轮1在正压模式时，第一通道23与涡轮出气口12连通；涡轮1在负压模式时，第一通道23与涡轮进气口11连通；通过控制阀体21的阀体驱动电路的导通电流的参数，如电流的大小、方向，来改变阀体21内气体的运行方向，流量，进而通过患者的吸气或呼气的状态，调节患者界面处的正压模式或负压模式，以及与工作模式对应的压力方向、大小等参数值或参数范围。根据患者的个体差异，适配或自定义与患者适应的正压模式或负压模式的参数值或参数范围。
本方案中，作为上述技术方案的进一步改进，阀体21还包括设置于阀体21一侧的输出口24、设置于阀体21另一侧的进气口25和出气口26，输出口24与第一通道23连通，进气口25与涡轮进气口11连通，出气口26与涡轮出气口12连通。
阀体21的一侧设置输出口24，与输出口24相对应的另一侧设置进气口25和出气口26。优选地，输出口24位于进气口25、出气口26之间，进气口25与涡轮出气口26连通，出气口26与涡轮出气口26连通。
本实施例中，患者处于吸气状态时，对应涡轮1处于正压工作模式；气体自阀体21的端部进入阀体21的容置腔，经第一个阀芯22流动至进气口25，通过涡轮进气口11进入涡轮1内，进行功率调节，调节至指定的功率时，气体通过涡轮出气口12流动至第一通道23，再经输出口24流向咳痰设备进气管路3，直至流动至患者的呼吸系统。
患者处于呼气状态时，对应涡轮1处于负压工作模式；涡轮1的负压力将咳痰、咳痰气体自患者的呼吸系统排出，经输出口24流向阀体1的第一通道23，再通过涡轮进气口11进入涡轮1内，进行功率调节，调节至指定的功率时，气体经涡轮出气口12、出气口26，再通过另一个阀体22向阀体的另一端排出。
优选地，流量传感器4、压力传感器5分别靠近输出口24设置，提高实时采集、检测咳痰设备进气管路3的气源压力、流量的检测精度。
本方案中，作为上述技术方案的进一步改进，阀体驱动电路包括音圈电机7、将音圈电机7安装于阀体21内的音圈电机支架71，音圈电机7与处理器61通信连接。
具体地，音圈电机7通过音圈电机支架71安装于阀体1的容置腔内，沿阀体1的中心轴、沿远离阀芯22的方向设置。音圈电机7是一种特殊形式的驱动电机，具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特质。其工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，进而改变正负压电磁调节阀2的导通电流的大小和方向。
本方案中，作为上述技术方案的进一步改进，阀芯22与音圈电机7之间还设置用于缓冲的弹簧片8。
当阀芯22朝向音圈电机7运动时，弹簧片8可避免阀芯22损伤音圈电机7。
本方案中，作为上述技术方案的进一步改进，咳痰设备还包括靠近咳痰设备进气管路3设置的痰液回收瓶9、患者界面10。
痰液回收瓶9靠近患者的口腔设置，咳痰设备将患者呼吸系统的咳液排出至痰液回收瓶9，患者界面10用于显示吸呼状态、正负压工作模式、压力方向、大小等参数值或参数范围。或根据患者的个体差异，自定义调节上述参数值或参数范围。
参照图5，本发明还提供一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备控制方法，包括：
S01，处理器61初始化；设定涡轮1的正压工作模式、负压工作模式；涡轮1调节至指定的标准压力值P；
控制系统初始化，处理器61初始化；设定涡轮1正压工作模式、负压工作模式启动的条件。
本实施例中，患者吸气时，涡轮1处于正压工作模式；患者呼气时，涡轮1处于负压工作模式。在吸气时，患者肺内的气体容量、压力逐渐增大；在吸气时，患者肺内的气体容量、压力逐渐减小；在吸气和呼气的周期内，肺内的气体容量、压力形成抛物线，通过抛物线的斜率判断吸气或呼气的状态。当斜率K<0时，判断为吸气状态；当斜率K>0时，判断为呼气状态。将斜率作为正压力工作模式、负压工作模式启动的判断条件。
涡轮1通过调节转速调节对应的压力值。处理器61初始化时，将涡轮1调节至指定的转速，进而输出标准压力值P。
S02，压力传感器5实时采集咳痰设备进气管路3的压力值P(t)，将采集的压力值P(t)发送至处理器61；流量传感器4采集咳痰设备管路的流量值I(t)，将采集的流量值I(t)发送至处理器61，将检测的压力值P(t)与标准压力值P进行比对；
若P(t)>P，处理器61发送控制信号至正负压电磁调节阀2，控制正负压电磁调节阀2的阀门减小，直至P(t)＝P；
若P(t)<P，处理器61发送控制信号至正负压电磁调节阀2，控制正负压电磁调节阀2的阀门增大，直至P(t)＝P；
若P(t)＝P，则维持当前状态。
压力传感器5实时采集靠近输出口24的进气管路3的压力值P(t)，流量值I(t)，将采集的P(t)、I(t)发送至处理器61，将检测的压力值P(t)与标准压力值P进行比对；
若P(t)>P，正负压电磁调节阀2的阀门减小，减少进气管路3内气体的流量，从而减少气体的压力，直至P(t)＝P；
若P(t)<P，正负压电磁调节阀2的阀门增大，增大进气管路3内气体的流量，从而增加气体的压力，直至P(t)＝P；
若P(t)＝P，则维持当前状态。
本发明的基于正负压电磁调节阀的咳痰设备的控制方法，患者处于吸气状态时，设置正压工作模式；患者处于呼气状态时，设置负压工作模式；在一个呼吸周期内，正压模式将气源通过进气管路3导入患者呼吸系统，负压模式将患者体内的痰液通过进气管路3排出体外；在此过程中，根据压力传感器5检测的压力值P(t)与标准压力值P进行比对；通过设定的判断条件控制正负压电磁调节阀2的导通、阀门增大或阀门减少的工况，进而控制进气管路3内气体的压力和流量大小；通过流量传感器4采集的流量值判断进气管路的气体流动方向，进而控制进气管路3内气体的流动方向。
上述步骤S02中，处理器61发送控制信号至正负压电磁调节阀2包括：
处理器61发送数字信息或模拟信息至正负压电磁调节阀2，从而调节正负压电磁调节阀2的阀门的增大或减小。
本实施例中，数字信号可选为0～5mA的电流，设定对比的标准电流值或电流范围，将实时采集的电流与标准电流值或电流范围进行比对，满足一个设定的条件时，作为判断阀门增大的启动条件；满足另一个设定的条件时，作为判断阀门减小的启动条件。当然，数字信号可选为0～10V的电压。
模拟信号可选为频率信号、温度信号等。当选定为频率信号时，通过输出直方图，或高低电平，作为判断阀门增大或减小的启动条件。
本方案中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤S02还包括：
处理器61通过实时采集的流量值I(t)，判断咳痰设备进气管路3气体的流动方向；
根据咳痰设备进气管路3气体的流动方向，判断用户吸气或呼气的状态；
若用户为吸气状态时，处理器61控制涡轮1采用正压工作模式；
若用户为呼气状态时，处理器61控制涡轮1采用负压工作模式。
具体地，处理器61通过实时采集的流量值I(t)，判断用户吸气或呼气的状态。在本实施例中，通过采集气体的流动方向判断用户的吸气或呼气的状态。
可选地，在进气管路3中设置方向传感器，通过方向传感器感应气体的流动方向，将采集的数据发送至处理器61，判断当前用户的吸气或呼气状态。
当然，可按上述技术方案中，通过呼吸过程产生的曲线图，以及曲线图的斜率判断吸气或呼气的状态。
本实施例中，咳痰设备设置为可穿戴的咳痰背心，进气管路3与咳痰背心连通。在咳痰设备正常工作时充气、放气过程中，咳痰背心的背部针对于咳痰部位，对辅助治疗咳嗽症状有帮助，提高咳痰设备咳痰、排痰的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备，其特征在于，包括：
涡轮，用于为咳痰设备提供气源，所述涡轮包括涡轮进气口、涡轮出气口，所述涡轮进气口、涡轮出气口的进气流量通过涡轮驱动电路控制；
正负压电磁调节阀，与所述涡轮进气口、涡轮出气口连通，用于实时检测、调节咳痰设备进气管路的气源压力、流量；所述正负压电磁调节阀包括用于检测咳痰设备进气管路气体流量的流量传感器、用于检测咳痰设备进气管路气源压力的压力传感器；
控制系统，包括处理器，所述涡轮驱动电路、流量传感器、压力传感器分别将咳痰设备进气管路的气源流量、控制正负压电磁调节阀的电流反馈给处理器，形成一个基于气源流量、气源压力以及电流反馈的闭环控制系统，进而对咳痰设备进气管路的压力和流量进行控制。
2.根据权利要求1所述的咳痰设备，其特征在于，所述正负压电磁调节阀包括具有容置腔的阀体、沿所述阀体的中心轴依次布置的至少两个阀芯，以及用于控制阀芯导通的阀体驱动电路，所述阀芯之间设置利于气体流通的第一通道，所述第一通道在阀芯的运动过程中分别与所述涡轮进气口、涡轮出气口连通。
3.根据权利要求2所述的咳痰设备，其特征在于，所述阀体还包括设置于所述阀体一侧的输出口、设置于所述阀体另一侧的进气口和出气口，所述输出口与所述第一通道连通，所述进气口与所述涡轮进气口连通，出气口与所述涡轮出气口连通。
4.根据权利要求2所述的咳痰设备，其特征在于，所述阀体驱动电路包括音圈电机、将所述音圈电机安装于所述阀体内的音圈电机支架，所述音圈电机与所述处理器通信连接。
5.根据权利要求4所述的咳痰设备，其特征在于，所述阀芯与所述音圈电机之间还设置用于缓冲的弹簧片。
6.根据权利要求2所述的咳痰设备，其特征在于，所述流量传感器、压力传感器分别靠近所述输出口设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的咳痰设备，其特征在于，还包括靠近所述咳痰设备进气管路设置的痰液回收瓶、患者界面。
8.一种基于正负压电磁调节阀的咳痰设备控制方法，其特征在于，包括：
S01，处理器初始化；设定涡轮的正压工作模式、负压工作模式；涡轮调节至指定的标准压力值P；
S02，压力传感器实时采集咳痰设备进气管路的压力值P(t)，将采集的压力值P(t)发送至处理器；流量传感器采集咳痰设备管路的流量值I(t)，将采集的流量值I(t)发送至处理器，将检测的压力值P(t)与标准压力值P进行比对；
若P(t)>P，处理器发送控制信号至正负压电磁调节阀，控制正负压电磁调节阀的阀门减小，直至P(t)＝P；
若P(t)<P，处理器发送控制信号至正负压电磁调节阀，控制正负压电磁调节阀的阀门增大，直至P(t)＝P；
若P(t)＝P，则维持当前状态。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤S02还包括：
处理器通过实时采集的流量值I(t)，判断咳痰设备进气管路气体的流动方向；
根据咳痰设备进气管路气体的流动方向，判断用户吸气或呼气的状态；
若用户为吸气状态时，处理器控制涡轮采用正压工作模式；
若用户为呼气状态时，处理器控制涡轮采用负压工作模式。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤S02中，处理器发送控制信号至正负压电磁调节阀包括：
处理器发送数字信号或模拟信号至正负压电磁调节阀。
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