CN114146282B - 一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀及其控制方法，包括阀体、连接管路、控制阀、控制器和电磁阀，阀体具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，所述第一进口设置有用于连接呼吸面罩的连接管路，第二进口通过连接管路连接至低压气体源，所述第一出口被配置为当所述阀芯受到的第一进口的气体作用力大于第二进口的气体作用力时导通，使阀体内气体进入第一出口，第一出口处设置有用于控制出口流量的控制阀；控制器被配置为在阀体非正常工作或呼气末正压值超过设定值时打开电磁阀，根据呼气末正压值控制控制阀的开度和低压气体源的供应速度。本发明的呼气末正压阀结构简单、响应速度快、可以实现对PEEP值的线性调节。

Description

一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀及其控制方法

技术领域

本发明属于呼气末正压阀技术领域，具体涉及一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

呼气末正压(Positive End Expiratory Pressure，PEEP)是指在呼气阶段保持呼气压力为正压，及呼气末气道压大于0Pa的状态，PEEP一般应保持在300Pa～1000Pa。PEEP主要在以下情况下使用：扩张陷闭肺泡，减小呼气期静动脉血分流量，减轻或消除切应力损伤，在保护肺组织的基础上提高了动脉氧分压(Alveolar Oxygen Partial Pressure，PaO₂)用于治疗呼吸窘迫综合症；PEEP还可以改善气道陷闭；选择性降低左心室后负载；降低气道阻力。

所谓PEEP通气，及在吸气期和呼气早中期PEEP值应该为0Pa，以达到降低气道分压和平台压，减少气压伤的目的，并减小机械通气对循环功能的抑制；降低呼气初期的阻力，促进气体的呼出，缩短呼气时间；在呼气的后期，PEEP值逐渐升高至预设值，维持气道和肺泡的开放或扩张状态。

现代呼吸机PEEP通气已经成为必不可缺的通气模式之一，而实现PEEP通气的核心是PEEP阀，该阀门能通过间断性的打开和闭合，为呼吸机提供呼气末正压，确保呼吸机PEEP通气模式的建立。PEEP阀的控制精度高、PEEP值可连续调节、响应速度快是实现高质量PEEP通气的关键。对于传统的PEEP阀，不能实现在呼吸相PEEP值的变化调节及吸气期和呼气早中期PEEP值应该为0Pa，呼气后期为预设PEEP值。传统的PEEP阀实现吸气期和呼气期具有相同的预设PEEP值。

当前PEEP阀主要有三类：第一类为机械式PEEP阀，该类PEEP阀通过复杂的机械结构，通过手动调节弹簧来控制PEEP阀的输出压力大小，其PEEP值精度差、体积大、易损坏，不便于PEEP的连续调节；第二类为电机控制PEEP阀，该类PEEP阀控制系统繁琐、机械结构复杂；第三类为气动控制PEEP阀，该类PEEP阀为现代呼吸机常用的PEEEP阀，但是其PEEP调节响应慢、对气源要求高。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀及其控制方法，本发明的用于便携式呼吸机的呼气末正压阀结构简单、响应速度快、可以实现对PEEP值的线性调节。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀，包括阀体、连接管路、控制阀、控制器和电磁阀，其中：

所述阀体具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，所述第一进口设置有用于连接呼吸面罩的连接管路，且第一进口进入的气体能够通过阀体的阀座上的孔作用在阀芯上；

所述第二进口通过连接管路连接至低压气体源，以接收低压气体，作用于阀体的阀芯；

所述第一出口被配置为当所述阀芯受到的第一进口的气体作用力大于第二进口的气体作用力时导通，使阀体内气体进入第一出口，第一出口处设置有用于控制出口流量的控制阀；

所述第二出口处设置有电磁阀；

所述低压气体源、电磁阀和控制阀均受控制器控制，所述控制器被配置为在阀体非正常工作或呼气末正压值超过设定值时打开电磁阀，根据呼气末正压值控制控制阀的开度和低压气体源的供应速度。

作为可选择的实施方式，所述阀芯在无作用力或第一进口的气体作用力小于第二进口的气体作用力时，和阀座之间无间隙接触，以对第一出口提供密封作用。

作为可选择的实施方式，所述低压气体源为风机，风机为微型离心直流风机。或，所述低压气体源为呼吸机。

作为可选择的实施方式，所述阀体由3D打印获得。

作为可选择的实施方式，所述第一出口处还设置有用于检测出口流量的流量传感器。

作为可选择的实施方式，所述第一进口处设置有一压力传感器，用于检测呼气末正压值。

作为可选择的实施方式，所述阀体非正常工作包括阀体漏气、风机故障、阀体故障和阀体堵塞中的至少一种。

作为可选择的实施方式，所述第二出口的一端连接第一进口处设置的连接管路，另一端连接大气。

作为可选择的实施方式，所述控制器连接压力传感器和流量传感器，被配置为将压力传感器和流量传感器收集到的反馈信号，与相应的预设值比较，根据预设值和反馈值的差对控制阀和风机进行控制，调节控制阀的开度以控制呼气相流量，调节低压气体源的供给速度以控制呼气末正压值。

基于上述用于便携式呼吸机的呼气末正压阀的控制方法，包括以下步骤：

将第一进口处采集的呼气末正压值和第一出口处采集的气体输出流量，分别与相应的预设值比较，根据预设值和实际采集值的差，对控制阀和低压气体源进行控制，调节控制阀的开度以控制呼气相流量，调节低压气体源的供给速度，以控制呼气末正压值。

作为可选择的实施方式，所述低压气体源为风机时，采用级联控制控制所述风机转速，所述级联控制具体包括速度控制内环和压力控制外环，控制目标函数为外环压力控制误差和内环速度控制误差最小化，且在寻优求解过程中，外环压力控制误差和内环速度控制误差具有相应的权重。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的呼气末正压阀阀体机械机构简单，主体阀体由3D打印获得，体积小、质量轻，同时可以大量生产。

本发明的低压气体源以风机作为动力单元，在非风机作为动力单位的便携式呼吸机，呼气末正压阀可以直接作为独立单元提供一可调、稳定的呼气末正压值；当呼吸机直接维持低压气体时，风机可以省去，具有较大的灵活性和便捷性。还可以作为无呼气末正压阀呼吸机的外接模块，使得无呼气末正压模式的呼吸机具有呼气末正压模式。

本发明设置有紧急出气口(即第二出口)通过控制紧急电磁阀打开保证呼气末正压阀故障时的病人可以实现正常呼气。

本发明的呼气末正压阀控制过程简单，且保证了呼气末正压值的连续、精确的调节，呼气末正压阀作用时间由风机决定，呼气末正压阀开启时间可控，满足在吸气期间以及呼气的早期不起作用，在呼气的中晚期开始工作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例的PEEP阀的整体结构图；

图2为本实施例的阀体结构图；

图3为PEEP阀排气流量和PEEP值的控制系统结构图；

图4为控制流程图；

图5为PEEP值的级联控制示意图；

其中：1为呼气相气流进口，2为紧急气体出口，3为高压气源出口，4为高精度阀芯，5为PEEP阀气体出口，6为阀座，7为流量传感器，8为微型直流风机，9为比例电磁阀，10为PEEP阀，11为紧急电磁阀，12为压力传感器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

PEEP阀模块的整体机构，如图1所示，微型直流风机8与PEEP阀体10连接。PEEP阀连接呼吸面罩端口处连接一压力传感器12，用来测量PEEP值。PEEP阀体10的气体输出口连接一比例电磁阀9，比例电磁阀9后连接一流量传感器7，通过比例电磁阀9和流量传感器7间反馈控制控制病人的呼气相流量。PEEP阀体10的紧急出口连接一紧急电磁阀11，在PEEP阀无法正常工作时或PEEP值超过允许值时紧急电磁阀打开。

PEEP阀体的结构，如图2所示，微型直流风机8提供的低压气体从进口3进入PEEP阀，推动高精度阀芯4，高精度阀4与阀座6无间隙接触，完成对气体出口5的密封。病人的呼出气体从呼吸面罩进入PEEP管的进口1后，通过阀座上的孔作用在阀芯4上，在压力进口1端气体作用在阀芯的压力大于进口3气体对阀芯的压力时阀芯4被推动使得气体进入出口5，在气流平稳后，从出口5离开的气体压强等于进口3气体压强，完成对病人呼气相PEEP的控制。在PEEP阀故障如漏气、直流风机故障、PEEP阀堵塞时，紧急出口2将打开，紧急出口外接大气，在紧急出口打开后呼气相气体直接从出口2流出，此时PEEP变为0Pa及PEEP通气失效，但保证病人正常呼吸。

在本实施例中，阀体包括内置阀芯和管型阀座，通过阀座和阀芯的配合，直流风机对阀芯的作用产生稳定的PEEP值。气体压力传感器实时获取PEEP值，同时通过闭环控制调节微型直流风机的转速控制风机出口压力从而控制PEEP阀的PEEP值。

PEEP阀模块的压力控制和流量控制如图3。对流量传感器以及压力传感器采集到的数据进行分析，完成对病人呼出相的PEEP和呼气流量的反馈调节以及紧急通气的实现。通过调节输入电流大小调节比例电磁阀的开度控制呼出流量大小，通过控制直流风机控制呼气末正压PEEP的大小。若多次调节PEEP值后，PEEP值变化未和风机转速变化量成线性相关，及判断PEEP阀发生故障无法进行有效调节，打开紧急电磁阀保证病人正常呼吸。

在本实施例中，具体为压力传感器和流量传感器收集到的信号反馈给控制器与预设值Ω(t)和

比较，预设值和反馈值的差输入到控制器完成对比例电磁阀和微型直流风机的控制，调节比例电磁阀的开度来控制呼气相流量，调节微型直流风机转速来控制PEEP值。

微型直流风机的控制采用级联控制控制。级联控制方案通过严格调整内回路的速度控制来实现外环的高性能。该方法能够调节内速度控制和外压力控制的所有增益，减少了两种控制器的误差。换句话说，在成本函数中，不仅考虑了外部压力控制，而且还考虑了内部速度控制的性能。此外，调谐过程不需要额外的实验，即所有级联控制器增益同时调谐。

所提出的级联控制如图5所示。其中r和d₀分别是压力命令和意外扰动，V和

分别是测量的压力变化值和变化速度，u是控制命令。e_p＝r-V是外环压力控制误差，

是内环速度控制误差，

是压力基准的导数。

级联控制应该是为了最小化这两个误差。图4中提出的级联控制。在内速度回路中具有IP(积分比例)控制器，在外位置回路中具有P(比例)控制器。其中K_P和K_i是内环的比例增益和积分增益，K_PP是外环的比例增益,P_v(S)为控制命令u到压力变化速度的传递函数。此外，还增加了速度前馈控制器作为具有单位增益的导数控制器，对位置命令进行区分，以提高瞬态响应的性能。

在本实施例中，在PEEP模块开始工作后，先打开比例电磁阀，关闭紧急电磁阀后，PEEP接入高压氧气源和病人呼出气体，压力传感器记录PEEP值，判断PEEP值是否为安全范围，若不在安全范围及开启紧急电磁阀，若在安全范围，接着判断PEEP是否在合理范围，若在合理范围及保持PEEP值，若不在合理范围及调节气源压力重新获取PEEP值，并判断PEEP值是否和气源所调节压力相关，若不相关记录调节次数N，判断调节次数N是否大于3，若大于3则开启紧急电磁阀，若调节次数小于3，则继续进入调节PEEP值过程。

系统的传递函数如式(1)所示

将级联控制器被转换成两自由度结构，用于设计新型系统，将控制命令u分解为参考滤波器C_r(ρ)和输出反馈C_a(ρ)。如式(2)所示。

u＝C_r(ρ)r(t)-C_a(ρ)V(t) (2)

对于级联控制，C_r(ρ)和C_a(ρ)表示为式(3)和(4)。

一个新的增益K_pos被定义为K_PPK_i，以简化增益决策过程，最后将所要优化的控制参数集定为式(5)。

ρ＝[K_p,K_i,K_pos] (5)

由上(2)～(5)可得到系统的灵敏度互补函数和灵敏度函数如式(6)和(7)所示。

式中P_p(s)＝P_v(s)/s灵敏度函数S(ρ)是扰动到期望输出的闭环传递函数，设计系统要求S(ρ)越小越好，互补灵敏度函数T(ρ)是输出r到期望输出的闭环传递函数，要求T(ρ)越大越好。

在本控制方法中采用J(ρ)来表示代价函数，代价函数的值越大控制方法的精度越低，反之越高。J(ρ)的表达为式(8)。

其中e_ρ＝[e_ρ(1)……e_ρ(N)]^T，e_V＝[e_V(1)……e_V(N)]^T，u＝[u(1)……u(N)]^T，分别为压力误差、速度误差和控制命令，N为样本个数。

本文提出的级联控制可以将压力误差和速度误差同时纳入成本函数。还引入λ_V作为速度误差评估的权重以及λ_u作为控制命令u的权重。可以对权重进行调整，以获得更好的控制性能。在本设计中，权重被设计为式(9)。

其中，将基于每次迭代中的测量数据集和参考数据集来计算λ_V。

由于该算法的代价函数(8)被认为是一个凸函数，因此通过计算得到零导数的参数，可以得到最优值。零导数如式(10)。

可以使用确定的更新规则迭代找出满足式(10)的最优参数，迭代规则如式(11)所示。

其中γⁱ是一个决定算法步长的变量，Rⁱ是一个Hessian近似。γⁱ和Rⁱ如式(12)和(13)所示。

其中μ为初始步的大小。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀，其特征是：包括阀体、连接管路、控制阀、控制器和电磁阀，其中：

所述阀体具有第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，所述第一进口设置有用于连接呼吸面罩的连接管路，且第一进口进入的气体能够通过阀体的阀座上的孔作用在阀芯上；

所述第二进口通过连接管路连接至低压气体源，以接收作用于阀体的阀芯的低压气体；

所述阀芯在无作用力或第一进口的气体作用力小于第二进口的气体作用力时，和阀座之间无间隙接触，以对第一出口提供密封作用；

所述第一出口被配置为当所述阀芯受到的第一进口的气体作用力大于第二进口的气体作用力时导通，使阀体内气体进入第一出口，第一出口处设置有用于控制出口流量的控制阀；

所述第二出口处设置有电磁阀；

所述第一出口处还设置有用于检测出口流量的流量传感器；

所述第一进口处设置有一压力传感器，用于检测呼气末正压值；

所述第二出口的一端连接第一进口处设置的连接管路，另一端连接大气；

所述低压气体源、电磁阀和控制阀均受控制器控制，所述控制器被配置为在阀体非正常工作或呼气末正压值超过设定值时打开电磁阀，根据呼气末正压值控制控制阀的开度和低压气体源的供应速度；

所述低压气体源为风机，风机为微型离心直流风机，微型离心直流风机的控制采用级联控制控制；

所述控制器连接压力传感器和流量传感器，被配置为将压力传感器和流量传感器收集到的反馈信号与相应的预设值比较，根据预设值和反馈值的差对控制阀和风机进行控制，调节控制阀的开度以控制呼气相流量，调节风机的转速以控制呼气末正压值。

2.如权利要求1所述的一种用于便携式呼吸机的呼气末正压阀，其特征是：所述阀体由3D打印获得。

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