CN113706985A - 一种呼吸气流模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸气流模拟装置，包括气室、正压腔、负压腔和调速风机；所述气室设有通气口，所述调速风机的进风口连接所述负压腔，所述调速风机的出风口连接所述正压腔；所述正压腔与所述气室之间连接正压气管，所述负压腔与所述气室之间连接负压气管，还包括用以切换所述正压气管和所述负压气管分别与所述气室交替导通的气路换向阀。本发明所提供的呼吸气流模拟装置能够分别模拟呼气和吸气过程，缩短呼吸气压及气流调节响应时间，提高气压与气流调节精度。

Description

一种呼吸气流模拟装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种呼吸气流模拟装置。

背景技术

呼吸监测设备广泛应用于呼吸障碍诊断，如通过监测呼吸压力波形可用于诊断睡眠呼吸暂停低通气综合征等疾病。

呼吸监测设备开发过程中不可避免的需要对呼吸传感器进行大量的性能测试和稳定性测试，如果利用真人进行实测那么必然带来诸多不便，同时真人无法长时间对一些极限情况进行测试。现有的呼吸模拟器多采用气缸式进行人体呼吸模拟。即固定气缸，通过电机驱动往复机构，往复机构拖动气缸活塞来回运动，实现气缸中的气体与外界交换，从而模拟人体的呼吸运动；气缸的进出口处安装有流量传感器与压差传感器用于检测气缸进出气流量与压差；通过控制电机转速、转向、转动角度实现活塞运行速度、方向、距离的控制，进而实现气压、潮气量、频次等呼吸参数的控制即实现模拟呼吸气流的功能。

气缸容量即为能模拟的最大潮气量，为实现较大的潮气量，只能通过增大气缸直径或增加气缸行程实现，因此模拟器的体积较大，结构较为笨重；其控制链为电机—往复机构—活塞—气压与流量，显然其控制链不仅长而且复杂，其间任一环节的误差都将导致最终气压与流量参数偏离设定值；同时过长的控制链使得控制的实时性明显降低，可表现为在需要进行高速呼吸模拟时，气压与流量参数将产生较大的偏差，呼吸速度越快偏差越显著；另一方面采用电机拖动往复机构再拖动活塞的结构形式使得电机负载的转动惯量明显变大，也进一步降低了电机控制的实时性能，导致呼吸气压与气流精度较低。

因此，如何提升呼吸气压和气流的模拟精度成为本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种呼吸气流模拟装置，该呼吸气流模拟装置能够分别模拟呼气和吸气过程，缩短呼吸气压及气流调节响应时间，满足呼吸气流模拟装置在各种情况下的实时性要求，提高气压与气流调节精度。

为实现上述目的，本发明提供一种呼吸气流模拟装置，包括气室、正压腔、负压腔和调速风机；所述气室设有通气口，所述调速风机的进风口连接所述负压腔，所述调速风机的出风口连接所述正压腔；所述正压腔与所述气室之间连接正压气管，所述负压腔与所述气室之间连接负压气管，还包括用以切换所述正压气管和所述负压气管分别与所述气室交替导通的气路换向阀。

可选地，所述气室设有换气口，所述气路换向阀为进气口连接所述换气口、排气口分别连接所述正压气管和所述负压气管的二位三通电磁阀。

可选地，所述二位三通电磁阀与所述换气口之间连接流量检测模块。

可选地，所述气室设有压力检测模块。

可选地，还包括连接所述流量检测模块和所述压力检测模块以根据二者的反馈值调节所述调速风机转速的控制器。

可选地，所述正压腔连接正压旁路阀，所述负压腔连接负压旁路阀。

可选地，所述正压腔和所述负压腔关于所述调速风机对称设置。

可选地，所述调速风机为无极变速风机，所述正压旁路阀和所述负压旁路阀均为伺服阀。

相对于上述背景技术，本发明针对传统气缸和往复机构控制链复杂和响应时间长的缺点，特别设置由连接在调速风机两侧的正压腔和负压腔。在模拟吸气过程时，可调节气路换向阀切断正压气管也即正压腔与气室的连接，令负压腔通过负压气管与气室导通，借助调速风机转动在负压腔产生的负压的抽吸作用，形成气室的通气口进气，以模拟吸气过程；在模拟呼气过程时，调节气路换向阀切断负压气管也即负压腔与气室之间的连接，令正压腔通过正压气管与气室导通，在正压腔和气室压差的作用下，气流从正压腔流向气室的通气口排出，以模拟呼气过程。在呼吸模拟过程中，可通过调节调速风机的转速，实时改变负压腔或正压腔的压力，也即改变负压腔或正压腔与气室的压差，实现对气室的通气口进出的气流及气压的精确控制。

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为本发明实施例所提供的呼吸气流模拟装置的示意图；

图2为调速风机与正压腔的连接结构图；

图3为气路换向阀的工作原理图。

其中：

1-调速风机、2-负压腔、3-正压腔、4-负压旁路阀、5-正压旁路阀、6-负压气管、7-正压气管、8-气路换向阀、9-流量检测模块、10-压力检测模块、11-气室、12-控制器、13-控制线束。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

应当注意的是，本申请所提及的正压及负压均是相对于大气压力而言的，这里定义绝对压力小于大气压力为负压，绝对压力大于大气压力为正压。

请参考图1至图3，图1为本发明实施例所提供的呼吸气流模拟装置的示意图，图2为调速风机与正压腔的连接结构图，图3为气路换向阀的工作原理图。

本发明所提供的呼吸气流模拟装置包括气室11、正压腔3、负压腔2以及连接在正压腔3和负压腔2之间的调速风机1，可以理解的是，正压腔3和负压腔2均设有进气口和排气口，且正压腔3的排气口小于其进气口，调速风机1的出风口连接正压腔3的进气口，从而在正压腔3内产生正压；负压腔2的进气口小于其排气口，调速风机1的进风口连接负压腔2的排气口，从而在负压腔2内产生负压。通过切换气路换向阀8，交替导通正压气管7和负压气管6，分别使正压腔3和气室11的通气口产生气体流动模拟呼气过程，使负压腔2和气室11的通气口产生气体流动模拟吸气过程。而调速风机1则能够实时调节负压腔2和正压腔3的压力，进而精确调控呼气和吸气的气流及气压精度，以便对呼吸监测设备进行性能和稳定性测试。

如图1所示，在本发明所提供的一种具体实施例中，正压腔3和负压腔2均采用直通的管状结构，调速风机1连接在二者之间。也即，正压腔3和负压腔2关于调速风机1对称设置，调速风机1的进风口连接负压腔2，调速风机1的出风口连接正压腔3。为确保负压腔2能够产生负压，负压腔2的排气口远大于进气口尺寸；类似地，为确保正压腔3能够产生正压，正压腔3的排气口远小于进气口尺寸。

正压腔3和负压腔2侧壁距离调速风机1的设定位置处分别开孔或设置管道连接头，正压腔3通过正压气管7与气室11连通，负压腔2通过负压气管6与气室11连通，正压气管7、负压气管6和气室11通过气路换向阀8连通，通过气路换向阀8切换正压气管7也即正压腔3与气室11导通或负压气管6也即负压腔2与气室11导通。

值得一提的是，在具体实施时，本申请对正压腔3和负压腔2的形状结构不作具体限制，能够在调速风机1作用下，与气室11产生压差皆适用于本申请。

作为一优选实施方式，气路换向阀8具体采用二位三通电磁阀，具体参考图3所示，二位三通电磁阀包括一个进气口和两个排气口，气室11设置换气口，二位三通电磁阀的进气口与气室11的换气口连通，二位三通电磁阀的两个排气口分别连接正压气管7和负压气管6。二位三通电磁阀由线圈控制阀芯在两个排气口之间运动，通过线圈通断电控制阀芯运动，实现两组排气口交替与进气口导通。

当然，气路换向阀8还可采用借助阀芯旋转实现气路切换的二位三通阀，此时二位三通阀的阀芯可由伺服电机驱动旋转以带动二位三通阀换向。

可以想到的是，气路换向阀8还可采用三通配合两个电磁阀替代以实现换向功能，三通的三个接口分别连接正压气管7、负压气管6和气室11的换气口，两个电磁阀分别设置在正压气管7和负压气管6。通过控制两个电磁阀交替打开，实现正压腔3和负压腔2与气室11的交替连通。

在上述实施例的基础之上，本申请还在负压腔2的进气口设置负压旁路阀4，在正压腔3的排气口设置正压旁路阀5，正压旁路阀5和负压旁路阀4大体关于调速风机1对称设置，二者均可采用球阀或闸阀等其它形式的伺服阀。以便借助调速风机1和正压旁路阀5调节正压腔3的压力，借助调速风机1和负压旁路阀4调节负压腔2的压力。本申请通过调节负压旁路阀4和正压旁路阀5的开度，以便快速调节气室11的通气口处的实时压力，而借助调节调速风机1的转速不仅可以调节气室11通气口处的实时压力，更为重要的是，在转速增大时气室11通气口处的气压峰值也随之增大，也即调速风机1同时用于调节气压峰值。

而无论是调速风机1的转速，亦或是正压旁路阀5或负压旁路阀4的开度，其调节均具有瞬时性，通过调速风机1、正压旁路阀5和负压旁路阀4配合，以便实时调节正压腔3或负压腔2的气压，进而提高模拟呼吸的气流及气压调节精度。

进一步地，上述呼吸气流模拟装置还包括流量检测模块9，流量检测模块9采用设置在气路换向阀8和气室11的换气口之间的流量传感器。

呼吸气流模拟装置进一步包括压力检测模块10，压力检测模块10具体采用设置在气室11的差压传感器，以检测模拟呼吸的气压参数。

通过设置流量检测模块9和压力检测模块10，便于根据检测结果调节调速风机1的转速、正压旁路阀5以及负压旁路阀4的开度。作为优选地，本申请进一步包括控制器12，控制器12连接气路换向阀8、压力检测模块10、流量检测模块9以及调速风机1，以便调节气路换向阀8进行呼气和吸气模拟切换，根据压力检测模块10和流量检测模块9的反馈值对调速风机1的转速进行调节。控制器12还分别连接正压旁路阀5和负压旁路阀4，在呼气状态下，控制器12调节负压旁路阀4开度最大，正压旁路阀5由最大开度至关闭，并由关闭至最大开度；在吸气状态下，控制器12调节正压旁路阀5开度最大，负压旁路阀4由开度最大至关闭，并由关闭逐渐至开度最大。

控制器12进一步包括显示模块，显示模块用于显示对应阀体的状态信息、压力检测模块10和流量检测模块9的反馈值，以便与呼吸检测设备检测到的通气口处的气流及气压值进行比对。控制器12与正压旁路阀5、负压旁路阀4、调速风机1、流量检测模块9及压力检测模块10均通过控制线束13连接。

呼吸气流的模拟过程或原理如下：

用户在控制器12中设置呼吸模拟参数，包括最大正压、最大负压、潮气量、呼吸速度等参数；控制器12根据最大正、负压参数将调速风机1转速控制至某一值；模拟吸气时，控制器12将气路换向阀8切换至负压气管6导通，并将正压旁路阀5、负压旁路阀4控制至最大开度值，控制负压旁路阀4开度逐渐减至最小，再由最小逐渐增至最大完成吸气模拟，外部气体通过气室11通气口经由气室11、流量传感器、气路换向阀8、负压气管6进入负压腔2。

模拟呼气时，气路换向阀8切换至正压气管7导通，并将正压旁路阀5、负压旁路阀4控制至最大开度值，控制正压旁路阀5开度逐渐减至最小，再由最小逐渐增至最大完成呼气模拟，正压腔3内气体通过正压腔3经过正压气管7、气路换向阀8、流量传感器和气室11，并由气室11的通气口排至外部。呼吸模拟过程中控制器12实时读取流量传感器与压差传感器反馈值，结合设定的呼吸速度、潮气量对正压旁路阀5及负压旁路阀4的开度、开合速度进行实时调整，从而实现呼吸模拟参数的精确控制。其中，可调速风机1具有速度负反馈功能，控制器12可精确控制调速风机1转速；正压旁路阀5、负压旁路阀4均为伺服阀，控制器12可精确控制其开度。

调速风机1控制呼吸模拟气压峰值的原理如下：

调速风机1转速可在最低转速至最高转速之间无极调节，同时具有转速反馈功能。调速风机1转速与出气压力之间为正相关，即调速风机1转速越高，出气压力越大。因此可以通过精确控制调速风机1转速，实现出气压力的精确控制，呼吸模拟过程中控制器12通过实时读取压差传感器反馈值，可对调速风机1转速进行微调，从而实现气压的精确模拟。

正压调节部分结构(正压腔3和正压旁路阀5)与负压调节部分结构(负压腔2和负压旁路)为对称结构，其调节原理一致。这里以正压调节部分为例，阐述利用正压旁路阀5实现压力调节的原理。

请参考图2，正压旁路阀5在最大开度时，正压腔3出气口径小于调速风机1出气口径。当调速风机1转速固定于某一值时，调速风机1全压Py为一固定值，正压旁路阀5出口处动压为Pd，正压腔3出气口也即正压气管7进气口处的静压为Pj，Pj＝Py-Pd；正压旁路阀5开度与出口处动压Pd成正相关，即开度越大动压越大，由此可以通过控制正压旁路阀5开度来实现对正压气管7进口与气室11的静压的控制。

本发明所提供的呼吸气流模拟装置，通过控制调速风机1的转速即可控制呼吸模拟曲线气压峰值；控制正压旁路阀5和负压旁路阀4的开度即可控制通气口气压与流量；控制正压旁路阀5和负压旁路阀4的开闭速度即可控制呼吸速度；通过设置压力检测模块10与流量检测模块9，形成呼吸模拟的闭环控制。正压旁路阀5和负压旁路阀4结构简单轻巧，响应速度快，控制灵活；调速风机1转速范围宽，对应气压峰值调节范围宽泛并可无极调节，最大潮气量不受任何限制。因此，本发明所提供的呼吸气流模拟装置具有体积轻便小巧，呼吸模拟参数调节灵活，呼吸曲线精度高，模拟效果稳定，适用范围广泛等优点。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的呼吸气流模拟装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种呼吸气流模拟装置，其特征在于，包括气室、正压腔、负压腔和调速风机；所述气室设有通气口，所述调速风机的进风口连接所述负压腔，所述调速风机的出风口连接所述正压腔；所述正压腔与所述气室之间连接正压气管，所述负压腔与所述气室之间连接负压气管，还包括用以切换所述正压气管和所述负压气管分别与所述气室交替导通的气路换向阀。

2.根据权利要求1所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，所述气室设有换气口，所述气路换向阀为进气口连接所述换气口、排气口分别连接所述正压气管和所述负压气管的二位三通电磁阀。

3.根据权利要求2所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，所述二位三通电磁阀与所述换气口之间连接流量检测模块。

4.根据权利要求3所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，所述气室设有压力检测模块。

5.根据权利要求4所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，还包括连接所述流量检测模块和所述压力检测模块以根据二者的反馈值调节所述调速风机转速的控制器。

6.根据权利要求1-5任一项所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，所述正压腔连接正压旁路阀，所述负压腔连接负压旁路阀。

7.根据权利要求6所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，所述正压腔和所述负压腔关于所述调速风机对称设置。

8.根据权利要求6所述的呼吸气流模拟装置，其特征在于，所述调速风机为无极变速风机，所述正压旁路阀和所述负压旁路阀均为伺服阀。

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