CN115220499B - 基于呼吸机的温湿度控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于呼吸机的温湿度控制方法，包括S200：读取数据，S201：计算气源绝对湿度值；S202：推算湿化罐出口的湿化气体目标温度和患者需要的绝对湿度值；S203：对加热单元一温度控制；S204：对加热单元二温度控制；S205：判断患者末端温度与耐受程度设置的温度阈值的关系；S206：判断加热单元一温度与加热单元一安全温度阈值关系；S207：返回S200执行；S208：降低加热单元二的加热功率，并警报；S209：停止加热单元一加热，并警报。还提出基于呼吸机的温湿度控制装置包括主处理器、流量传感器、气源温湿度传感器、湿化气体温度传感器等。均用于对温湿度精准的控制，给患者提供精准温湿度气体。

Description

基于呼吸机的温湿度控制系统和方法

技术领域

本发明涉及呼吸机领域，具体涉及基于基于呼吸机的温湿度控制系统和方法。

背景技术

呼吸机或高流量氧疗仪一般采用涡轮风机或空气压缩机作为患者的通气气源发生装置，此气源的温度低且干燥。当患者的呼吸道湿化不足且吸入气体干燥时，呼吸道的分泌物因水分丧失而变得黏稠,使气道的纤毛运动受阻，并且低温的气体同时增加了患者的代谢消耗，影响患者的治疗效果。

为了使得进入患者肺部的气体适合人体的生理需求，目前呼吸机或高流量氧疗仪的出气口增加加温湿化装置对气体起到加温湿化的作用，对气体加温湿化主要通过湿化罐底下的加热底板把水分蒸发并和通入的干冷气体混合形成具有一定温湿度的气体，气体经过管道递送给患者端，为了防止冷凝水在管道上，还内置加热丝对该气体进行保温。

然而。目前市场上依然缺少能同时满足多种场景下提供不同等级且量化精度高的温湿化气体的系统。温湿化系统所处的环境温湿度、气源的温湿度及流量大小影响温湿度系统的精确调控。当环境温度低时散热快，在同一功率下，加热单元达到指定温度所需的时间长；气源的温湿度大小直接影响湿化罐内水分的蒸发量，当气源的湿度低时所需湿化罐内的水蒸发量大；气体的流量大小影响湿化罐和气体加温管路的加热效率，当气体流量小时，湿化罐出气口的加温加湿气体容易聚集，要求加热速率慢，否则温度容易超调并难以下降，当气体流量大时要求湿化罐的加热速率快，使得气体能快速达到指定温湿度。

因此为了精确、高效的调控气体的温湿度需要一种综合考虑环境温湿度、气源温湿度及流量大小等因素影响的控制方法及装置。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提出基于呼吸机的温湿度控制系统和方法，其适用于对温湿度精准的控制。

为了实现上述目的，本发明的一种基于呼吸机的温湿度控制方法，包括以下步骤，S200：读取数据，数据包括气源流量F、环境温度EN_T、气源温度GS_T、气源相对湿度GS_RH、湿化气体温度HGR_T、患者末端温度PER_T、加热单元一温度PLR_T、环境相对湿度EN_RH；S201：根据S200中的气源温度GS_T、气源相对湿度GS_RH计算出气源绝对湿度值GS_AH；S202：根据湿化装置设定的患者端温度PE_T、湿化等级H_Level，推算出湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T和患者需要的绝对湿度值PE_AH；S203：推算患者端和气源端绝对湿度的差值因子 Sub_AH、环境温湿度相关因子EN_Cor，并结合加热单元一温度PLR_T、气源流量F，湿化罐出气口的湿化气体温度HGR_T，对加热单元一温度进行控制；S204：根据环境温湿度相关因子EN_Cor、气源流量F和患者端温度对加热单元二温度控制； S205：判断患者末端温度PER_T与患者耐受程度设置的温度阈值PE_TH的关系，如果患者末端温度PER_T小于患者耐受程度设置的温度阈值PE_TH时，执行S206，否则执行S208；S206：判断S203中加热单元一温度是否小于加热单元一安全温度阈值PL_TH，当单元一温度小于加热单元一安全温度阈值PL_TH时，执行S207，否则执行S209；S207：返回S200执行；S208：降低加热单元二的加热功率，并发出警报；S209：停止加热单元一加热，并发出警报。

进一步地，气源绝对湿度值GS_AH的计算表述为：

其中的p1，p2，p3，p4、p5和p6分别为常系数。

进一步地，湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T计算为：

HG_T＝A1*(H_Level*(p1*PE_T ⁴+p2*PE_T ³+p3*PE_T ²+p4*PE_T+ p5))^A2+A3，

其中A1，A2，A3为常系数，

进一步地，患者需要的绝对湿度值PE_AH计算为：

PE_AH＝H_Level*(p1*PE_T ⁴+p2*PE_T ³+p3*PE_T ²+p4*PE_T+p5)

其中p1，p2，p3，p4和p5为常系数。

用迭代公式计算加热单元一的设定温度值HeatingPL，

其中，E_k为设定的当前湿化灌出气口的湿化气体温度HG_T和实际湿化气体温度HGR_T的差值，

绝对湿度差值因子Sub_AH表示为：

Sub_AH＝PE_AH-GS_AH，

环境温湿度相关因子EN_Cor表示为：

其中，p1，p2，p3，p4、p5和p6如S201，C2和C3为常系数；

根据加热单元一的设定温度值HeatingPL，计算加热单元一的输入值HeatingPL_in，

HeatingPL_in＝HeatingPL_in+Kp2*(D_k-D_k-1)+Ki2*D_k+ Kd2*(D_k-2D_k-1+D_k-2)HeatingPL_in<HeatingPL_in_TH

其中HeatingPL_in为加热单元一的输入值，在小于阈值HeatingPL_in_TH内逐次迭代，加热单元一的监测温度为PLR_T，其中的D_k表示为加热单元一的设定温度值HeatingPL和监测温度PLR_T的差值，建立一个缓存队列，依次存储历史的D_k值分别表示为：

[D_k-3,D_k-2,D_k-1,D_k]，其中缓存队列的长度不做限制，其中的Kp2、Ki2、 Kd2为设置的常系数。

进一步地，用迭代公式计算加热单元二的加热输入信号值HeatingPO，

其中，G_k表示为加热单元二的设定温度PE_T和加热单元二的监测温度PER_T的差值，Kp3、Ki3、Kd3、H、C4、C5为设置的常系数。

还包括一种基于呼吸机的温湿度控制系统，包括主处理器、流量传感器、气源温湿度传感器、湿化气体温度传感器、患者末端温度传感器、环境温湿度传感器、加热单元一温度传感器，流量传感器、气源温湿度传感器、湿化气体温度传感器、患者末端温度传感器、环境温湿度传感器、加热单元一温度传感器均与主处理器电性连接，

气源温湿度传感器以及流量传感器均处于气源发生器的进气口，

湿化气体温度传感器处于湿化罐的出气口，

患者末端温度传感器处于面罩或者鼻导管位置；

加热单元一温度传感器处于加热单元一位置。

进一步地，主处理器连接网络模块，网络模块连接云服务器，云服务器连接数据存储监控模块。

有益效果:有效地结合了环境温度、气源流量、气源温度等多个综合因素参与的温湿度控制，实现多种环境条件状态下稳定、精确的为患者提供加温湿化的气体。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是本发明基于呼吸机的温湿度控制系统的结构示意图；

图2是基于呼吸机的温湿度控制方法的步骤流程图。

附图标记：100、气源发生器；101、气源温湿度传感器；102、湿化气体温度传感器；103、患者末端温度传感器；104、流量传感器；105、湿化罐；106、加热单元一；107、单元一温度传感器；108、加热单元二；109、鼻导管/面罩；110、主处理器；111、环境温湿度传感器；112、电源管理模块； 113、网络模块；114、云服务器；115、数据存储监控。

具体实施方式

下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

如图2所示，本发明首选实施方式的一种基于呼吸机的温湿度控制方法，包括以下步骤，

S200：读取数据，数据包括气源流量F、环境温度EN_T、气源温度GS_T、气源相对湿度GS_RH、湿化气体温度HGR_T、患者末端温度PER_T、加热单元一温度PLR_T、环境相对湿度EN_RH。

S201：根据S200中的气源温度GS_T、气源相对湿度GS_RH计算出气源绝对湿度值GS_AH。

气源绝对湿度值GS_AH的公式表示为：

其中p1，p2，p3，p4、p5和P6为常系数。

S202：根据湿化装置设定的患者端温度PE_T、湿化等级H_Level，推算出湿化罐出口的湿化气体目标温度HG_T和患者需要的绝对湿度值PE_AH。

湿化装置包括湿化罐等组件。

湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T计算为：

其中，湿化装置设定的患者端温度PE_T为已知的设置值，湿化等级H_Level也为已知的设置值，A1，A2，A3为常系数。

患者需要的绝对湿度值PE_AH计算为：

PE_AH＝H_Level*(p1*PE_T ⁴+p2*PE_T ³+p3*PE_T ²+p4*PE_T+p5)

其中p1，p2，p3，p4和p5为S201中所描述的常系数。

S203：推算患者端和气源端绝对湿度的差值因子Sub_AH、环境温湿度相关因子EN_Cor，并结合加热单元一温度PLR_T、气源流量F、湿化灌出气口的湿化气体温度HGR_T、对加热单元一温度进行控制。

用迭代公式计算加热单元一的设定温度值HeatingPL，表示为，

其中，HeatingPL为加热单元一的设定温度值，起始为零值，随着时间迭代累加，但不超过阈值HeatingPL_TH。其中E_k为设定的当前湿化罐出气口的湿化气体温度HG_T和实际湿化气体温度HGR_T的差值。当前湿化罐出气口的湿化气体温度为已知设定值，实际湿化气体温度HGR_T为传感器检测值，所以E_k是一个变化的值，建立一个缓存队列，依次存储历史的E_k值分别表示为 [E_k-3,E_k-2,E_k-1,E_k]，其中的Kp1、Ki1、Kd1、C0、C1和G为常系数值，其中的F为气源流量。

其中，绝对湿度差值因子Sub_AH表示为：

Sub_AH＝PE_AH-GS_AH

其中，PE_AH为步骤S202中所描述，GS_AH为步骤S201中所描述。

环境温湿度相关因子EN_Cor表示为：

其中EN_T为环境温度、EN_RH为环境相对湿度，PE_AH表示为患者需要的绝对湿度，p1，p2，p3，p4、p5和p6如S201所描述。C2和C3为常系数，湿化罐出口的湿化气体目标温度为HG_T。

由S203中加热单元一的设定温度值HeatingPL公式可以得知，HeatingPL 温度值计算中，所用到的温湿度数据有：湿化装置设定的患者端温度PE_T、湿化等级H_Level、气源相对湿度GS_RH、气源温度GS_T、气源流量F、湿化灌出气口的湿化气体温度HGR_T、环境温度EN_T、环境相对湿度EN_RH、湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T。

加热单元一的温度设定值HeatingPL是结合多数据统一处理后，使得所加热的温湿度更符合患者所需，提供给患者一个更加稳定、准确地的温湿化气体。

利用所述HeatingPL的迭代计算公式获得的加热单元一的设定温度值 HeatingPL参与下述的计算:

HeatingPL_in＝HeatingPL_in+Kp2*(D_k-D_k-1)+Ki2*D_k+ Kd2*(D_k-2D_k-1+D_k-2)HeatingPL_in<HeatingPL_in_TH

其中HeatingPL_in为加热单元一的输入值，在小于阈值HeatingPL_in_TH内逐次迭代，加热单元一的监测温度为PLR_T，其中的D_k表示为加热单元一的设定温度值HeatingPL和监测温度PLR_T的差值，建立一个缓存队列，依次存储历史的D_k值分别表示为：

[D_k-3,D_k-2,D_k-1,D_k]，其中缓存队列的长度不做限制，其中的Kp2、Ki2、 Kd2为设置的常系数。

同理，S204：根据环境温湿度相关因子EN_Cor、气源流量F和患者端温度对加热单元二温度控制。

用迭代公式计算加热单元二的加热输入信号值HeatingPO，表示为：

加热单元二的加热输入信号值HeatingPO也是一个逐渐累加变化的值。其中的Gk表示为加热单元二的设定温度PE_T和加热单元二的监测温度PER_T的差值，加热单元二的设定温度PE_T为已知的设定值，加热单元二的监测温度PER_T为监测值。建立一个缓存队列，依次存储历史的G_k值分别表示为 [G_k-3,G_k-2,G_k-1,G_k]，其中的Kp3、Ki3、Kd3、H、C4、C5为设置的常系数,EN_Cor为环境温湿度相关因子、F为流量值。

由此可知，加热单元二同样是依据多个位置的温湿度值来统一计算，高效的调整前述加热单元一和加热单元二，使得所加热的温湿度更符合患者所需，提高系统在复杂环境中使用的有效性。

S205，判断患者末端温度是否小于PE_TH：当所述的患者末端温度小于PE_TH 时，执行步骤S206，否则执行步骤S208，其中的PE_TH为依据患者耐受程度设置的温度阈值。

S206，判断单元一温度是否小于PL_TH：当所述的单元一温度小于PL_TH 时，执行步骤S207，否则执行步骤S209，其中的PL_TH是为安全考虑设置的单元一温度阈值。

S207，返回步骤S200执行。

S208，降低加热单元2的加热功率，并发出警报。

S209，停止加热单元加热，并发出警报。

如图1所示，本发明还提出一种基于呼吸机的温湿度控制系统，包括主处理器110、流量传感器104、气源温湿度传感器101、湿化气体温度传感器102、患者末端温度传感器103、环境温湿度传感器111、加热单元一 106、单元一温度传感器107，加热单元二108等，流量传感器104、气源温湿度传感器101、湿化气体温度传感器102、患者末端温度传感器103、环境温湿度传感器111、加热单元一106、单元一温度传感器107均与主处理器110电性连接，

气路流通方式为气源发生器100产生的固定流量气体依次经过湿化罐 105进气口、湿化罐105、湿化罐105出气口、加热单元二108、鼻导管/ 面罩109到达患者端。

气源温湿度传感器101、湿化气体温度传感器102、单元一温度传感器 107、患者末端温度传感器103、环境温湿度传感器111分别安装在湿化罐 105进气口、出气口、加热单元一106内部、加热单元二108的出口、系统外部。分别用于监测前述气源温度、湿度、湿化气体温度、加热单元一 106的温度、患者末端温度、环境温湿度。

主处理器110还连接电源管理模块112、网络模块113，网络模块113 连接云服务器114、数据存储监控115运行于云服务器114。电源管理模块 112负责给气源发生器100、主处理器110、网络模块113、气源温湿度传感器101、湿化气体温度传感器102、患者末端温度传感器103、流量传感器104、加热单元一106、单元一温度传感器107、加热单元二108、环境温湿度传感器111提供不同的稳定供电电压，同时由网络模块113、云服务器114实现网络传输的能力。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (4)

1.一种基于呼吸机的温湿度控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

S200：读取数据，所述数据包括气源流量F、环境温度EN_T、气源温度GS_T、气源相对湿度GS_RH、湿化气体温度HGR_T、患者末端温度PER_T、加热单元一温度PLR_T、环境相对湿度EN_RH；

S201：根据S200中所述的气源温度GS_T、气源相对湿度GS_RH计算出气源绝对湿度值GS_AH；

所述气源绝对湿度值GS_AH的计算表述为：

其中的p1，p2，p3，p4、p5和p6分别为常系数；

S202：根据湿化装置设定的患者端温度PE_T、湿化等级H_Level，推算出湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T和患者需要的绝对湿度值PE_AH；

所述湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T计算为：

其中A1，A2，A3为常系数；

所述患者需要的绝对湿度值PE_AH计算为：

其中p1，p2，p3，p4和p5为常系数；

S203：推算患者端和气源端绝对湿度的差值因子Sub_AH、环境温湿度相关因子EN_Cor；

所述绝对湿度差值因子Sub_AH表示为：

Sub_AH＝PE_AH-GS_AH；

所述的环境温湿度相关因子EN_Cor表示为：

其中，p1，p2，p3，p4、p5和p6如S201所述，C2和C3为常系数；

并结合加热单元一温度PLR_T、气源流量F，湿化罐出气口的湿化气体温度，对加热单元一温度进行控制；

用迭代公式计算加热单元一的设定温度值HeatingPL，

其中，E_k为设定的湿化罐出气口的湿化气体目标温度HG_T和实际湿化气体温度HGR_T的差值，建立一个缓存队列，依次存储历史的E_k值分别表示为[E_k-3,E_k-2,E_k-1,E_k]，Kp1、Ki 1、Kd1、C0、C1和G为常系数值；

S204：根据环境温湿度相关因子EN_Cor、气源流量F和患者端温度对加热单元二温度控制；

用迭代公式计算加热单元二的加热输入信号值HeatingPO，

其中，G_k表示为加热单元二的设定温度PE_T和加热单元二的监测温度PER_T的差值，建立一个缓存队列，依次存储历史的G_k值分别表示为[G_k-3,G_k-2,G_k-1,G_k]，Kp3、Ki3、Kd3、H、C4、C5为设置的常系数；

S205：判断患者末端温度PER_T与患者耐受程度设置的温度阈值PE_TH的关系，如果所述患者末端温度PER_T小于患者耐受程度设置的温度阈值PE_TH时，执行S206，否则执行S208；

S206：判断S203中加热单元一温度PLR_T是否小于加热单元一安全温度阈值PL_TH，当所述加热单元一温度PLR_T小于加热单元一安全温度阈值PL_TH时，执行S207，否则执行S209；

S207：返回S200执行；

S208：降低加热单元二的加热功率，并发出警报；

S209：停止加热单元一加热，并发出警报。

2.根据权利要求1所述的基于呼吸机的温湿度控制方法，其特征在于，S203中，根据加热单元一的设定温度值HeatingPL，计算加热单元一的输入值HeatingPL_in，

HeatingPL_in＝HeatingPL_in+Kp2*(D_k-D_k-1)+Ki2*D_k+

Kd2*(D_k-2D_k-1+D_k-2)HeatingPL_in<HeatingPL_in_TH

其中HeatingPL_in为加热单元一的输入值，在小于阈值HeatingPL_in_TH内逐次迭代，加热单元一的监测温度为PLR_T，其中的D_k表示为加热单元一的设定温度值HeatingPL和监测温度PLR_T的差值，建立一个缓存队列，依次存储历史的D_k值分别表示为：

[D_k-3,D_k-2,D_k-1,D_k]，其中缓存队列的长度不做限制，其中的Kp2、Ki2、Kd2为设置的常系数。

3.用于权利要求1或2所述基于呼吸机的温湿度控制方法的基于呼吸机的温湿度控制系统，其特征在于，包括主处理器、流量传感器、气源温湿度传感器、湿化气体温度传感器、患者末端温度传感器、环境温湿度传感器、加热单元一温度传感器，所述流量传感器、气源温湿度传感器、湿化气体温度传感器、患者末端温度传感器、环境温湿度传感器、加热单元一温度传感器均与主处理器电性连接，

所述气源温湿度传感器以及流量传感器均处于气源发生器的进气口，

所述湿化气体温度传感器处于湿化罐的出气口，

所述患者末端温度传感器处于面罩或者鼻导管位置；

所述加热单元一温度传感器处于加热单元一位置。

4.根据权利要求3所述的基于呼吸机的温湿度控制系统，其特征在于，所述主处理器连接网络模块，所述网络模块连接云服务器，所述云服务器连接数据存储监控模块。