CN112370623B - 一种呼吸机智能调节系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种呼吸机气压调节监控系统及其应用，用于对呼吸机气压进行调节和监控，包括供气单元、控制单元、导气单元和病人回路单元，控制单元包括数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块，供气单元包括用于调节风机转速的调速模块，导气单元包括感应模块、二次调压模块、调温模块和调湿模块，感应模块用于检测初始值和输出值，包括气体压力、气体温度、气体湿度和气体流速，病人回路单元包括呼吸检测模块，用于检测病患的呼吸情况和其它生命特征，数据采集模块用于采集感应模块和呼吸检测模块的信息，数据处理模块对数据采集模块的数据进行分析处理，将处理结果下发给数据发送模块，数据发送模块将处理信息发送给导气单元进行气压调节。
Description
技术领域
本发明属于呼吸机支持设备技术领域，具体涉及一种呼吸机气压调节监控系统。
背景技术
在现代临床医学中，呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭，减少并发症，挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。
目前市场上的呼吸机主要分为4类，分别是:普通单水平(CPAP)、全自动单水平(APAP)、全自动双水平(VPAP AUTO)、双水平ST(BIPAP)，根据不同的病人的不同需求选择不同的呼吸机，普通家用一般为无创呼吸机，无创呼吸机主要是通过面罩或气管进行呼吸导通。由于呼吸机压力控制采用延迟技术，因此患者一般只能根据估计自己的入睡时间，来设定延迟时间。如果到了设定的延迟时间后，患者仍未入睡，较高的治疗压力会使患者不易耐受；如果患者较早入睡，由于压力尚未达到治疗压力，患者有可能产生气道塌陷或通气不足，未达到治疗效果。另外由于这种方式在达到预设时间后，呼吸机输出的治疗压力对清醒的患者会较高而产生不适，也会对部分患者的入睡产生一定的心理负担，影响正常入睡。因此需要涉及一种呼吸机气压调节监控系统，以及时对气压进行调节，同时及时给予医务人员和家人提示，以便及时处理。
专利CN201610443638.1公开了一种呼吸机风机压力调节方法，其通过控制风机的转速来调节呼吸机的输出压力，具体包括在吸气时，加速提高风机的转速，使呼吸机输出压力从EPAP快速上升到IPAP；在呼气时，加速降低风机的转速，使呼吸机输出压力从IPAP快速降低到EPAP。这样，通过加速调节风机的转速，可以在预设时间内，将呼吸机输出压力从EPAP快速上升到IPAP或者从IPAP快速降低到EPAP。其中，预设时间可以根据用户需求，设定在0.1S-2S的间内，使得用户的呼吸更加顺畅，提高用户的使用舒适度。该发明没有考虑到呼吸机实际转速达不到目标参数，同时没有根据病人的情况及时调整氧含量，适当增加氧气含量和减少氧气含量对于病患的呼吸效率有提高作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：现有技术由于只关注呼吸机实时输出压力与目标输出压力之间的差值，而无法确切地知道应该增加或减少风机转速流才能让呼吸机最终的实时输出压力恰好在标准输出压力附近，带来的呼吸机输出压力升降压过慢，调节过头而引起呼吸机输出压力产生震荡或输出压力与目标输出压力之间相差超过误差允许范围的问题，同时通过数据发送模块及时反馈病患信息至医生端和家属端，便于及时了解病患的情况和呼吸机的工作情况，病患在无自主呼吸时，改变氧气含量能够刺激病患肺部，使病患恢复呼吸，同时呼吸效率提高。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种呼吸机智能调节系统，
包括供气单元、导气单元、控制单元、病人回路单元，所述控制单元包括数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块，所述供气单元包括用于调节风机转速的调速模块；所述供气单元包括用于调节风机转速的调速模块，供气单元主要为鼓风机和空气过滤系统，过滤鼓风过程中存在的部分细菌，保证患者吸入优质的气体，调速模块用于对风机转速进行调节。
所述导气单元包括检测模块、氧含量调节模块、调温模块和调湿模块，所述检测模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、气体流量计，用于检测初始值和输出值，包括气体压力、气体温度、气体湿度和气体流量；由于风机的输出值无法达到目标参数值，需要对风机输出值进行调节，同时需要保证病患所吸入气体的温度、湿度和压力。
所述病人回路单元包括呼吸监测模块，用于检测病患的呼吸情况和其它生命特征，所述呼吸监测模块包括一呼吸面罩；所述其他生命特征包括心率和血压。病患在使用呼吸机的过程中的状态决定呼吸机的调整参数，在医生和家属不在病患旁边时，其检测模块可将病人情况及时通过数据发送模块发出，同时发出警报，以提醒医护人员和家属，保证了病患的生命安全。呼吸面罩用于实时监测病患的呼吸效率，根据病患的呼吸效率调整含氧量。
所述数据采集模块用于采集检测模块和呼吸监测模块的信息，所述数据处理模块对数据采集模块的数据进行分析处理，将处理结果下发给数据发送模块，所述数据发送模块将处理信息发送给调压模块、调温模块、调湿模块和二次调压模块，同时还通过云中心将采集的信息发送至医生端和病人家属端。所述数据采集、发送模块采用无线通信模块进行数据传输。所述无线通信模块为Bluetooth、Zigbee、Z-Wave、WIFI和5G通信中的一种或多种的结合。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述呼吸面罩包括罩体和设于罩体上的呼气阀，所述呼气阀具有与罩体相连的阀座、出气气孔、进气道、设置于出气气孔处的单向阀和用于关闭和开启进气道的阀门以及阀门开关。
所述出气气孔外连接有气体成分分析仪，所述气体成分分析仪与数据采集模块相连。
所述进气管道包括主进气管和副进气管，所述主进气管阀门通过弹簧开关安装在进气道处，所述副进气管阀门一端通过阀杆可滑动的安装在阀座上，另一端设置有吸附块。
所述副进气阀门开关包括一电流控制器和一线圈，所述电流控制器与数据发送模块连接，所述线圈套设于进气道上，设置于吸附块上方。
所述所述数据采集模块还包括报警装置，当所测压力大于阈值时，发出语音、灯光或显示警报，同时将信息通过数据发送模块发送至云中心将采集的信息发送至医生端和病人家属端。
本发明还提供了呼吸机智能调节系统的应用，包括以下步骤：
S1、使用者根据病患情况设置初始输出参数，包括给定气体压力P0、给定气体流速F0和给定气体温度T0，根据气体的伯努利方程p+(1/2)*ρv^2＝C，可以求得C值，式中ρ为气体密度，v为气体流速，p为气体压力；
S2、感应模块通过其传感器测出初始气体压力P1、初始气体流速F1、初始气体温度T1、初始气体湿度W1和初始风机转速R1，同时测出输出气体压力P2、输出气体流速F2、输出气体温度T2和输出气体湿度W2；
S3、感应模块将所测数据输送至数据采集模块，数据处理模块将所测数值进行建模分析，根据给定气体压力和输出气体压力的差值D1P和输出气体压力和初始气体压力的差值D2P,求得所需转速增益MR；
S4、呼气阀处的气体成分分析仪将测得的病人的呼出气体CO2和O2之间的比值输送至数据采集模块，数据处理模块根据正常人呼出气体的CO2和O2之间的比值，设置氧气含量增加值；
S5、氧气增加量通过阀门进行调节，数据处理模块根据氧气含量增加值，得出线圈电流调整值；
S6、重复S2-S5的步骤，直到病人呼出气体中CO2和O2的比值达到正常人的水平。
作为上述技术方案的进一步改进，所述建模分析过程包括以下步骤：
A1、根据分析，需要实现两次增压才能得到给定输出压力值P，转速增压MR应包括两段增益，定义第一段转速增益为M1R,第二段转速增益为M2R，则转速增益MR＝M1R+M2R；
A2、M1R为输出气体压力P2增加到给定气体压力P0过程中转速的增益，M1R＝C*(T0-T2)/D1P；M2R为初始气体压力P1增加到输出气体压力P2过程中转速的增益，M1R＝C*(T2-T1)/D2P。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电流调整值计算方法包括以下步骤：
B1、计算病人吸入气体中CO2和O2含量比值H1,计算病人呼出气体中CO2和O2含量比值H2，同时算出呼吸效率Q,Q＝H1/H2；
B2、定义正常人的呼吸效率为吸入比值为N1,呼出比值为N2，呼吸X＝N1/N2，将病人的呼吸效率Q与正常人的呼吸效率X进行对比，得出比值Y,Y＝Q/X,比值小于0.5时，进行氧含量的增加；
B3、定义电流调整值与阀门开启量关系为正比例函数，阀门开启量与氧含量增加量也成正比例，则电流调整值DI＝kY，式中k为常数。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明首先建立呼吸机输出压力、气体流量、气体温度及湿度气体对应的风机转速的对应关系表，得出相应的公式求得风机转速增加量，以实现实际输出压力在目标输出压力的阈值内，同时利用呼吸阀对病患呼吸效率进行实时监测，根据其呼吸效率，调整其氧气含量，促进患者呼吸，本发明通过数据采集、数据处理、数据发送，能实时对呼吸机气压进行监控，将病患情况和呼吸机的工作情况及时传送给病患家属和医务人员。采用无线通讯模块，使整个装置无线化，使用时更简单，更美观。通过求得公式对风机进行转速调节，能精确地控制风机提速或降速，以大大地提高了呼吸机输出压力升降压调节的速度，不会出现输出压力调节过头而导致影响病人身体健康的问题。
附图说明
图1为本发明整体系统模块结构示意图。
图2为本发明呼吸面罩结构示意图。
图3为图2中A处放大图。
附图标记：1、罩体；21、阀座；22、单向阀；23、主进气管；24、副进气管；25、主进气管阀门；26、副进气管阀门；27、阀杆；28、吸附块；29、电流控制器；30、线圈。
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。
本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
如图1所示，本实施例的呼吸机智能调节系统，包括供气单元、导气单元、控制单元、病人回路单元，控制单元包括数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块，供气单元包括用于调节风机转速的调速模块；导气单元包括检测模块、氧含量调节模块、调温模块和调湿模块，检测模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、气体流量计，用于检测初始值和输出值，包括气体压力、气体温度、气体湿度和气体流量；病人回路单元包括呼吸监测模块，用于检测病患的呼吸情况和其它生命特征，呼吸监测模块包括一呼吸面罩；数据采集模块用于采集检测模块和呼吸监测模块的信息，数据处理模块对数据采集模块的数据进行分析处理，将处理结果下发给数据发送模块，数据发送模块将处理信息发送给调压模块、调温模块、调湿模块和二次调压模块，同时还通过云中心将采集的信息发送至医生端和病人家属端。
如图2和图3所示，呼吸面罩包括罩体1和设于罩体1上的呼气阀，呼气阀具有与罩体1相连的阀座21、出气气孔、进气道、设置于出气气孔处的单向阀22和用于关闭和开启进气道的阀门以及阀门开关。
出气气孔外连接有气体成分分析仪，气体成分分析仪与数据采集模块相连。气体成分分析仪用于检测呼气和吸气中氧气和二氧化碳的含量，采用无线通讯模块中的蓝牙连接与数据采集模块和数据发送模块进行数据交换。
进气道包括主进气管23和副进气管24，主进气管阀门25通过弹簧开关安装在进气道处，副进气管阀门26一端通过阀杆27可滑动的安装在阀座21上，另一端设置有吸附块28。阀门开关包括一电流控制器29和一线圈30，电流控制器29与数据发送模块连接，线圈30套设于进气道上，设置于吸附块28上方。呼吸面罩在使用时，呼吸机的出气管与其主进气管23连通，内部的副进气管24连通氧气泵，氧气泵内为氧气含量为40％的空气，不能直接吸入，与空气混合可以提高空气中氧气含量，刺激患者呼吸，采用电磁来控制副进气管24的出气量，控制的更精准，自动化程度高，便于智能程序化的执行。
数据采集模块还包括报警装置，当所测压力大于阈值时，发出语音、灯光或显示警报，同时将信息通过数据发送模块发送至云中心将采集的信息发送至医生端和病人家属端。当机器发生故障时，病人可能因此丧失生命，报警装置的加载可以使，医护人员以及家属及时处理，可以保证患者的生命安全。
本发明同时还公开了一种呼吸机智能调节系统的应用，包括以下步骤：
S1、使用者根据病患情况设置初始输出参数，包括给定气体压力P0、给定气体流速F0和给定气体温度T0，根据气体的伯努利方程p+(1/2)*ρv^2＝C，可以求得C值，式中ρ为气体密度，v为气体流速，p为气体压力。
S2、感应模块通过其传感器测出初始气体压力P1、初始气体流速F1、初始气体温度T1、初始气体湿度W1和初始风机转速R1，同时测出输出气体压力P2、输出气体流速F2、输出气体温度T2和输出气体湿度W2；根据患者情况可以适当增加气体湿度和气体温度，可以刺激患者呼吸。
S3、感应模块将所测数据输送至数据采集模块，数据处理模块将所测数值进行建模分析，根据给定气体压力和输出气体压力的差值D1P和输出气体压力和初始气体压力的差值D2P,求得所需转速增益MR；
S4、呼气阀处的气体成分分析仪将测得的病人的呼出气体CO2和O2之间的比值输送至数据采集模块，数据处理模块根据正常人呼出气体的CO2和O2之间的比值，设置氧气含量增加值；
S5、氧气增加量通过阀门进行调节，数据处理模块根据氧气含量增加值，得出线圈电流调整值；
S6、重复S2-S5的步骤，直到病人呼出气体中CO2和O2的比值达到正常人的水平。
作为上述技术方案的进一步改进，所述建模分析过程包括以下步骤：
A1、根据分析，需要实现两次增压才能得到给定输出压力值P，转速增压MR应包括两段增益，定义第一段转速增益为M1R,第二段转速增益为M2R，则转速增益MR＝M1R+M2R；
A2、M1R为输出气体压力P2增加到给定气体压力P0过程中转速的增益，M1R＝C*(T0-T2)/D1P；M2R为初始气体压力P1增加到输出气体压力P2过程中转速的增益，M1R＝C*(T2-T1)/D2P。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电流调整值计算方法包括以下步骤：
B1、计算病人吸入气体中CO2和O2含量比值H1,计算病人呼出气体中CO2和O2含量比值H2，同时算出呼吸效率Q,Q＝H1/H2；
B2、定义正常人的呼吸效率为吸入比值为N1,呼出比值为N2，呼吸X＝N1/N2，将病人的呼吸效率Q与正常人的呼吸效率X进行对比，得出比值Y,Y＝Q/X,比值小于0.5时，进行氧含量的增加；
B3、定义电流调整值与阀门开启量关系为正比例函数，阀门开启量与氧含量增加量也成正比例，则电流调整值DI＝kY，式中k为常数。
以上方法可以保证对病人实时情况进行监控，便于对病人的治疗，相比传统增加转速的方法，本发明通过两段对气压进行检测，实时提高风机转速，以达到目标值，能够控制在呼吸压力阈值内，增氧装置的设计，能够刺激病人呼吸，同时电流调节，实现精准的氧含量的增加，可以促进患者呼吸，保证患者的生命安全。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种呼吸机智能调节系统的应用，其中，调节系统包括供气单元、导气单元、控制单元、病人回路单元，所述控制单元包括数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块，所述供气单元包括用于调节风机转速的调速模块；其特征在于：
所述导气单元包括检测模块、氧含量调节模块、调温模块和调湿模块，所述检测模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、气体流量计，用于检测初始值和输出值，包括气体压力、气体温度、气体湿度和气体流量；
所述病人回路单元包括呼吸监测模块，用于检测病患的呼吸情况和其它生命特征，所述呼吸监测模块包括一呼吸面罩；
所述数据采集模块用于采集检测模块和呼吸监测模块的信息，所述数据处理模块对数据采集模块的数据进行分析处理，将处理结果下发给数据发送模块，所述数据发送模块将处理信息发送给调压模块、调温模块、调湿模块和二次调压模块，同时还通过云中心将采集的信息发送至医生端和病人家属端；
所述呼吸面罩包括罩体和设于罩体上的呼气阀，所述呼气阀具有与罩体相连的阀座、出气气孔、进气道、设置于出气气孔处的单向阀和用于关闭和开启进气道的阀门以及阀门开关；
所述出气气孔外连接有气体成分分析仪，所述气体成分分析仪与数据采集模块相连；
所述进气道包括主进气管和副进气管，所述主进气管的阀门通过弹簧开关安装在进气道处，所述副进气管的阀门一端通过阀杆可滑动的安装在阀座上，另一端设置有吸附块；
所述阀门开关包括一电流控制器和一线圈，所述电流控制器与数据发送模块连接，所述线圈套设于进气道上，设置于吸附块上方；
其应用包括以下几个步骤：
S1、设置初始输出参数，包括给定气体压力P0、给定气体流速F0和给定气体温度T0，根据气体的伯努利方程p+(1/2)*ρv^2=C，可以求得C值，式中ρ为气体密度，v为气体流速，p为气体压力；
S2、感应模块通过其传感器测出初始气体压力P1、初始气体流速F1、初始气体温度T1、初始气体湿度W1和初始风机转速R1，同时测出输出气体压力P2、输出气体流速F2、输出气体温度T2和输出气体湿度W2；
S3、感应模块将所测数据输送至数据采集模块，数据处理模块将所测数值进行建模分析，根据给定气体压力和输出气体压力的差值D1P和输出气体压力和初始气体压力的差值D2P,求得所需转速增益MR；其中建模分析包括以下几个步骤：
A1、根据分析，需要实现两次增压才能得到给定输出压力值P，转速增压MR应包括两段增益，定义第一段转速增益为M1R,第二段转速增益为M2R，则转速增益MR=M1R+M2R；
A2、M1R为输出气体压力P2增加到给定气体压力P0过程中转速的增益，M1R=C*(T0-T2)/D1P；M2R为初始气体压力P1增加到输出气体压力P2过程中转速的增益，M1R=C*(T2-T1)/D2P；
S4、呼气阀处的气体成分分析仪将测得的病人的呼出气体CO2和O2之间的比值输送至数据采集模块，数据处理模块根据正常人呼出气体的CO2和O2之间的比值，设置氧气含量增加值；
S5、氧气增加量通过阀门进行调节，数据处理模块根据氧气含量增加值，得出线圈电流调整值。
2.根据权利要求1所述的呼吸机智能调节系统的应用，其特征在于：所述数据采集模块还包括报警装置，当所测压力大于阈值时，发出语音、灯光或显示警报，同时将信息通过数据发送模块发送至云中心将采集的信息发送至医生端和病人家属端。
3.根据权利要求1所述的呼吸机智能调节系统的应用，其特征在于：所述电流调整值计算方法包括以下步骤：
B1、计算病人吸入气体中CO2和O2含量比值H1,计算病人呼出气体中CO2和O2含量比值H2，同时算出呼吸效率Q,Q=H1/H2；
B2、定义正常人的呼吸效率为吸入比值为N1,呼出比值为N2，呼吸X=N1/N2，将病人的呼吸效率Q与正常人的呼吸效率X进行对比，得出比值Y,Y=Q/X,比值小于0.5时，进行氧含量的增加；
B3、定义电流调整值与阀门开启量关系为正比例函数，阀门开启量与氧含量增加量也成正比例，则电流调整值DI=kY，式中k为常数。
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Denomination of invention: A kind of ventilator intelligent adjustment system and its application Effective date of registration: 20220901 Granted publication date: 20210914 Pledgee: China Construction Bank Corporation Shaoyang Jianshe Road Sub-branch Pledgor: HUNAN VENT MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980014316 |
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