CN114024522B - 模拟肺部呼吸的电阻网络、装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种模拟肺部呼吸的电阻网络、装置和方法。其中，模拟肺部呼吸的电阻网络，包括：电接口；固定电阻网络，与电接口电连接，用于模拟胸腔和肺间组织中的至少一项；可变电阻网络，与固定电阻网络电连接，并被固定电阻网络包围，用于模拟肺实质，从而对胸腔和肺间组织中的至少一项和肺实质分别建模，用简单、高效的结构模拟肺部呼吸。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像领域，具体涉及模拟肺部呼吸的电阻网络、装置和方法。
背景技术
电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技术基于不同的生物组织具有不同的电阻抗特性，以及同一组织在不同的生理、病理状态下的电阻抗特性也会不同的生物物理基础进行成像，可以反映组织的生理病理状态。肺部的电阻抗随着呼吸过程会发生周期性变化，故电阻抗成像技术在探索人体肺功能方面具有良好的应用前景。
高精度的数据采集系统和可靠的图像重构算法是肺部EIT研究的关键。为了校准、定标数据采集系统和优化图像重构算法，需要能够模拟肺部呼吸状态的精准成像模型。尽管现有的EIT成像模型可以对肺部的电阻抗特性进行静态建模，但是无法对呼吸过程中的肺部的电阻抗特性进行动态建模，以模拟呼吸过程中的肺部的连续性阻抗变化。
除了校准、定标数据采集系统和优化图像重构算法外，肺部电阻抗特性的动态建模还可以用于多种其它场景，例如临床教学等。
发明内容
为了解决相关技术中的问题，本发明实施例提供了一种模拟肺部呼吸的电阻网络、装置和方法。
第一方面，本发明实施例中提供了一种模拟肺部呼吸的电阻网络，包括：
电接口；
固定电阻网络，与所述电接口电连接，用于模拟胸腔和肺间组织中的至少一项；
可变电阻网络，与所述固定电阻网络电连接，并被所述固定电阻网络包围，用于模拟肺实质。
结合第一方面，本发明在第一方面的第一种实现方式中，
所述固定电阻网络采用二维矩阵结构；和/或
所述可变电阻网络采用二维矩阵结构。
结合第一方面的第一种实现方式，本发明在第一方面的第二种实现方式中，
所述可变电阻网络包括：第一可变电阻网络，第二可变电阻网络，所述第一可变电阻网络和所述第二可变电阻网络用于模拟左肺和右肺；或
所述可变电阻网络是整体的第一可变电阻网络，用于模拟左肺或右肺。
结合第一方面的第一种实现方式，本发明在第一方面的第三种实现方式中，
所述固定电阻网络中采用至少16个固定电阻；和/或
所述固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为1欧姆至10千欧姆；和/或
所述可变电阻网络中采用至少2个可变电阻；和/或
所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为1欧姆至100千欧姆。
结合第一方面的第三种实现方式，本发明在第一方面的第四种实现方式中，
所述固定电阻网络中采用136个固定电阻；和/或
所述固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为200欧姆；和/或
所述可变电阻网络中采用24个可变电阻；和/或
所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为4.68欧姆至1.2千欧姆。
第二方面，本发明实施例中提供了一种模拟肺部呼吸的装置，其特征在于，包括：
模拟肺部的电阻网络，包括：
电接口；
固定电阻网络，与所述电接口电连接，用于模拟胸腔，肺间组织中的至少一项；
可变电阻网络，与所述固定电阻网络电连接，并被所述固定电阻网络包围，用于模拟肺的呼吸；
控制模块，与所述可变电阻网络电连接，用于控制所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗；
电源模块，用于为所述模拟肺部呼吸的装置供电。
结合第二方面，本发明在第二方面的第一种实现方式中，
所述可变电阻的阻抗由所述可变电阻的最大加载值，所述可变电阻的最小加载值，阻抗的变化周期，线性调节系数确定。
结合第二方面的第一种实现方式，本发明在第二方面的第二种实现方式中，
所述可变电阻的阻抗由可变电阻的加载值确定，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的可变电阻加载值，Rmin是可变电阻的最小加载值，Rmax是可变电阻的最大加载值，n是阻抗变化周期，K是线性调节系数。
结合第二方面的第一种实现方式，本发明在第二方面的第三种实现方式中，
所述线性调节系数在吸气时为正数，在呼气时为负数。
结合第二方面，本发明在第二方面的第四种实现方式中，
所述模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期包括：吸气时间段，呼气时间段，呼吸暂停时间段。
结合第二方面，本发明在第二方面的第五种实现方式中，还包括：
模式选择模块，与所述控制模块电连接，用于检测用户的输入操作，并基于所述用户的输入操作设定所述模拟肺部呼吸的装置的模式。
结合第二方面的第五种实现方式，本发明在第二方面的第六种实现方式中，
所述模拟肺部呼吸的装置的模式包括以下至少一项：
工作模式，暂停模式，更新呼吸周期。
结合第二方面的第五种实现方式，本发明在第二方面的第七种实现方式中，还包括：
指示模块，与所述控制模块电连接，用于指示所述模拟肺部呼吸的装置的状态。
结合第二方面的第七种实现方式，本发明在第二方面的第八种实现方式中，
所述模拟肺部呼吸的装置的状态包括：
工作状态，暂停状态；和/或
所述电接口的电压；和/或
肺的呼吸电阻抗图像。
第三方面，本发明实施例中提供了一种模拟肺部呼吸的方法，其特征在于，包括：
初始化步骤，初始化控制模块，可变电阻网络和指示模块；
模式选择模块检测步骤，模式选择模块检测用户的输入操作；
状态更新步骤，基于用户的输入操作，控制模块更新所述模拟肺部呼吸的装置的状态，并在指示模块输出；
可变电阻阻抗更新步骤，控制模块更新可变电阻的阻抗。
结合第三方面，本发明在第三方面的第一种实现方式中，
所述初始化步骤包括：所述控制模块向所述可变电阻网络中的可变电阻写入初始加载值，在指示模块中将所述电接口的电压的初始值作为背景帧。
结合第三方面，本发明在第三方面的第二种实现方式中，
所述状态更新步骤包括：在所述用户的输入是工作模式的条件下，更新所述模拟肺部呼吸的装置的状态至工作状态；和/或
在所述用户的输入是暂停模式的条件下，更新所述模拟肺部呼吸的装置的状态至暂停状态；和/或
在所述用户的输入是呼吸周期的条件下，更新所述模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期。
结合第三方面，本发明在第三方面的第三种实现方式中，
所述可变电阻阻抗更新步骤包括：控制模块根据所述模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期，基于可变电阻的最大加载值，可变电阻的最小加载值，阻抗的变化周期，线性调节系数更新可变电阻的阻抗，所述线性调节系数在吸气时为正数，在呼气时为负数。
结合第三方面的第三种实现方式，本发明在第三方面的第四种实现方式中，
所述可变电阻的阻抗由可变电阻的加载值确定，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的可变电阻加载值，Rmin是可变电阻的最小加载值，Rmax是可变电阻的最大加载值，n是阻抗变化周期，K是线性调节系数。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
根据本发明实施例提供的技术方案，通过模拟肺部呼吸的电阻网络，包括：电接口；固定电阻网络，与电接口电连接，用于模拟胸腔和肺间组织中的至少一项；可变电阻网络，与固定电阻网络电连接，并被固定电阻网络包围，用于模拟肺实质，从而对胸腔和肺间组织中的至少一项和肺实质分别建模，用简单、高效的结构模拟肺部呼吸。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将变得更加明显。以下是对附图的说明。
图1示出根据本发明一实施方式的模拟肺部呼吸的电阻网络的示例性结构图。
图2a示出根据本发明一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的示例性结构框图。
图2b示出根据本发明又一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的示例性结构框图。
图2c示出根据本发明另一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的示例性结构框图。
图3示出根据本发明一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的工作流程的示例性示意图。
图4示出根据本发明一实施方式的呼吸周期曲线的示例性示意图。
图5示出根据本发明一实施方式的一个呼吸周期内的呼吸电阻抗图像的示例性示意图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
在本发明中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的标签、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他标签、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的标签可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技术基于不同的生物组织具有不同的电阻抗特性，以及同一组织在不同的生理、病理状态下的电阻抗特性也会不同的生物物理基础进行成像，可以反映组织的生理病理状态。为了对EIT的数据采集系统和图像重构算法进行有效性评价，需要构建相应的EIT成像模型。在现有的EIT成像模型中，可以对肺部的电阻抗特性进行静态建模，但是无法对呼吸过程中的肺部的电阻抗特性进行动态建模，模拟呼吸过程中的肺部的连续性阻抗变化。
为了解决上述问题，本发明提出一种模拟肺部呼吸的电阻网络、装置和方法。
图1示出根据本发明一实施方式的模拟肺部呼吸的电阻网络的示例性结构图。
本领域普通技术人员可以理解，图1示例性示出了模拟肺部呼吸的电阻网络，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，模拟肺部呼吸的电阻网络100包括：电接口101，固定电阻网络102，第一可变电阻网络1031，第二可变电阻网络1032。第一可变电阻网络1031和第二可变电阻网络1032共同构成可变电阻网络103，编号103在图1中未示出。
在本发明的实施例中，如图1所示，电接口有16个，用于检测模拟肺部呼吸的电阻网络的外部电压。本领域普通技术人员可以理解，电接口的个数可以根据需要设定为其它个数，例如8，16或者32等，本发明对此不作限定。
固定电阻网络102和电接口101电连接，用于模拟呼吸过程中电阻抗基本不变的胸腔、肺间组织中的至少一项。肺间组织可以包括结缔组织、淋巴管、神经纤维及血管等。如图1所示，在固定电阻网络102的周边，每间隔一个固定电阻，连接一个电接口101。
固定电阻网络102可以采用二维矩阵结构连接各固定电阻。在本发明的实施例中，固定电阻的阻抗为1欧姆至10千欧姆，例如是200欧姆，固定电阻网络102包括至少16个固定电阻，例如136个固定电阻。
可变电阻网络103与固定电阻网络102电连接，并被固定电阻网络102包围，用于模拟肺实质。肺实质包括肺内各级的气管、支气管以及肺泡，在呼吸过程中电阻抗显著变化。
可变电阻网络103可以采用二维矩阵结构连接各可变电阻。在本发明的实施例中，可变电阻的阻抗为1欧姆至100千欧姆，例如4.68欧姆至1.2千欧姆，可变电阻网络103包括至少2个可变电阻，例如24个可变电阻。可变电阻网络103可以由Analog Devices公司的AD8403芯片具体实现，每个AD8403芯片具有4通道可变电阻。
在本发明的实施例中，第一可变电阻网络1031可以用于模拟左肺，第二可变电阻网络1032可以用于模拟右肺。
本领域普通技术人员可以理解，第一可变电阻网络1031也可以用于模拟右肺，第二可变电阻网络1032用于模拟左肺。通过第一可变电阻网络1031、第二可变电阻网络1032和左肺、右肺间的对应关系，可以模拟对人体肺部的正面EIT成像和背面EIT成像。
本领域普通技术人员可以理解，可变电阻网络103也可以是整体的第一可变电阻网络，而不是分为第一可变电阻网络1031和第二可变电阻网络1032，用于对例如左肺或者右肺的单侧的肺进行简化模拟，或者模拟单侧肺切除手术后的另一侧肺等。
本领域普通技术人员可以理解，固定电阻的阻抗可以是200欧姆之外的其它阻抗，也可以是1欧姆至10千欧姆之外的其他阻抗值，固定电阻网络102可以包括其它个数的固定电阻，可变电阻的阻抗可以是4.68欧姆至1.2千欧姆之外的其它值，也可以是1欧姆至100千欧姆之外的其它组织，可变电阻网络103可以包括其它个数的可变电阻，可变电阻网络103可以由其它芯片或电路方式实现，本发明对此不作限定。
图2a示出根据本发明一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的示例性结构框图；
本领域普通技术人员可以理解，图2a示例性示出了模拟肺部呼吸的装置，而不构成对本发明的限制。
如图2a所示，模拟肺部呼吸的装置210包括和图1相同的模拟肺部呼吸的电阻网络100，以及控制模块201，电源模块202。
控制模块可以采用ARM微控制器、CPU、FPGA等具有计算、逻辑控制功能的器件实现，也可以采用其它器件方式实现，本发明对此不作限定。
电源模块202和电阻网络100、控制模块201电连接，给电阻网络100和控制模块201供电。
控制模块201通过例如串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的方式和可变电阻网络103电连接，控制可变电阻网络103中的可变电阻的阻抗。控制模块201通过例如模拟数字转换电路(Analog to Digital Converter，ADC)的方式和电接口101电连接，采集电接口101的电压值。
本领域普通技术人员可以理解，控制模块201和可变电阻网络103、电接口101之间也可以采用其它方式连接，本发明对此不作限定。
控制模块201采用下述方式控制可变电阻网络103中的可变电阻的加载值R(i)，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的加载值，Rmin是最小加载值，Rmax是最大加载值，n是阻抗变化周期，阻抗变化周期可以是吸气时间段或者呼气时间段的点数，K是线性调节系数。K可以是常数，例如为1；也可以随可变电阻的加载值R(i)的变化而变化，例如K的绝对值随R(i)的增大而增大。K可以调整例如模拟肺部呼吸的幅度。
由i时刻的可变电阻加载值R(i)决定可变电阻的阻抗。例如，可变电阻的阻抗随可变电阻加载值R(i)线性变化，例如对采用256抽头的数字可变电阻，其加载值每增加1，阻抗增加4.68欧姆。
在本发明的实施例中，若随着时刻i的线性变化，可变电阻加载值R(i)也线性变化，即R(i)-R(i-1)为常量，会导致对电接口101的电压扰动差别很大。例如，由于可变电阻的阻抗的最小变化步长是4.68欧姆，当其阻抗为4.68欧姆时，其增加4.68欧姆的阻抗，会增加1倍的分压；而当可变电阻的阻抗为1K欧姆时，阻值增加4.68欧姆，其分压只增加了5％。这两种情况下，对电接口101的电压的扰动相差20倍。
在本发明的实施例中，吸气时线性调节系数K为正数，呼气时线性调节系数K为负数，模拟肺部在呼吸过程中电阻抗的真实变化。而且采用上述公式，在时间变量i的作用下，可以在可变电阻的阻抗较高时，提高对电接口101的电压的扰动。
在本发明的实施例中，在相同的时刻i，可变电阻网络103的所有可变电阻的加载值可以均相同。
在本发明的实施例中，模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期可以包括：吸气时间段，呼气时间段，呼吸暂停时间段。例如，呼吸周期设定为4.25秒，吸气时间段为1.85秒，呼气时间段为2.4秒。为了更加真实地模拟人体在呼吸末的暂停，设定呼气时间段末位的0.25秒为呼吸暂停时间段。
本领域普通技术人员可以理解，呼吸周期，吸气时间段，呼气时间段，呼吸暂停时间段也可设定为其它数值，本发明对此不作限定。
在本发明的实施例中，使用图2a所示的模拟肺部呼吸的装置210，控制模块201可以自动周期性地控制可变电阻的阻抗变化，并检测电接口101的电压变化，从而模拟肺部的呼吸过程。
图2b示出根据本发明又一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的示例性结构框图。
本领域普通技术人员可以理解，图2b示例性示出了模拟肺部呼吸的装置，而不构成对本发明的限制。
如图2b所示，模拟肺部呼吸的装置220除了包括和图2a相同的模拟肺部呼吸的电阻网络100，控制模块201，电源模块202，还包括模式选择模块203。
电源模块202可以和模式选择模块203电连接，给模式选择模块203供电。控制模块201可以通过SPI和模式选择模块203电连接，从模式选择模块203接收用户的输入，例如：工作模式，暂停模式，更新呼吸周期。通过模式选择模块203，用户可以对模拟肺部呼吸的装置220进行灵活控制。
工作模式、暂停模式的用户输入可以采用按键的方式实现，例如，第一次按下按键时是工作模式，第二次按下按键时是暂停模式。
更新呼吸周期的用户输入可以采用加按键、减按键的方式实现。
工作模式、暂停模式、更新呼吸周期的用户输入也可以采用图形用户界面的方式实现，或其它方式实现，本发明对此不作限定。
本领域普通技术人员可以理解，控制模块201可以通过例如通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)等的其它方式和模式选择模块203电连接，本发明对此不作限定。而当控制模块201可以给模式选择模块203供电时，电源模块202和模式选择模块203间的电连接可以省略。
图2c示出根据本发明另一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的示例性结构框图；
本领域普通技术人员可以理解，图2c示例性示出了模拟肺部呼吸的装置，而不构成对本发明的限制。
如图2c所示，模拟肺部呼吸的装置230除了包括和图2b相同的模拟肺部呼吸的电阻网络100，控制模块201，电源模块202，模式选择模块203，还包括指示模块204。
控制模块201可以通过SPI、USB等和指示模块204电连接，电源模块202可以向指示模块204供电。在控制模块201可以向指示模块204供电的条件下，图2c中控制模块201和指示模块204间的电连接可以省略。
指示模块204可以包括发光二极管，8段式发光二极管，图形显示界面等。
指示模块204可以通过发光二极管显示模拟肺部呼吸的装置230的工作状态、暂停状态，可以通过8段式发光二极管用数字方式显示呼吸周期值。指示模块204还可以用图形显示界面显示例如图4所示的呼吸周期曲线，和/或图5所示的呼吸电阻抗图像。指示模块204也可以采用图形显示界面综合显示工作状态、暂停状态，呼吸周期值，呼吸周期曲线，呼吸电阻抗图像，本发明对此不作限定。
图3示出根据本发明一实施方式的模拟肺部呼吸的装置的工作流程的示例性示意图。
具体的，图3示出了使用图2c中模拟肺部呼吸的装置230，模拟肺部呼吸的具体工作流程。
本领域普通技术人员可以理解，图3示例性示出了模拟肺部呼吸的装置的工作流程，而不构成对本发明的限制。
如图3所示，模拟肺部呼吸的装置的工作流程包括步骤S301至S311。
在步骤S301中，控制模块载入可变电阻的初始加载值。
在本发明的实施例中，模拟肺部呼吸的装置启动时，控制模块可以从只读存储器(Read Only Memory，ROM)中载入可变电阻的初始加载值。
在步骤S302中，控制模块向可变电阻写入初始加载值。
在步骤S303中，发光二极管状态初始化。
步骤S301、S302、S303可以构成初始化步骤。
在初始化步骤中，指示模块204还可以将电接口101的电压的初始值作为背景帧。
在步骤S304中，控制模块检测模式选择模块输入的呼吸周期。
在步骤S305中，检测按键输入。
步骤S304、S305可以构成模式选择模块检测步骤。
在步骤S306中，判断是否有按键输入。当判断为“是”时，执行步骤S307；当判断为“否”时，执行步骤S308。
在步骤S307中，呼吸状态翻转(工作，暂停)。
在本发明的实施例中，当呼吸状态为“工作状态”时，基于有按键输入，翻转为“暂停状态”。当呼吸状态为“暂停状态”时，基于有按键输入，翻转为“工作状态”
在步骤S308中，基于模式选择模块的输入更新呼吸周期。
在步骤S309中，指示模块输出呼吸状态，呼吸周期值，呼吸周期曲线，呼吸电阻抗图像。
步骤S306、S307、S308、S309可以构成状态更新步骤。
在步骤S310中，判断“呼吸状态是工作状态。”当判断为“是”时，执行步骤S311；当判断为“否”时，执行步骤S304。
在步骤S311中，呼吸周期中向可变电阻匀速写入256个加载值。
其中，加载值由上述公式
确定，n＝256。
步骤S310、S311可以构成可变电阻阻抗更新步骤。
图4示出根据本发明一实施方式的呼吸周期曲线的示例性示意图。
本领域普通技术人员可以理解，图4示例性示出了呼吸周期曲线，而不构成对本发明的限制。
如图4所示，呼吸周期曲线400包括：吸气部分401，呼气部分402，呼气部分402的尾部是呼吸暂停部分403。
在本发明的实施例中，呼吸周期曲线400可以由电接口101的电压得到。
图5示出根据本发明一实施方式的一个呼吸周期内的呼吸电阻抗图像的示例性示意图。
本领域普通技术人员可以理解，图5示例性示出了一个呼吸周期内的呼吸电阻抗图像，而不构成对本发明的限制。
如图5所示，在呼吸电阻抗图像的各帧中，亮度越大的帧表示此时肺的空气容量越大。呼吸电阻抗图像可通过对电接口101的电压进行EIT重构的方式实现，例如采用GREIT算法进行重构，GREIT算法是电阻抗成像领域中常用的方法。
在本发明的实施例中，GREIT算法和呼吸电阻抗图像的显示可以在上位机中实现。
在本发明的实施例中，如图1所示，模拟肺部呼吸的电阻网络100包括：电接口101，固定电阻网络102，第一可变电阻网络1031，第二可变电阻网络1032。第一可变电阻网络1031和第二可变电阻网络1032共同构成可变电阻网络103。编号103在图1中未示出。可变电阻网络103被固定电阻网络102包围。
根据本发明的实施方式，通过模拟肺部呼吸的电阻网络，包括：电接口；固定电阻网络，与电接口电连接，用于模拟胸腔和肺间组织中的至少一项；可变电阻网络，与固定电阻网络电连接，并被固定电阻网络包围，用于模拟肺实质，从而对胸腔和肺间组织中的至少一项和肺实质分别建模，用简单、高效的结构模拟肺部呼吸。
在本发明的实施例中，如图1所示，固定电阻网络102，可变电阻网络103采用二维矩阵结构。
根据本发明的实施方式，通过固定电阻网络采用二维矩阵结构；和/或可变电阻网络采用二维矩阵结构，从而对肺部呼吸进行简单而且准确的建模。
本领域普通技术人员可以理解，可变电阻网络103也可以仅是整体的第一可变电阻网络，而不是分为第一可变电阻网络1031和第二可变电阻网络1032，用于对例如左肺或者右肺的单侧肺进行简化模拟，或者模拟单侧肺切除手术后的另一侧肺等。
根据本发明的实施方式，通过可变电阻网络包括：第一可变电阻网络，第二可变电阻网络，第一可变电阻网络和第二可变电阻网络用于模拟左肺和右肺；或可变电阻网络是整体的第一可变电阻网络，用于模拟左肺或右肺，从而对呼吸中的肺部进行准确建模。
在本发明的实施例中，如图1所示，固定电阻网络102中采用至少16个固定电阻，例如136个固定电阻，可变电阻网络103中采用至少2个可变电阻，例如24个可变电阻。固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为1欧姆至10千欧姆，例如200欧姆，可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为1欧姆至100千欧姆，例如4.68欧姆至1.2千欧姆。
根据本发明的实施方式，通过固定电阻网络中采用至少2个固定电阻；和/或固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为1欧姆至10千欧姆；和/或可变电阻网络中采用至少2个可变电阻；和/或可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为1欧姆至100千欧姆，从而准确表征胸腔、肺间组织的阻抗值和呼吸中的肺实质的阻抗值。
根据本发明的实施方式，通过固定电阻网络中采用136个固定电阻；和/或所述固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为200欧姆；和/或所述可变电阻网络中采用24个可变电阻；和/或所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为4.68欧姆至1.2千欧姆，从而准确表征胸腔、肺间组织的阻抗值和呼吸中的肺实质的阻抗值。
在本发明的实施例中，如图2a所示，模拟肺部呼吸的装置210包括和图1相同的模拟肺部呼吸的电阻网络100，控制模块201，电源模块202。
根据本发明的实施方式，通过模拟肺部呼吸的装置，包括：模拟肺部的电阻网络，包括：电接口；固定电阻网络，与电接口电连接，用于模拟胸腔，肺间组织中的至少一项；可变电阻网络，与固定电阻网络电连接，并被固定电阻网络包围，用于模拟肺的呼吸；控制模块，与可变电阻网络电连接，用于控制可变电阻网络中的可变电阻的阻抗；电源模块，用于为模拟肺部呼吸的装置供电，从而自动调整可变电阻的阻抗，模拟肺部的呼吸过程。
在本发明的实施例中，控制模块201采用下述方式控制可变电阻网络103中的可变电阻的加载值
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的加载值，Rmin是最小加载值，Rmax是最大加载值，n是阻抗变化周期，阻抗变化周期可以是吸气时间段或者呼气时间段的点数，K是线性调节系数。由i时刻的可变电阻加载值R(i)决定可变电阻的阻抗。例如，可变电阻的阻抗随可变电阻加载值R(i)线性变化。
根据本发明的实施方式，通过可变电阻的阻抗由可变电阻的最大加载值，可变电阻的加载值，阻抗的变化周期，线性调节系数确定，从而对可变电阻的阻抗进行灵活控制，准确模拟肺部呼吸过程中的阻抗变化。
根据本发明的实施方式，通过可变电阻的阻抗由可变电阻的加载值确定，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的可变电阻加载值，Rmin是可变电阻的最小加载值，Rmax是可变电阻的最大加载值，n是阻抗变化周期，K是线性调节系数，从而准确地模拟肺部在呼吸过程中电阻抗的真实变化。
在本发明的实施例中，吸气时线性调节系数K为正数，呼气时线性调节系数K为负数。
根据本发明的实施方式，通过线性调节系数在吸气时为正数，在呼气时为负数，从而准确地模拟肺部在呼吸过程中电阻抗的真实变化。
在本发明的实施例中，模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期可以包括：吸气时间段，呼气时间段，呼吸暂停时间段。呼吸暂停时间段可以更加真实地模拟人体在呼吸末的暂停。例如，呼吸周期设定为4.25秒，吸气时间段为1.85秒，呼气时间段为2.4秒，呼气时间段末位的呼吸暂停时间段为0.25秒。
根据本发明的实施方式，通过模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期包括：吸气时间段，呼气时间段，呼吸暂停时间段，从而更为真实地模拟肺部的呼吸过程。
在本发明的实施例中，如图2b所示，模拟肺部呼吸的装置220除了包括和图2a相同的模拟肺部呼吸的电阻网络100，控制模块201，电源模块202，还包括模式选择模块203。控制模块201可以通过SPI和模式选择模块203电连接，从模式选择模块203接收用户的输入，并设定模拟肺部呼吸的装置220的模式，例如：工作模式，暂停模式，更新呼吸周期。
根据本发明的实施方式，通过还包括：模式选择模块，与控制模块电连接，用于检测用户的输入操作，并基于用户的输入操作设定模拟肺部呼吸的装置的模式，从而人工灵活控制模拟肺部呼吸的装置。
根据本发明的实施方式，通过模拟肺部呼吸的装置的模式包括以下至少一项：工作模式，暂停模式，更新呼吸周期，从而对模拟肺部呼吸的装置进行灵活控制。
在本发明的实施例中，如图2c所示，模拟肺部呼吸的装置230除了包括和图2b相同的模拟肺部呼吸的电阻网络100，控制模块201，电源模块202，模式选择模块203，还包括指示模块204。
指示模块204可以包括发光二极管，8段式发光二极管，图形显示界面等。
根据本发明的实施方式，通过还包括：指示模块，与控制模块电连接，用于指示模拟肺部呼吸的装置的状态，从而直观显示出模拟肺部呼吸的装置的状态。
在本发明的实施例中，模拟肺部呼吸的装置的状态可以包括：工作状态，暂停状态，用发光二极管显示。模拟肺部呼吸的装置的状态还可以包括电接口的电压，用例如图4所示的呼吸周期曲线表示。模拟肺部呼吸的装置的状态还可以包括如图5所示的呼吸电阻抗图像。
根据本发明的实施方式，通过模拟肺部呼吸的装置的状态包括：工作状态，暂停状态；和/或电接口的电压；和/或肺的呼吸电阻抗图像，从而全面、直观的表征模拟肺部呼吸的装置的状态。
在本发明的实施例中，如图3所示，步骤S301至S311示出了使用模拟肺部呼吸的装置的模拟肺部呼吸的方法。
如前所述，步骤S301、S302、S303可以构成初始化步骤；步骤S304、S305可以构成模式选择模块检测步骤；步骤S306、S307、S308、S309可以构成状态更新步骤；步骤S310、S311可以构成可变电阻阻抗更新步骤，各步骤的具体内容不再赘述。
根据本发明的实施方式，通过模拟肺部呼吸的方法，其特征在于，包括：初始化步骤，初始化控制模块，可变电阻网络和指示模块；模式选择模块检测步骤，模式选择模块检测用户的输入操作；状态更新步骤，基于用户的输入操作，控制模块更新模拟肺部呼吸的装置的状态，并在指示模块输出；可变电阻阻抗更新步骤，控制模块更新可变电阻的阻抗，从而完成对模拟肺部呼吸的装置的完整控制和状态显示，准确模拟肺部的呼吸过程。
根据本发明的实施方式，通过初始化步骤包括：所述控制模块向所述可变电阻网络中的可变电阻写入初始加载值，在指示模块中将所述电接口的电压的初始值作为背景帧，从而使得肺部呼吸的装置具有稳定的初始状态。
根据本发明的实施方式，通过状态更新步骤包括：在用户的输入是工作模式的条件下，更新模拟肺部呼吸的装置的状态至工作状态；和/或在用户的输入是暂停模式的条件下，更新模拟肺部呼吸的装置的状态至暂停状态；和/或在用户的输入是呼吸周期的条件下，更新模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期，从而基于用户输入灵活控制肺部呼吸的装置的工作。
根据本发明的实施方式，通过可变电阻阻抗更新步骤包括：控制模块根据模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期，基于可变电阻的最大加载值，可变电阻的最小加载值，阻抗的变化周期，线性调节系数更新可变电阻的阻抗，线性调节系数在吸气时为正数，在呼气时为负数，从而通过更新可变电阻阻抗准确模拟肺部呼吸时的阻抗变化。
根据本发明的实施方式，通过可变电阻的阻抗由可变电阻的加载值确定，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的可变电阻加载值，Rmin是可变电阻的最小加载值，Rmax是可变电阻的最大加载值，n是阻抗变化周期，K是线性调节系数，从而准确地模拟肺部在呼吸过程中电阻抗的真实变化。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施方式的系统、方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，路程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施方式中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (18)
1.一种模拟肺部呼吸的阻抗分布的电阻网络，其特征在于，包括：
电接口；
固定电阻网络，与所述电接口电连接，用于模拟胸腔和肺间组织中的至少一项；所述固定电阻网络中采用至少16个固定电阻；
可变电阻网络，与所述固定电阻网络电连接，并被所述固定电阻网络包围，用于模拟肺实质；所述可变电阻网络中采用至少2个可变电阻；
其中，所述固定电阻网络采用二维矩阵结构；和/或
所述可变电阻网络采用二维矩阵结构。
2.根据权利要求1所述的电阻网络，其特征在于，
所述可变电阻网络包括：第一可变电阻网络，第二可变电阻网络，所述第一可变电阻网络和所述第二可变电阻网络用于模拟左肺和右肺；或
所述可变电阻网络是整体的第一可变电阻网络，用于模拟左肺或右肺。
3.根据权利要求1所述的电阻网络，其特征在于，
所述固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为1欧姆至10千欧姆；和/或
所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为1欧姆至100千欧姆。
4.根据权利要求3所述的电阻网络，其特征在于，
所述固定电阻网络中采用136个固定电阻；和/或
所述固定电阻网络中的固定电阻的阻抗为200欧姆；和/或
所述可变电阻网络中采用24个可变电阻；和/或
所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗为4.68欧姆至1.2千欧姆。
5.一种模拟肺部呼吸的阻抗分布的装置，其特征在于，包括：
模拟肺部的电阻网络，包括：
电接口；
固定电阻网络，与所述电接口电连接，用于模拟胸腔，肺间组织中的至少一项；所述固定电阻网络中采用至少16个固定电阻；
可变电阻网络，与所述固定电阻网络电连接，并被所述固定电阻网络包围，用于模拟肺的呼吸；所述可变电阻网络中采用至少2个可变电阻；其中，所述固定电阻网络采用二维矩阵结构；和/或，所述可变电阻网络采用二维矩阵结构；
控制模块，与所述可变电阻网络电连接，用于控制所述可变电阻网络中的可变电阻的阻抗；
电源模块，用于为所述模拟肺部呼吸的装置供电。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述可变电阻的阻抗由所述可变电阻的最大加载值，所述可变电阻的最小加载值，阻抗的变化周期，线性调节系数确定。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述可变电阻的阻抗由可变电阻的加载值确定，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的可变电阻加载值，Rmin是可变电阻的最小加载值，Rmax是可变电阻的最大加载值，n是阻抗变化周期，K是线性调节系数。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述线性调节系数在吸气时为正数，在呼气时为负数。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期包括：吸气时间段，呼气时间段，呼吸暂停时间段。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
模式选择模块，与所述控制模块电连接，用于检测用户的输入操作，并基于所述用户的输入操作设定所述模拟肺部呼吸的装置的模式。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，
所述模拟肺部呼吸的装置的模式包括以下至少一项：
工作模式，暂停模式，更新呼吸周期。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括：
指示模块，与所述控制模块电连接，用于指示所述模拟肺部呼吸的装置的状态。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述模拟肺部呼吸的装置的状态包括：
工作状态，暂停状态；和/或
所述电接口的电压；和/或
肺的呼吸电阻抗图像。
14.一种使用权利要求12、13中的任一项所述的装置模拟肺部呼吸的方法，其特征在于，包括：
初始化步骤，初始化控制模块，可变电阻网络和指示模块；
模式选择模块检测步骤，模式选择模块检测用户的输入操作；
状态更新步骤，基于用户的输入操作，控制模块更新所述模拟肺部呼吸的装置的状态，并在指示模块输出；
可变电阻阻抗更新步骤，控制模块更新可变电阻的阻抗。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述初始化步骤包括：所述控制模块向所述可变电阻网络中的可变电阻写入初始加载值，在指示模块中将所述电接口的电压的初始值作为背景帧。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述状态更新步骤包括：在所述用户的输入是工作模式的条件下，更新所述模拟肺部呼吸的装置的状态至工作状态；和/或
在所述用户的输入是暂停模式的条件下，更新所述模拟肺部呼吸的装置的状态至暂停状态；和/或
在所述用户的输入是呼吸周期的条件下，更新所述模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述可变电阻阻抗更新步骤包括：控制模块根据所述模拟肺部呼吸的装置的呼吸周期，基于可变电阻的最大加载值，可变电阻的最小加载值，阻抗的变化周期，线性调节系数更新可变电阻的阻抗，所述线性调节系数在吸气时为正数，在呼气时为负数。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
所述可变电阻的阻抗由可变电阻的加载值确定，
其中i是离散时间索引，R(i)是i时刻的可变电阻加载值，R(i-1)是i-1时刻的可变电阻加载值，Rmin是可变电阻的最小加载值，Rmax是可变电阻的最大加载值，n是阻抗变化周期，K是线性调节系数。
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