CN112604113A - 一种便捷式呼吸机的控制系统 - Google Patents
一种便捷式呼吸机的控制系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112604113A CN112604113A CN202011596145.4A CN202011596145A CN112604113A CN 112604113 A CN112604113 A CN 112604113A CN 202011596145 A CN202011596145 A CN 202011596145A CN 112604113 A CN112604113 A CN 112604113A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ventilation mode
- module
- control system
- breathing machine
- breathing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 title claims abstract description 56
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000005399 mechanical ventilation Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract description 3
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 abstract description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 230000035565 breathing frequency Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 206010002091 Anaesthesia Diseases 0.000 description 1
- 208000031641 Ideal Body Weight Diseases 0.000 description 1
- 208000004756 Respiratory Insufficiency Diseases 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 230000037005 anaesthesia Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 210000000214 mouth Anatomy 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 201000004193 respiratory failure Diseases 0.000 description 1
- 230000036391 respiratory frequency Effects 0.000 description 1
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M16/00—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. mouth-to-mouth respiration; Tracheal tubes
- A61M16/0003—Accessories therefor, e.g. sensors, vibrators, negative pressure
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M16/00—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. mouth-to-mouth respiration; Tracheal tubes
- A61M16/021—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. mouth-to-mouth respiration; Tracheal tubes operated by electrical means
- A61M16/022—Control means therefor
- A61M16/024—Control means therefor including calculation means, e.g. using a processor
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
- A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
- A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Anesthesiology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Hematology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Percussion Or Vibration Massage (AREA)
Abstract
一种便捷式呼吸机的控制系统，包括呼吸机和控制模块，呼吸机上设有：参数模块，采集用户的身高参数，并将所采集的数据发送至控制模块上；辅助控制模块，包括机械式通气模式和辅助式通气模式，呼吸机在机械式通气模式和辅助式通气模式之间切换；预测监控模块，包括流量传感器，对呼吸潮气量进行建模预测和监控，并将数据发送至动态调节模块；动态调节模块，包括潮气执行元件，结合预测监控模块发送的数据对潮气执行元件进行动态调节；与现有技术相比，使用者只需要大致观察患者的身高和体重，就可以设置呼吸参数，使得呼吸机的使用更加简便，更加适用于急救场景，增加辅助通气模式，保护患者肺部不过量潮气，同时帮助患者更好的恢复呼吸意识。
Description
技术领域
本发明属于呼吸机技术领域，尤其是一种便捷式呼吸机的控制系统。
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。
随着空气的污染和病毒的爆发，全球市场对呼吸机的需求量急剧增加，而目前主流医用呼吸机价格昂贵，结构庞大复杂，并且需要专业的医护人员进行操作才能够使用，难以应用于呼吸急救治疗，更无法大范围推广使用。现有的家用呼吸机只起到助眠的作用，功能单一，无法应用于急救，针对这一现象国内外的研究人员设计了许多小型的呼吸机，以替代传统呼吸机的必要功能，但其使用或操作复杂，或无法满足基础功能需要。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种便于操作，安全可靠，简单便捷的便捷式呼吸机的控制系统。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种便捷式呼吸机的控制系统，包括呼吸机和控制模块，呼吸机上设有：
参数输入模块，输入用户的身高参数，并将所输入的数据发送至控制模块上；
辅助控制模块，包括机械式通气模式和辅助式通气模式，呼吸机在机械式通气模式和辅助式通气模式之间切换；
监测模块，包括流量传感器，对呼吸潮气量进行建模预测和监控，并将数据发送至动态调节模块；
动态调节模块，包括潮气执行元件，结合监测模块发送的数据对潮气执行元件进行动态调节。
作为本发明的一种优选方案，所述控制模块上设有与参数模块相对应的潮气量对应表，控制模块反馈潮气量对应表的相应参数至呼吸机。
作为本发明的一种优选方案，所述呼吸机的呼吸气路上设有压差传感器，压差传感器切换机械式通气模式和辅助式通气模式。
作为本发明的一种优选方案，所述机械式通气模式按照设定好的参数控制用户的呼吸，辅助式通气模式由呼吸机辅助用户完成呼吸过程。
作为本发明的一种优选方案，所述流量传感器基于扩展卡尔曼滤波算法进行建模预测和监控。
作为本发明的一种优选方案，所述扩展卡尔曼滤波算法为：
作为本发明的一种优选方案，所述潮气执行元件基于PID控制算法进行控制。
作为本发明的一种优选方案，所述PID控制算法为：
本发明的有益效果是，与现有技术相比：
1.本发明通过对患者理想体重指数和呼吸机参数的标定，使用者只需要大致观察患者的身高，就可以设置呼吸参数，使得呼吸机的使用更加简便，更加适用于急救场景；
2.本发明通过增加辅助通气模式，使得患者的呼吸得以在辅助通气和机械式通气中切换，保护患者肺部不过量潮气，同时帮助患者更好的恢复呼吸意识；
3.本发明通过对卡尔曼滤波算法以及呼吸潮气数学模型的结合实时的预测和矫正呼吸流量，使得廉价的呼吸传感器也有较高的使用精度，同时流量作为反馈值参与PID运算；
4.本发明采用PID算法作用于潮气执行元件，使得实时潮气量更加均匀，呼吸波形更贴合理想情况，患者的呼吸过程更加平稳；
5.本发明设计的呼吸机控制系统，大大缩减了小型呼吸机的制作流程。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是身高与潮气量的对应表；
图3是呼吸机控制系统理论波形图；
图4潮气执行元件的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1-4所示，一种便捷式呼吸机的控制系统，包括呼吸机和控制模块，呼吸机上设有：
参数输入模块，输入用户的身高参数，并将数据发送至控制模块上。
辅助控制模块，包括机械式通气模式和辅助式通气模式，呼吸机在机械式通气模式和辅助式通气模式之间切换。
监测模块，包括流量传感器，对呼吸潮气量进行建模预测和监控，并将数据发送至动态调节模块。
动态调节模块，包括潮气执行元件，结合监测模块发送的数据对潮气执行元件进行动态调节。
控制模块上设有与参数模块相对应的潮气量对应表，控制模块反馈潮气量对应表的相应参数至呼吸机，潮气量对应表根据临床经验进行设置，潮气量对应表的呼吸参数数据与用户的理想体重指数相对应，呼吸参数包括潮气量、呼吸频率和进呼气比，呼吸参数的大小与用户的体征有直接关系。
根据大量临床经验，得出(理想体重和潮气量的对应表，其中理想体重和身高的关系由如下公式给出：身高的单位为厘米，体重的单位为千克。
男性理性体重＝50+[0.91(身高–152.4)]
女性理想体重＝45.5+[0.91(身高–152.4)]
将身高和男性女性理论潮气量进行映射，另外同样收集了呼吸频率和进呼气时间比的经验参数和其他关键参数从而操作者在使用时只需要输入患者的大致身高就能设置较为理想的参数。
通过设置男女不同身高体重和潮气量表格，用户在外人的帮助下，外人只需观察用户的大致身高，就能在参数模块上输入大致的数据，控制模块可控制呼吸机采用相对应的呼吸参数。
呼吸机的呼吸气路上设有压差传感器，压差传感器位于靠近口腔的位置处，便于实时监测呼吸道的压力，其从侧面反映了患者的呼吸复苏程度，压差传感器切换机械式通气模式和辅助式通气模式，机械式通气模式按照设定好的参数控制用户的呼吸，辅助式通气模式由呼吸机辅助用户完成呼吸过程，
机械式通气模式和辅助式通气模式可根据用户的恢复程度进行设置，压差传感器内设定一个阈值(通常为1到5厘米水柱的负压)，在实时检测压力低于阈值时，说明患者的呼吸复苏程度较弱，呼吸机采用机械式通气模式，也即患者的呼吸完全由呼吸机设定好的理论波形控制，当压力高于设定阈值时呼吸机将自动切换到辅助式通气模式，也即呼吸机检测患者处于哪一呼吸阶段从而辅助患者完成更完整的呼吸过程，而不是机械式的通气，这一模式通常用于患者的呼吸恢复到一定程度。
流量传感器基于扩展卡尔曼滤波算法进行建模预测和监控，扩展卡尔曼滤波算法为：
上式中，为本算法的主体方程，对应到本设计中
为流量的后验值，式1中
为流量的先验值，式2中
为先验误差的协方差矩阵，式3中Kk为卡尔曼增益，式5中Pk为误差的协方差矩阵。扩展卡尔曼滤波算法结合呼吸潮气过程的运动学模型和流量传感器，对呼吸过程中的实时流量进行预测和校正，以得到较为精确的实时流量值。
潮气执行元件基于PID控制算法进行控制。
PID控制算法为：
式中，Kp——比例增益，Kp与比例度成倒数关系；
Tt——积分时间常数；
TD——微分时间常数；
u(t)——PID控制器的输出信号；
e(t)——给定值r(t)与测量值之差。
在控制偏差输入为阶跃信号时，立即产生比例和微分控制中作用。由于在偏差输入的瞬时，变化率非常大，微分控制作用很强，此后微分控制作用迅速衰减，但积分作用越来越大，直至最终消除静差。PID控制综合了比例、积分、微分3种作用，既能加快系统响应速度、减小振荡、克服超调，亦能有效消除静差，系统的静态和动态品质得到很大改善。
PID控制算法作用于潮气执行元件，以流量传感器作为反馈，在潮气过程中动态调节执行元件的运行程度，使得实时潮气量更加均匀，呼吸波形更贴合理想情况，患者的呼吸过程更加平稳。
本系统在使用过程中，当需要将呼吸机进行启动时，预先设定所需佩戴用户的身高，当其他人给所戴用户进行操作时，可根据大致观察，判断用户的身高，当输入身高参数后，身高参数在传送至控制模块得到相应的理想体重参数和相应的呼吸参数，呼吸参数控制呼吸机的潮气量、呼吸频率和进呼气比。
监测模块用于检测用户的呼吸情况，并将数据反馈给动态调节模块，对呼吸机进行调整。
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 (8)
1.一种便捷式呼吸机的控制系统，包括呼吸机和控制模块，其特征在于，呼吸机上设有：
参数模块，采集用户的身高参数，并将所采集的数据发送至控制模块上；
辅助控制模块，包括机械式通气模式和辅助式通气模式，呼吸机在机械式通气模式和辅助式通气模式之间切换；
监测模块，包括流量传感器，对呼吸潮气量进行建模预测和监控，并将数据发送至动态调节模块；
动态调节模块，包括潮气执行元件，结合监测模块发送的数据对潮气执行元件进行动态调节。
2.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述控制模块上设有与参数模块相对应的潮气量对应表，控制模块反馈潮气量对应表的相应参数至呼吸机。
3.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述呼吸机的呼吸气路上设有压差传感器，压差传感器切换机械式通气模式和辅助式通气模式。
4.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述机械式通气模式按照设定好的参数控制用户的呼吸，辅助式通气模式由呼吸机辅助用户完成呼吸过程。
5.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述流量传感器基于扩展卡尔曼滤波算法进行建模预测和监控。
6.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述扩展卡尔曼滤波算法为：
7.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述潮气执行元件基于PID控制算法进行控制。
8.根据权利要求1所述的一种便捷式呼吸机的控制系统，其特征在于，所述PID控制算法为：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011596145.4A CN112604113A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种便捷式呼吸机的控制系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011596145.4A CN112604113A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种便捷式呼吸机的控制系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112604113A true CN112604113A (zh) | 2021-04-06 |
Family
ID=75248839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011596145.4A Pending CN112604113A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种便捷式呼吸机的控制系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112604113A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023215534A1 (en) * | 2022-05-06 | 2023-11-09 | Baylor University | Emergency-use respiratory device |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109011066A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-12-18 | 宋兴荣 | 一种呼吸机模式控制系统 |
| CN110812638A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-21 | 军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所 | 基于ards肺保护性策略的智能闭环机械通气控制系统及方法 |
| CN111603641A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-09-01 | 湖南万脉医疗科技有限公司 | 一种基于无创呼吸机的肺泡通气量监控系统与控制方法 |
-
2020
- 2020-12-29 CN CN202011596145.4A patent/CN112604113A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109011066A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-12-18 | 宋兴荣 | 一种呼吸机模式控制系统 |
| CN110812638A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-21 | 军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所 | 基于ards肺保护性策略的智能闭环机械通气控制系统及方法 |
| CN111603641A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-09-01 | 湖南万脉医疗科技有限公司 | 一种基于无创呼吸机的肺泡通气量监控系统与控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 叶中付, 中国科学技术大学出版社 * |
| 樊恭春: "《呼吸内科临床精要》", 30 November 2018, 黑龙江科学技术出版设 * |
| 顾德英等: "《计算机控制技术》", 30 June 2020, 北京邮电大学出版社 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023215534A1 (en) * | 2022-05-06 | 2023-11-09 | Baylor University | Emergency-use respiratory device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103330979B (zh) | 一种呼吸机控制方法及应用控制方法的呼吸机 | |
| CN106581833B (zh) | 一种呼吸机 | |
| CN102451506B (zh) | 一种呼吸机气流控制装置 | |
| US4448192A (en) | Medical ventilator device parametrically controlled for patient ventilation | |
| CN103505788B (zh) | 一种正压呼吸机的机械通气控制方法及呼吸机 | |
| EP2934640A1 (de) | Beatmungssystem | |
| JP2001517960A (ja) | ハイブリッドマイクロプロセッサ制御型換気装置 | |
| CN114177451B (zh) | 一种呼吸机的单呼吸周期压力—容量双控模式的控制方法 | |
| CN103191503A (zh) | 一种呼吸机压力控制装置及压力控制方法 | |
| US11123505B2 (en) | Breathing apparatus with breath detection software | |
| WO2021189197A1 (zh) | 一种呼吸监测装置及方法 | |
| CN112370625B (zh) | 一种氧气呼吸器的控制方法及控制装置 | |
| CN109731195A (zh) | 呼吸支持设备的呼吸参数设置方法、装置及呼吸支持设备 | |
| CN112604113A (zh) | 一种便捷式呼吸机的控制系统 | |
| CN102397609A (zh) | 麻醉机、呼吸机容量保障压力限制通气方法 | |
| CN107519562B (zh) | 呼吸机气流输出控制系统 | |
| CN102397608B (zh) | 吸气阀和呼气阀协同控制的麻醉机、呼吸机压力控制方法 | |
| CN112516424B (zh) | 一种呼吸机集成的呼吸肌力训练vimt模式系统 | |
| CN112354052A (zh) | 一种医用呼吸随动及补偿的智能控制系统和方法 | |
| WO2017140280A1 (zh) | 一种心肺复苏用触发式高频喷射呼吸机和心肺复苏用感知调控呼吸机 | |
| CN204050574U (zh) | 一种双水平持续正压呼吸机 | |
| CN108273165B (zh) | 一种呼吸设备 | |
| CN203379444U (zh) | 一种与呼吸高同步的呼吸机 | |
| CN114917438A (zh) | 一种基于流速控制的呼吸机工作方法及呼吸机 | |
| CN114939212A (zh) | 一种人机同步呼吸装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210406 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |