CN113920838B - 一种电子式主动模拟肺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子式主动模拟肺，其特征在于：模拟人体肺部容腔的气缸结构、模拟人体呼吸肌肉的动力驱动结构、模拟人体呼吸道结构的波纹管结构3以及包括压力传感器、双向呼吸流量计以及上位测控计算机的测控系统，气缸结构出气口与模拟呼吸道的波纹管结构相连。压力传感器和双向流量计在气路上进行参数监测，通过参数采集板卡进行数据采集与传输。通过上位机向驱动控制器发送控制命令，通过控制程序带动气缸活塞运动。

Description

一种电子式主动模拟肺

技术领域

本发明设计了一种人体呼吸模拟设备，具体而言是一种模拟呼吸系统的装置，用于模拟人体在呼吸过程中的一些生理特征和物理特征。

背景技术

随着战斗机性能的提升，航空供氧防护系统开发与研究逐渐受到重视。供氧调节器是机载供氧系统中最核心的调节单元和控制装置。供氧系统所有的功能实现都需要供氧调节器的控制与调节。氧气调节器是供氧系统关键的控制核心部件，用于向氧气面罩提供一定流量、压力的纯氧或一定氧浓度的混合气体。按照不同的环境压力和使用者不同的呼吸情况，具有不同的供氧方式和供氧要求。模拟肺装置作为电子式氧气调节器性能测试中必不可少测试设备，其性能参数精度会直接影响氧调器性能测试的精度和可靠性。模拟肺是一种模拟呼吸系统的装置，用于模拟人体在呼吸过程中的一些生理特征和物理特征，根据不同的应用条件，模拟肺具有不同的结构原理。模拟肺多应用于呼吸辅助设备的研发与调试，在医学领域和教育领域有较为广泛的应用。

模拟肺可根据其工作原理、结构形式等特点进行分类。根据模拟肺的有无动力源可将其分为被动式模拟肺和主动模拟肺；被动式模拟肺无动力源，通过结构或材料特性模拟肺部相关特征。被动模拟肺的结构，这种设计存在呼吸系统模拟能力和在线调试能力差、控制精度低和不能开展辅助通气模式研究等问题。主动式模拟肺具有动力元件，可以模拟人体主动进行呼吸过程时的生理特征。目前广泛使用的机械式模拟肺是由曲柄连杆结构驱动的，由于其结构简单、模式单一，无法模拟人体呼吸系统本身的呼吸阻抗问题，具有无法进行供气流量、压力等参数的连续变化、流量模式可调性单一等缺点。

因此有必要开发设计一种可模拟飞行员呼吸参数的电子式主动模拟肺。

发明内容

本发明的设计目的是根据人体呼吸过程的特点，设计新型一款使用于氧气调节器性能测试的电子式模拟肺结构，具有潮气量大、潮气量、呼吸周期等参数可调功能、具有更优的测控水平。

根据本发明的一个实施例的电子式主动模拟肺包括模拟人体肺部容腔的气缸结构，模拟人体呼吸肌肉的动力驱动结构，模拟人体呼吸道结构的波纹管结构，以及包括压力传感器、双向呼吸流量计、数据采集板卡、上位测控计算机以及驱动控制器的测控系统。

根据本发明所述的气缸结构，以气缸无杆腔作为肺容腔的模拟结构。气缸结构出气口与模拟呼吸道的波纹管结构相连。压力传感器和双向流量计在气路上进行参数监测。

所述动力驱动结构由驱动控制器控制。驱动控制器与动力驱动装置连接，通过向动力驱动装置。向电缸的编码器发送脉冲信号，从而控制电缸推杆往复运动。

所述气缸结构推杆与第一联轴器连接，电缸结构推杆与第二联轴器连接。一连杆结构通过两个联轴器将第一联轴器与第二联轴器相连，以电缸推杆的往复运动驱动气缸推杆的往复运动，从而完成呼吸模拟。

所述测控系统包括参数测量系统和控制系统，通过上位测控计算机通讯驱动结构的控制器可在线调节气缸结构的活塞的运动速度、运动加速度及位移等参数，由此进行呼吸过程中呼吸流量、呼吸速率及潮气量等参数的模拟。

根据本发明的一个方面，提供了一种电子式主动模拟肺，其特征在于包括：

模拟人体肺部容腔的气缸，

模拟人体呼吸肌肉的动力驱动部分，

模拟人体呼吸道结构的波纹管，

包括压力传感器、双向呼吸流量计、数据采集板卡以及上位测控计算机的测控系统，

其中：

气缸的出气口与模拟呼吸道的波纹管3相连，

压力传感器、测量模拟呼吸流量的双向呼吸流量计均连在呼吸主管上，压力传感器和双向呼吸流量计各自的信息输出端连到数据采集板卡，数据采集板卡的信息输出端连到上位测控计算机，

压力传感器和双向流量计分别用于在波纹管处的气路上进行压力参数和流量参数的监测，并通过数据采集板卡进行数据采集与传输，

上位测控计算机用于向驱动控制器发送控制命令，通过控制程序带动气缸活塞运动，

气缸包括：气缸推杆、气缸缸体、第一联轴器，

动力驱动结构包括电缸编码器驱动控制器、电缸推杆、第二联轴器，

第一和第二联轴器和分别与气缸推杆和电缸推杆固定连接，

第二联轴器与第一联轴器之间通过连杆结构相连，用于传递运动,

所述动力驱动结构由驱动控制器控制，

驱动控制器与动力驱动装置连接，通过向动力驱动装置电机发送脉冲信号驱动电机运动，从而使动力驱动装置推杆运动，带动气缸活塞进行往复运动。

本发明所述的可模拟飞行员呼吸参数的电子式主动模拟肺有以下有益效果：

(1)可在线调节所模拟呼吸过程的呼吸流量、呼吸速率及潮气量等参数的调节，且可以进行多种波形的输出；

(2)可模拟更大的呼吸潮气量以及具有更大的呼吸动力，更贴合飞行员呼吸时的相关参数；

(3)采用一定直径的波纹软管进行人体呼吸道的模拟，由此进行呼吸气道阻力的模拟。

综上所述，本发明所述的电子式主动模拟肺能模拟飞行员呼吸的不同状态，考虑了人体呼吸的并能在线调节相关呼吸参数，进行多种呼吸状态的模拟。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的电子式主动模拟肺的结构示意图。

图1是根据本发明的一个实施例的电子式主动模拟肺的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的电子式主动模拟肺的连接方式示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的控制界面图；

图4是根据本发明的一个实施例的实测呼吸波形模拟逻辑图。

具体实施方式

现在结合附图描述本发明的具体实施例。

图1为本发明的一个实施例的电子式主动模拟肺的流程示意图。根据本发明的电子式主动模拟肺，如图1所示，包括：模拟人体肺部容腔的气缸1，模拟人体呼吸肌肉的动力驱动部分2，模拟人体呼吸道结构的波纹管3，以及包括压力传感器4、双向呼吸流量计5、数据采集板卡6以及上位测控计算机7的测控系统。气缸1的出气口与模拟呼吸道的波纹管3相连。压力传感器4和双向呼吸流量计5在气路上进行参数监测，并通过数据采集板卡6进行数据采集与传输。通过上位测控计算机7向驱动控制器8发送控制命令，通过控制程序带动气缸活塞运动。

图2为本发明的结构示意图，气缸1包括气缸推杆11、气缸缸体12、第一联轴器13；动力驱动部分2包括驱动控制器21、电缸推杆22、第二联轴器23；驱动控制器21用于控制动力驱动部分2中电缸推杆22的运动；第一联轴器13和第二联轴器23用于将气缸推杆11和电缸推杆22相连；第一联轴器13和第二联轴器23分别以螺纹形式与推杆固定，第二联轴器23与第一联轴器13之间通过连杆结构9相连，从而将电缸推杆22的运动传递给气缸推杆11.

图3显示了根据本发明的一个实施例的控制界面图的实例。

实施例1

人体呼吸波形为非规则波形，通常采用方波、三角波或正弦波形模拟呼吸波形。双向流量计和压力传感器均通过波纹软管连向气缸气口，参数测量装置的信息输出端连向参数采集板卡并输入上位测控计算机输入端口。可以在所设计的程序人机界面完成参数的实时监测、观察和数据采集保存功能。动力驱动部分2的驱动控制器连向上位测控计算机485通讯端。通过安装在上位测控计算机7的人机交互界面进行设定，按照预设的试验方案，上位测控计算机向驱动控制器8发送控制指令。通过动力驱动装置内设的速度控制模式实现气缸杆运动速度控制；驱动控制器的速度控制模式主要参数有转速、加速时间、加速类型等。在潮气量一定的情况下，通过计算确定流量最大值。通过输入转速值设定呼吸流量最大值，通过输入加速减速时间设定加速度值，通过呼吸频率和呼吸最大流量确定加减速时间。吸气过程电机正转，推动动力驱动装置推杆伸出，带动气缸活塞向外运动，气体通过波纹软管流入气缸无杆腔，完成吸气模拟过程。呼气过程电机反转，带动动力驱动装置推杆回程，从而使气缸活塞向内运动，气体通过波纹软管流出气缸无杆腔，完成呼气过程模拟。

根据本发明的另一个方面，提供了一种预设呼吸波形的呼吸模拟控制方法，如图1所示，包括利用数据处理单元和控制单元进行如下操作：

在控制界面选择所提供的预设呼吸波形、呼吸潮气量31、呼气流率32、吸气流率33等具体参数，

根据所选择的预设波形调整控制模式，读取相应控制参数，将其转换为位置控制信号或速度控制信号，

依据输入的参数计算出CRC校验码，传输进驱动控制装置，从而实现波形输出。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种根据实际呼吸数据进行呼吸模拟的控制方法，包括利用如图2所示的装置进行如下操作：

通过参数采集单元34采集呼吸参数，该呼吸参数包括实际呼吸情况下的呼吸潮气量31、呼气流率32、吸气流率33，

通过数据处理单元35将呼吸参数进行处理，

利用人机交互界面读取所输入的呼吸参数，

将输入的流速、呼吸周期和潮气量值转换为位置控制信号及速度控制信号，

利用控制单元39，依据输入的位置、速度信号，计算出CRC校验码，

每隔预定时间向驱动控制器控制地址中输入控制参数，通过不断改变电机的运行速度，使输出的呼吸参数波形接近输入的流量波形。

本发明提供的模拟肺的有益效果包括：

根据所需要的呼吸数据，可以在上位机控制程序中通过在相应位置输入所需要的呼吸参数值，实时在线调整模拟呼吸的潮气量、呼吸频率等呼吸参数。输出呼吸波形参数准确，重复性好；

根据所需要的呼吸数据，可以在上位测控计算机控制程序中通过在相应位置输入所需要的呼吸参数值，实时在线调整模拟呼吸的潮气量、呼吸频率等呼吸参数；

可输出多种类型的呼吸曲线，满足不同试验要求；

可根据实际测量的呼吸参数，向模拟肺输入呼吸波形进行呼吸模拟，可更为精确的接近人体呼吸波形，比现有的正弦波形等近似波形模拟方法更为准确，更适用于氧调器的性能试验。

Claims (5)

1.一种电子式主动模拟肺，其特征在于包括：

模拟人体肺部容腔的气缸(1)，

模拟人体呼吸肌肉的动力驱动部分(2)，

模拟人体呼吸道结构的波纹管(3)，

包括压力传感器(4)、双向呼吸流量计(5)、数据采集板卡(6)以及上位测控计算机(7)的测控系统，

其中：

气缸(1)的出气口与模拟呼吸道的波纹管(3)相连，

压力传感器(4)、测量模拟呼吸流量的双向呼吸流量计(5)均连在呼吸主管上，压力传感器(4)和双向呼吸流量计(5)各自的信息输出端连到数据采集板卡(6)，数据采集板卡的信息输出端连到上位测控计算机(7)，

压力传感器(4)和双向呼吸流量计(5)分别用于在波纹管(3)处的气路上进行压力参数和流量参数的监测，并通过数据采集板卡(6)进行数据采集与传输，

上位测控计算机(7)用于向驱动控制器(8)发送控制命令，通过控制程序带动气缸活塞运动，

气缸(1)包括：气缸推杆(11)、气缸缸体(12)、第一联轴器(13)，

动力驱动部分(2)包括电缸编码器驱动控制器(21)、电缸推杆(22)、第二联轴器(23)，

第一联轴器(13)和第二联轴器(23)分别与气缸推杆(11)和电缸推杆(22)固定连接，

第二联轴器(23)与第一联轴器(13)之间通过连杆结构(9)相连，用于传递运动,

所述动力驱动部分(2)由驱动控制器(8)控制，

驱动控制器(8)与动力驱动部分(2)连接，通过向动力驱动装置电机发送脉冲信号驱动电机运动，从而使动力驱动装置推杆运动，带动气缸活塞进行往复运动。

2.根据权利要求1所述的电子式主动模拟肺，其特征在于：所述气缸(1)活塞部分与所述动力驱动部分(2)平行放置，所述气缸活塞和动力驱动结构推杆通过一联轴器连接，通过联轴器传动使所述气缸活塞平行滑动。

3.根据权利要求1所述的电子式主动模拟肺，其特征在于：

所述上位测控计算机(7)通过驱动控制器(8)进行指令输送，所述驱动控制器(8)与上位测控计算机(7)的485通讯串口连接，通过上位测控计算机(7)将编写的测控程序将控制指令发送到驱动控制器(8)，控制动力驱动部分(2)推杆运动。

4.基于根据权利要求1所述的电子式主动模拟肺的呼吸模拟控制方法，其特征在于包括如下步骤：

通过参数采集单元(34)采集呼吸参数，该呼吸参数包括呼吸潮气量(31)、呼气流率(32)、吸气流率(33)，

通过数据处理单元(35)将呼吸参数进行处理，

利用人机交互界面读取所输入的呼吸参数，

将输入的流速、呼吸周期和潮气量值转换为位置控制信号及速度控制信号，

利用上位测控计算机(7)，依据输入的位置、速度信号，计算出CRC校验码，

每隔预定时间向驱动控制器控制地址中输入控制参数，通过不断改变电机的运行速度，使输出的呼吸参数波形接近输入的流量波形。

5.根据权利要求4所述的呼吸模拟控制方法，其特征在于：

控制系统通过驱动控制器8进行指令输送，所述驱动控制器(8)与上位测控计算机(7)的485通讯串口连接，通过上位机将编写的测控程序将控制指令发送到驱动控制器(8)，控制动力驱动部分(2)推杆运动。