CN114073801A - 一种脉冲呼吸同步供氧系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲呼吸同步供氧系统，供氧单元包括供氧机、储气罐、脉冲电磁阀、三通管件和供氧嘴，储气罐设置有第一压力传感器，脉冲电磁阀和供氧嘴分别连接至三通管件的两个口，三通管件的另一个口设置有第二压力传感器，第一和第二压力传感器用于采集气压模拟信号；控制单元包括自适应滤波器和MCU芯片，压力传感器通过导线连接至自适应滤波器，自适应滤波器将压力传感器的气压模拟信号进行抗混叠滤波，然后经过ADC转换成气压数字信号，通过DSP芯片的自适应滤波算法对气压数字信号进行处理器，然后输入至MCU芯片；MCU芯片根据气压数字信号生成控制信号并控制脉冲电子阀工作；具有自适应脉冲供氧，提高氧气利用率的优点。

Description

一种脉冲呼吸同步供氧系统

技术领域

本发明属于保健医疗技术领域，具体涉及一种脉冲呼吸同步供氧系统。

背景技术

随着PSA制氧技术的成熟和家用制氧机的普及，现在很多需氧用户开始使用制氧机进行补氧，并且随着器件小型化、高效化的发展，整机质量小于5kg的便携式制氧机也已经问世。越来越多的用户开始选择此类便携式制氧机进行出行补氧，扩大了日常的活动范围，也增强了吸氧的舒适便携性。为了节省氧气提高氧气利用率，很多厂家研发具有脉冲供氧功能的便携制氧机，即在使用者吸气时供氧，呼气时不供氧。

但是目前市场上的该脉冲式供氧制氧机存在着反应灵敏度低，有时吸气不供氧，以及出氧量控制不准确的缺陷。例如，现有的便携制氧机采用按照固定的时间间隔进行脉冲供氧的方式，不能和用户的呼吸进行自动匹配，需要用户的呼吸根据供氧脉冲进行调整，增加了使用者的吸氧减小担，氧气的利用率不高；有的便携制氧机采用了一个额外的电磁阀配合流量传感器进行呼吸气流的判断，从而根据呼吸进行脉冲供氧，此类产品的气路和控制都相对复杂，需要随着呼吸的变化改变传感器气路的通断，不能准确确定气路切换的时间点，且延长了用户从吸气到开始供氧的时间，检测呼吸的灵敏度不高，个别呼吸无法捕获。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲呼吸同步供氧系统，提供了一种能够有效识别用户呼吸动作、使供氧自适应用户的呼吸、准确进行供氧控制的呼吸自适应的制氧系统。

本发明提供了如下的技术方案：

一种脉冲呼吸同步供氧系统，其特征在于，包括供氧单元和控制单元；所述供氧单元包括供氧机、储气罐、脉冲电磁阀、三通管件和供氧嘴，所述供氧机通过管路连接至储气罐，所述储气罐内设置有第一压力传感器；所述储气罐通过管路连接至脉冲电磁阀，所述脉冲电磁阀和供氧嘴分别连接至三通管件的两个口，所述三通管件的另一个口设置有第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器用于采集气压模拟信号；所述控制单元包括自适应滤波器和MCU芯片，所述第一压力传感器和第二压力传感器通过导线连接至自适应滤波器，所述自适应滤波器包括依次连接的抗混叠滤波器、ADC以及DSP芯片，所述DSP芯片内置自适应滤波算法，所述自适应滤波器将气压模拟信号进行抗混叠滤波，然后经过ADC转换成气压数字信号，通过DSP芯片的自适应滤波算法对气压数字信号进行处理器，然后输入至MCU芯片；所述MCU芯片通过导线连接至脉冲电磁阀；所述MCU芯片根据气压数字信号生成控制信号并控制脉冲电子阀工作。

优选的，所述MCU芯片根据第一压力传感器的气压数字信号得到储气罐内的压力值，根据第二压力传感器的气压数字信号得到波形曲线，根据所述波形曲线确定吸气状态，根据储气罐内的压力值确定供氧时长；当处于吸气状态时通过所述MCU芯片控制打开脉冲电磁阀进行供氧，当达到供氧时长时，通过所述MCU芯片控制关闭脉冲电磁阀结束供氧。

优选的，根据所述波形曲线确定吸气状态包括，对波形曲线数据进行数据采样，并通过采样数据计算曲线斜率，曲线斜率减小时判断为吸气状态；所述根据储气罐内的压力值确定供氧时长包括储气罐内的压力值与供氧时长呈正比关系，所述供氧时长为200-800ms。

优选的，所述自适应滤波算法包括：

S1、定义期望信号d(n)，输入信号x(n)，输出信号y(n)；

S2、通过一个M阶滤波器，系数为w(m)，则输出为：

y(n)＝Σw(m)*x(n-m)，m＝0…M

写成矩阵形式：y(j)＝W(j)*X(j)

n时刻的输出误差为：e(j)＝d(j)-y(j)＝d(j)-W(j)*X(j)

S3、定义目标函数为E[e(j)^2]，则有：

J(j)＝E[e(j)^2]＝E[(d(j)-W(j)*X(j))^2]

当上述误差达到最小时，即实现最优滤波，目标函数确定的为最小方差自适应滤波。

优选的，对于所述目标函数J(j)，需要求得使其取到最小值对应的W，使用梯度下降法进行最优化：

W(j+1)＝W(j)+1/2*μ(-▽J(j))

▽J(j)＝-2E[X(j)*(d(j)-WT(j)*X(j))]＝-2E[X(j)e(j)]

W(j+1)＝W(j)+μE[X(j)e(j)]

其中-2X(j)e(j)称为瞬时梯度，瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，使用瞬时梯度代替真实梯度；

W(j+1)＝W(j)+μX(j)e(j)

从而得到自适应滤波最佳系数的迭代公式。

本发明的有益效果是：

本发明的脉冲呼吸同步供氧系统，通过对吸氧者呼吸状态的准确判断、对吸氧者呼吸周期的计算，控制进行自适应的脉冲供氧，并根据呼吸频率进行调整，灵敏的触发供氧，提高氧气使用率和吸氧者对氧气的利用率，理论上能节约氧气67％左右；同时在压力传感器信号的处理上，引入了自适应滤波器，可以根据呼吸的变化不断的自动调节本身的参数，从而提升检测的精度，最终提升脉冲控制的准确度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明系统结构示意图；

图2是气压数字信号的波形曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，该脉冲呼吸同步供氧系统，包括供氧单元和控制单元；

供氧单元包括供氧机、储气罐、脉冲电磁阀、三通管件和供氧嘴，供氧机通过管路连接至储气罐，储气罐内设置有第一压力传感器；储气罐通过管路连接至脉冲电磁阀，脉冲电磁阀和供氧嘴分别连接至三通管件的两个口，三通管件的另一个口设置有第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器用于采集气压模拟信号；

控制单元包括自适应滤波器和MCU芯片，第一压力传感器和第二压力传感器通过导线连接至自适应滤波器，自适应滤波器包括依次连接的抗混叠滤波器、ADC以及DSP芯片，DSP芯片内置自适应滤波算法，自适应滤波器将气压模拟信号进行抗混叠滤波，然后经过ADC转换成气压数字信号，通过DSP芯片的自适应滤波算法对气压数字信号进行处理器，然后输入至MCU芯片；MCU芯片通过导线连接至脉冲电磁阀；MCU芯片根据气压数字信号生成控制信号并控制脉冲电子阀工作。

通过DSP芯片的自适应滤波算法对气压数字信号进行处理器的具体过程为：

S1、定义期望信号d(n)，输入信号x(n)，输出信号y(n)；

d(n)为n时刻期望获得气压数字信号，x(n)为n时刻实际的气压数字信号，y(n)为n时刻滤处理后的气压数字信号；

S2、通过一个M阶滤波器，系数为w(m)，则输出为：

y(n)＝Σw(m)*x(n-m)，m＝0…M

写成矩阵形式：y(j)＝W(j)*X(j)

n时刻的输出误差为：e(j)＝d(j)-y(j)＝d(j)-W(j)*X(j)

S3、定义目标函数为E[e(j)^2]，则有：

J(j)＝E[e(j)^2]＝E[(d(j)-W(j)*X(j))^2]

当上述误差达到最小时，即实现最优滤波，目标函数确定的为最小方差自适应滤波。

S4、对于目标函数J(j)，需要求得使其取到最小值对应的W，使用梯度下降法进行最优化：

W(j+1)＝W(j)+1/2*μ(-▽J(j))

▽J(j)＝-2E[X(j)*(d(j)-WT(j)*X(j))]＝-2E[X(j)e(j)]

W(j+1)＝W(j)+μE[X(j)e(j)]

其中-2X(j)e(j)称为瞬时梯度，瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，使用瞬时梯度代替真实梯度；

W(j+1)＝W(j)+μX(j)e(j)

从而得到自适应滤波最佳系数的迭代公式。

如图2所示，MCU芯片根据第一压力传感器的气压数字信号得到储气罐内的压力值，根据第二压力传感器的气压数字信号得到波形曲线，根据波形曲线确定吸气状态，根据储气罐内的压力值确定供氧时长；当处于吸气状态时通过MCU芯片控制打开脉冲电磁阀进行供氧，当达到供氧时长时，通过MCU芯片控制关闭脉冲电磁阀结束供氧；对波形曲线数据进行数据采样(P0、P1、P2等)，并通过采样数据计算曲线斜率，曲线斜率减小时判断为吸气状态；根据储气罐内的压力值确定供氧时长包括储气罐内的压力值与供氧时长呈正比关系，供氧时长为200-800ms。

设一次完整呼吸的时间为T(单位s)，呼吸时间为Tb吸气时间为Ta，则呼气所需时间为Tb-Ta，通过长期实验数据发现一般情况下Tb＝2Ta，即吸气和呼气所需的时间几乎相等。内置压力传感器在开始吸气时开始计数到呼气开始停止计数，计数的数值大小与时间成正比关系，通过三点式的呼吸判定，设吸气时计数器1计数为N，表示为吸气时间Ta，约等于Tb/2，当计数器0计数到2N/3时关闭氧气，即等于吸气时间的2Ta/3供应氧气，也就是约为总呼吸时间的Tb/3，则在整个呼吸期间只供应氧气的时间为1/3，从而比全程供氧气节省2/3的供氧时间。因此在使用该仪器同步供氧呼吸先比传统的持续供氧，理论上能节约氧气67％左右。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脉冲呼吸同步供氧系统，其特征在于，包括供氧单元和控制单元；所述供氧单元包括供氧机、储气罐、脉冲电磁阀、三通管件和供氧嘴，所述供氧机通过管路连接至储气罐，所述储气罐内设置有第一压力传感器；所述储气罐通过管路连接至脉冲电磁阀，所述脉冲电磁阀和供氧嘴分别连接至三通管件的两个口，所述三通管件的另一个口设置有第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器用于采集气压模拟信号；所述控制单元包括自适应滤波器和MCU芯片，所述第一压力传感器和第二压力传感器通过导线连接至自适应滤波器，所述自适应滤波器包括依次连接的抗混叠滤波器、ADC以及DSP芯片，所述DSP芯片内置自适应滤波算法，所述自适应滤波器将气压模拟信号进行抗混叠滤波，然后经过ADC转换成气压数字信号，通过DSP芯片的自适应滤波算法对气压数字信号进行处理器，然后输入至MCU芯片；所述MCU芯片通过导线连接至脉冲电磁阀；所述MCU芯片根据气压数字信号生成控制信号并控制脉冲电子阀工作。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲呼吸同步供氧系统，其特征在于，所述MCU芯片根据第一压力传感器的气压数字信号得到储气罐内的压力值，根据第二压力传感器的气压数字信号得到波形曲线，根据所述波形曲线确定吸气状态，根据储气罐内的压力值确定供氧时长；当处于吸气状态时通过所述MCU芯片控制打开脉冲电磁阀进行供氧，当达到供氧时长时，通过所述MCU芯片控制关闭脉冲电磁阀结束供氧。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲呼吸同步供氧系统，其特征在于，根据所述波形曲线确定吸气状态包括，对波形曲线数据进行数据采样，并通过采样数据计算曲线斜率，曲线斜率减小时判断为吸气状态；所述根据储气罐内的压力值确定供氧时长包括储气罐内的压力值与供氧时长呈正比关系，所述供氧时长为200-800ms。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲呼吸同步供氧系统，其特征在于，所述自适应滤波算法包括：

S1、定义期望信号d(n)，输入信号x(n)，输出信号y(n)；

S2、通过一个M阶滤波器，系数为w(m)，则输出为：

y(n)＝Σw(m)*x(n-m)，m＝0…M

写成矩阵形式：y(j)＝W(j)*X(j)

n时刻的输出误差为：e(j)＝d(j)-y(j)＝d(j)-W(j)*X(j)

S3、定义目标函数为E[e(j)^2]，则有：

J(j)＝E[e(j)^2]＝E[(d(j)-W(j)*X(j))^2]

当上述误差达到最小时，即实现最优滤波，目标函数确定的为最小方差自适应滤波。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲呼吸同步供氧系统，其特征在于，对于所述目标函数J(j)，需要求得使其取到最小值对应的W，使用梯度下降法进行最优化：

W(j+1)＝W(j)+1/2*μ(-▽J(j))

▽J(j)＝-2E[X(j)*(d(j)-WT(j)*X(j))]＝-2E[X(j)e(j)]

W(j+1)＝W(j)+μE[X(j)e(j)]

其中-2X(j)e(j)称为瞬时梯度，瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，使用瞬时梯度代替真实梯度；

W(j+1)＝W(j)+μX(j)e(j)

从而得到自适应滤波最佳系数的迭代公式。

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