CN115154789A - 一种无创呼吸机及无创呼吸机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及影响病人呼吸系统的器械领域，具体涉及一种无创呼吸机及无创呼吸机的控制方法，系统包括外壳体，外壳体上连接有管道连接器，管道连接器远离外壳体一侧的端部处设有过滤网；进气单元导入定量的空气和氧气至管道连接器，进气单元检测空气流量和氧气流量，管道连接器将空气和氧气混合过滤后输送至吸气处，控制单元搭载有根据空气流量和氧气流量计算空气调节量和氧气调节量的自适应控制算法；方法包括：通过自适应算法计算空气调节量和氧气调节量，并根据空气调节量控制空气电磁阀的开度，根据氧气调节量控制氧气电磁阀的开度。本发明分别对空气和氧气的调节，保证空气和氧气的快速调节，面对不同病人时能够提升控制的适应性。

Description

一种无创呼吸机及无创呼吸机的控制方法

技术领域

本发明涉及影响病人呼吸系统的器械领域，具体涉及一种无创呼吸机及无创呼吸机的控制方法。

背景技术

无创呼吸机也叫无创正压通气，在临床上是用于治疗睡眠呼吸暂停综合症(SAS)及相关疾病的器械设备。目前的无创呼吸机采用涡轮风机作为空气源，因涡轮风机吹出来的风不稳定，导致控制压力波动较大；无创呼吸机的呼气采用面罩孔，呼气流量难以估算，导致基线流量估算不准，容易误触发，形成人机对抗。针对无创呼吸机的控制中，因当前普遍采用PID控制算法，适应性较差，调节速度过慢。

发明内容

本发明意在提供一种无创呼吸机，以解决现有无创呼吸机因涡轮风机吹出来的风不稳定，导致控制压力波动较大的问题。

本方案中的无创呼吸机，包括外壳体，所述外壳体上连接有对氧气管和空气管进行气体混合的管道连接器，所述管道连接器远离外壳体一侧的端部处设有过滤网；所述外壳体内设有进气单元和控制单元，所述管道连接器远离外壳体的一端处设有供吸入气体的呼吸单元；

所述进气单元用于导入定量的空气和氧气至管道连接器，所述进气单元检测空气流量和氧气流量，所述管道连接器将空气和氧气混合并经由过滤网过滤后输送至人体处供吸入，所述控制单元搭载有根据空气流量和氧气流量计算空气调节量和氧气调节量的自适应控制算法。

本方案的有益效果是：

通过控制单元对空气和氧气两条线路的量进行自适应控制，能够在氧气进气和空气进气分别稳定的前提下，提升最后吸入气量的稳定，分别对空气和氧气使用自适应控制算法进行调节，保证空气和氧气的快速调节，面对不同病人时能够提升控制的适应性。

进一步，所述进气单元包括风机、空气电磁阀、空气流量传感器、减压阀、氧气电磁阀和氧气流量传感器，所述风机用于泵入空气，所述空气电磁阀信号连接控制单元，并在控制单元的控制下调节空气进入量，所述空气流量传感器信号连接控制单元，并将检测的空气流量发送至控制单元；所述减压阀用于对进入的氧气进行减压，所述氧气电磁阀信号连接控制单元，并在控制单元的控制下调节氧气进入量，所述氧气流量传感器信号连接控制单元，并将检测的氧气流量发送至控制单元。

有益效果是：通过设置的电磁阀分别对空气和氧气的进入量进行自动调节，分别细小地进行调节量，能够保证两个电磁阀的快速调节，提高吸入气体调节量的准确性。

进一步，所述呼吸单元包括压力传感器，所述压力传感器位于气体吸入处，所述压力传感器用于检测吸气气压并发送至控制单元，所述控制单元将吸气气压与设定压力进行气压误差计算，所述控制单元将气压误差与阈值进行对比，在气压误差大于阈值时，所述控制单元通过自适应控制算法计算空气调节量和氧气调节量，所述自适应控制算法包括第一自适应算法和第二自适应算法。

有益效果是：通过单独的压力传感器检测吸入气体时的吸气气压，用于自动控制，提高控制精度。

进一步，所述呼吸单元还包括呼气流量传感器，所述呼气流量传感器位于呼出气体处，所述呼气流量传感器用于检测呼出气流的呼气流量发送至控制单元，所述控制单元估计漏气量，所述控制单元根据呼气流量、吸气气压和预设的漏气量估计基线流量。

有益效果是：实时监测呼气流量，进一步提高基线流量估算精确度，防止人机对抗的情况产生。

本发明还提供了一种无创呼吸机的控制方法，以解决现有控制方法适应性较差，调节速度过慢的问题，包括：

步骤1，通过风机泵入空气，通过减压阀导入减压后的氧气，将空气和氧气输送至管道连接器处，让空气和氧气经过过滤后输送至呼吸处；还包括：

步骤2，通过空气流量传感器检测空气流量发送至控制单元，通过氧气流量传感器检测氧气流量发送至控制单元，由控制单元上的第一自适应算法计算空气初始流量和氧气初始流量；

步骤3，由控制单元根据空气初始流量、空气流量、氧气流量和氧气初始流量，按照第二自适应算法计算空气调节量和氧气调节量，并由控制单元根据空气调节量控制空气电磁阀的开度进行空气量调节，由控制单元根据氧气调节量控制氧气电磁阀的开度进行氧气量调节。

本方案的有益效果是：

在使用呼吸机过程中，通过自动检测氧气和空气的流量，并由自适应控制算法根据空气流量和氧气流量计算氧气调节量和空气调节量，能够分别从气和氧气两条线路进行相应的调节控制，调节速度更快且稳定，面对不同病人时能够提升控制的适应性和体验感。

进一步，所述步骤2中，通过压力传感器检测吸气处的吸气气压发送至控制单元，由控制单元将吸气气压与设定压力作差进行气压误差计算，将气压误差与阈值进行对比，当气压误差大于阈值时，由控制单元上的第一自适应算法计算空气初始流量和氧气初始流量。

有益效果是：检测吸气处的吸气气压，并计算与设定压力的气压误差进行对比，在气压误差过大时，才进行进入空气和氧气量的控制，能够保持吸气处气压的稳定性。

进一步，所述第一自适应算法的计算过程为：获取设定氧气浓度，根据设定氧气浓度按照浓度比例计算所需要的空气初始流量和氧气初始流量，所述第二自适应算法的计算过程为：将空气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算空气电磁阀开度的空气脉冲值作为空气调节量，将氧气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算氧气电磁阀开度的氧气脉冲值作为氧气调节量。

有益效果是：以设定氧气浓度为基础，确定需要的氧气初始流量和空气初始流量，然后分别从空气和氧气两条先计算误差，并以该误差进行氧气和空气的分别调节，调节速度更快，使得呼吸所需的空气更稳定，提高体验感。

进一步，所述控制律表达式为：

其中：

e为空气流量误差或者氧气流量误差，β和γ为根据空气控制和氧气控制而设计的设计参数，

C是肺部顺应性，单位为mL·cmH₂O^-1，R是气路阻尼系数，单位为cmH₂O·s·mL^-1，K是阀门的线性系数，K为一常值，P_s为呼吸机设置肺部压力；

控制律随着参数更新律的变化而自适应变化，参数更新律随着空气流量误差或者氧气流量误差的变化而变化，参数更新律表达式为：

其中，Γ为设计的对称矩阵，Γ^-1为Γ的逆矩阵。

有益效果是：通过计算控制量，让控制量更精准。

附图说明

图1为本发明实施例一中无创呼吸机的示意性框图；

图2为本发明实施例一中无创呼吸机的原理框图；

图3为本发明实施例二中无创呼吸机的控制方法的流程框图；

图4为本发明实施例二中无创呼吸机的控制方法中自适应控制算法的仿真结果图；

图5为本发明实施例二中无创呼吸机的控制方法中现有PID算法的仿真结果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明。

实施例一

如图1和图2所示，无创呼吸机，包括外壳体，外壳体的形状和尺寸根据实际需求进行设置，外壳体上连接有对氧气管和空气管进行气体混合的管道连接器，管道连接器远离外壳体一侧的端部处安装有过滤网，以过滤掉空气中的异物。

外壳体内安装有进气单元和控制单元，管道连接器远离外壳体的一端处安装有供吸入气体的呼吸单元。进气单元用于导入定量的空气和氧气至管道连接器，进气单元检测空气流量和氧气流量，管道连接器将空气和氧气混合并经由过滤网过滤后通过管道输送至人体处供吸入，控制单元搭载有根据空气流量和氧气流量计算空气调节量和氧气调节量的自适应控制算法，控制单元可用现有的DSP控制器。

进气单元包括风机、空气电磁阀、空气流量传感器、减压阀、氧气电磁阀和氧气流量传感器，风机用于泵入空气，风机可用现有的涡轮风机，空气电磁阀信号连接控制单元，并在控制单元的控制下调节空气进入量，空气流量传感器信号连接控制单元，并将检测的空气流量发送至控制单元；减压阀用于对进入的氧气进行减压，氧气电磁阀信号连接控制单元，并在控制单元的控制下调节氧气进入量，氧气流量传感器信号连接控制单元，并将检测的氧气流量发送至控制单元，空气流量传感器和氧气流量传感器可用现有的气体流量传感器，空气电磁阀和氧气电磁阀可用现有的比例电磁阀。

呼吸单元包括压力传感器和呼气流量传感器，压力传感器位于气体吸入处，压力传感器用于检测吸气气压并发送至控制单元，控制单元将吸气气压与设定压力进行气压误差计算，控制单元将气压误差与阈值进行对比，在气压误差大于阈值时，控制单元通过自适应控制算法计算空气调节量和氧气调节量，自适应控制算法包括第一自适应算法和第二自适应算法。

控制单元以第一自适应算法根据获取的设定氧气浓度按照浓度比例计算所需要的空气初始流量和氧气初始流量，控制单元将检测到的空气流量与空气初始流量作差得到空气流量误差，将空气流量误差与第一设定值进行对比，当空气流量误差大于第一设定值时，控制单元通过第二自适应算法将空气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算出空气电磁阀开度的空气脉冲值作为空气调节量；控制单元将检测到的氧气流量与氧气初始流量作差得到氧气流量误差，并将氧气流量误差与第二设定值进行对比，当氧气流量误差大于第二设定值时，控制单元通过第二自适应算法将氧气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算氧气电磁阀开度的氧气脉冲值作为氧气调节量。

呼气流量传感器位于呼出气体处，呼气流量传感器用于检测呼出气流的呼气流量发送至控制单元，控制单元估计漏气量，漏气量的估计方式为：漏气量＝吸气流量-呼气流量-呼吸口流量，各个参量通过现有的传感器进行检测得到，控制单元根据呼气流量、吸气气压和估计的漏气量估计基线流量，基线流量表示流量触发的流量阀值，高于这个流量阀值就表示触发了吸气，以此判断吸气的触发点，当判断到吸气的触发点时，控制单元控制风机和减压阀启动。

本实施例通过结合呼气气压、呼气流量和估计的漏气量估计基线流量，提高基线流量的准确性，进而提高触发进行控制的准确性。在控制过程中，通过压力传感器检测吸入气体处的吸气气压，对吸气气压与设定压力进行气压误差计算，当气压误差较大时，再计算氧气调节量和空气调节量，提高了控制的精准性。并且在计算了空气和氧气的调节量之后，通过控制单元对空气和氧气两条线路进行自适应控制，能够在氧气进气和空气进气分别稳定的前提下，提升最后吸入气量的稳定，分别对空气和氧气使用自适应控制算法进行精准的调节，快速调节空气和氧气的量，面对不同病人时能够提升控制的适应性。

实施例二

如图3所示，无创呼吸机的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过风机泵入空气，通过减压阀导入减压后的氧气，将空气和氧气输送至管道连接器处，让空气和氧气经过过滤网的过滤后输送至呼吸处。

步骤2，通过空气流量传感器检测空气流量发送至控制单元，通过氧气流量传感器检测氧气流量发送至控制单元，通过压力传感器检测吸气处的吸气气压发送至控制单元，由控制单元将吸气气压与设定压力作差进行误差气压误差计算，将误差气压误差与阈值进行对比，阈值根据实际需求进行设置为一常数值，当误差气压误差大于阈值时，由控制单元上的第一自适应算法计算空气初始流量和氧气初始流量。

第一自适应算法的计算过程为：获取设定氧气浓度，根据设定氧气浓度按照浓度比例计算所需要的空气初始流量和氧气初始流量。

步骤3，由控制单元根据空气初始流量、空气流量、氧气流量和氧气初始流量，按照第二自适应算法计算空气调节量和氧气调节量，并由控制单元根据空气调节量控制空气电磁阀的开度进行空气量调节，由控制单元根据氧气调节量控制氧气电磁阀的开度进行氧气量调节。

在所述步骤3中，将检测到的空气流量与空气初始流量作差得到空气流量误差，将空气流量误差与第一设定值进行对比，当空气流量误差大于第一设定值时，由控制单元上的第二自适应算法根据空气流量误差计算得到空气电磁阀开度的空气脉冲值作为空气调节量，将检测到的氧气流量与氧气初始流量作差得到氧气流量误差，将氧气流量误差与第二设定值进行对比，当氧气流量误差大于第二设定值时，由控制单元上的第二自适应算法根据氧气流量误差计算得到氧气电磁阀开度的氧气脉冲值作为氧气调节量。

无创呼吸机的压力控制方程表示如下：

其中，P是控制肺部压力，单位为cmH₂O；V是进肺潮气量，单位为mL；C是肺部顺应性，单位为mL·cmH₂O^-1；R是气路阻尼系数，单位为cmH₂O·s·mL^-1；L是进肺流量，单位为mL·s^-1。

压力控制的目标是，通过调节比例电磁阀的开度，假设控制量为u，控制进肺流量L，压力控制使得肺部压力P保持在稳态。

进肺潮气量V与进肺流量L之间的关系为：

其中，V₀是起始时刻的肺部气量。

空气流量或者氧气流量与比例电磁阀开度之间的关系为：

L＝Ku (式3)

其中，K是阀门的线性系数，为一常值。

将(式3)代入(式2)可得进肺潮气量V与进肺流量L之间的关系表达为：

将(式4)代入(式1)可得压力控制方程表达为：

为了表征肺部的舒适性，将肺部压力误差表示为：e＝P-P_s，其中P_s为呼吸机设置肺部压力。将(式5)代入肺部压力误差的表达式，得到肺部压力误差表达为：

对(式6)求导数得到：

其中，

为设置肺部压力的导数，

为阀门控制量的导数，也称控制律。将(式7)写成：

令α＝RK，

可得：

设计控制律表达如下：

其中β和γ为设计参数，为常数值。

设计如下的参数更新律：

其中，Γ为设计的对称矩阵，Γ^-1为Γ的逆矩阵。参数更新律随着误差的变化而变化，控制律

随着参数更新律的变化而自适应变化。得到氧气和空气总的控制量为：

其中，u₀为起始控制量。通过u可以得到总的控制流量，然后根据设定氧气浓度换算成需要的初始空气流量L_as和初始氧气流量L_os，然后再分别与空气流量传感器和氧气流量传感器进行比较，得到氧气脉冲值、空气脉冲值。

第二自适应算法的计算过程为：将空气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算空气电磁阀开度的空气脉冲值作为空气调节量，将氧气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算氧气电磁阀开度的氧气脉冲值作为氧气调节量。

具体流程为：

针对空气脉冲值的计算，空气流量误差e_a为：

e_a＝L_as-L_a (式13)

其中L_a为空气流量传感器的测量得到的空气流量。

设计空气电磁阀控制律表达如下：

其中a和b为设计参数。

设计如下的参数更新律：

其中，Γ_a为设计的对称矩阵，

为Γ_a的逆矩阵。参数更新律随着误差的变化而变化，控制律

随着参数更新律的变化而自适应变化。得到空气电磁阀的控制量(即空气脉冲值)为：

其中，u_a0为空气电磁阀起始控制量。

针对氧气脉冲值的计算，氧气流量误差e_o为：

e_o＝L_os-L_o (式17)

其中L_o为氧气流量传感器的测量得到氧气流量。

设计氧气电磁阀控制律表达如下：

其中c和d为设计参数。

设计如下的参数更新律：

其中，Γ_o为设计的对称矩阵，

为Γ_o的逆矩阵。参数更新律随着误差的变化而变化，控制律

随着参数更新律的变化而自适应变化。得到氧气电磁阀的控制量(即氧气脉冲值)为：

其中，u_o0为氧气电磁阀起始控制量。

以吸气控制为例，测试肺为一夹板肺，选取两套硬件一致的无创呼吸机，本实施例的空气电磁阀与氧气电磁阀均采用自适应算法，将本实施例的方法用于仿真得到如图4所示的控制效果图，对比例的空气电磁阀和氧气电磁阀采用PID算法进行仿真，得到如图5所示的控制效果图。从图中可以看出，在压力的平稳性方面，本算法控制效果更优。

本实施例检测吸气处的吸气气压，并计算与设定压力的气压误差进行对比，在气压误差过大时，才进行进入空气和氧气量的控制，能够保持吸气处气压的稳定性。在过程中控制空气和氧气的进入量时，通过自动检测氧气和空气的流量，并由自适应控制算法根据空气流量和氧气流量计算氧气调节量和空气调节量，能够分别从气和氧气两条线路进行相应的调节控制，调节速度更快且稳定，面对不同病人时能够提升控制的适应性和体验感。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种无创呼吸机，包括外壳体，所述外壳体上连接有对氧气管和空气管进行气体混合的管道连接器，所述管道连接器远离外壳体一侧的端部处设有过滤网；其特征在于：所述外壳体内设有进气单元和控制单元，所述管道连接器远离外壳体的一端处设有供吸入气体的呼吸单元；

所述进气单元用于导入定量的空气和氧气至管道连接器，所述进气单元检测空气流量和氧气流量，所述管道连接器将空气和氧气混合并经由过滤网过滤后输送至人体处供吸入，所述控制单元搭载有根据空气流量和氧气流量计算空气调节量和氧气调节量的自适应控制算法。

2.根据权利要求1所述的无创呼吸机，其特征在于：所述进气单元包括风机、空气电磁阀、空气流量传感器、减压阀、氧气电磁阀和氧气流量传感器，所述风机用于泵入空气，所述空气电磁阀信号连接控制单元，并在控制单元的控制下调节空气进入量，所述空气流量传感器信号连接控制单元，并将检测的空气流量发送至控制单元；所述减压阀用于对进入的氧气进行减压，所述氧气电磁阀信号连接控制单元，并在控制单元的控制下调节氧气进入量，所述氧气流量传感器信号连接控制单元，并将检测的氧气流量发送至控制单元。

3.根据权利要求2所述的无创呼吸机，其特征在于：所述呼吸单元包括压力传感器，所述压力传感器位于气体吸入处，所述压力传感器用于检测吸气气压并发送至控制单元，所述控制单元将吸气气压与设定压力进行气压误差计算，所述控制单元将气压误差与阈值进行对比，在气压误差大于阈值时，所述控制单元通过自适应控制算法计算空气调节量和氧气调节量，所述自适应控制算法包括第一自适应算法和第二自适应算法。

4.根据权利要求3所述的无创呼吸机，其特征在于：所述呼吸单元还包括呼气流量传感器，所述呼气流量传感器位于呼出气体处，所述呼气流量传感器用于检测呼出气流的呼气流量发送至控制单元，所述控制单元估计漏气量，所述控制单元根据呼气流量、吸气气压和预设的漏气量估计基线流量。

5.无创呼吸机的控制方法，包括：

步骤1，通过风机泵入空气，通过减压阀导入减压后的氧气，将空气和氧气输送至管道连接器处，让空气和氧气经过过滤后输送至呼吸处；其特征在于：还包括：

步骤2，通过空气流量传感器检测空气流量发送至控制单元，通过氧气流量传感器检测氧气流量发送至控制单元，由控制单元上的第一自适应算法计算空气初始流量和氧气初始流量；

步骤3，由控制单元根据空气初始流量、空气流量、氧气流量和氧气初始流量，按照第二自适应算法计算空气调节量和氧气调节量，并由控制单元根据空气调节量控制空气电磁阀的开度进行空气量调节，由控制单元根据氧气调节量控制氧气电磁阀的开度进行氧气量调节。

6.根据权利要求5所述的无创呼吸机的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，通过压力传感器检测吸气处的吸气气压发送至控制单元，由控制单元将吸气气压与设定压力作差进行气压误差计算，将气压误差与阈值进行对比，当气压误差大于阈值时，由控制单元上的第一自适应算法计算空气初始流量和氧气初始流量。

7.根据权利要求6所述的无创呼吸机的控制方法，其特征在于：所述第一自适应算法的计算过程为：获取设定氧气浓度，根据设定氧气浓度按照浓度比例计算所需要的空气初始流量和氧气初始流量，所述第二自适应算法的计算过程为：将空气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算空气电磁阀开度的空气脉冲值作为空气调节量，将氧气流量误差代入预设计的控制律表达式和预设计的参数更新律表达式中，计算氧气电磁阀开度的氧气脉冲值作为氧气调节量。

8.根据权利要求7所述的无创呼吸机的控制方法，其特征在于：所述控制律表达式为：

其中：

e为空气流量误差或者氧气流量误差，β和γ为根据空气控制和氧气控制而设计的设计参数，

C是肺部顺应性，单位为mL·cmH₂O^-1，R是气路阻尼系数，单位为cmH₂O·s·mL^-1，K是阀门的线性系数，K为一常值，P_s为呼吸机设置肺部压力；

控制律随着参数更新律的变化而自适应变化，参数更新律随着空气流量误差或者氧气流量误差的变化而变化，参数更新律表达式为：

其中，Γ为设计的对称矩阵，Γ^-1为Γ的逆矩阵。

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