CN118022122A - 一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统及方法，包括生理通气参数感知子系统、通气容量闭环控制子系统和辅助通气执行子系统；生理通气参数感知子系统，在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，输入通气容量闭环控制子系统；通气容量闭环控制子系统，计算得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；辅助通气执行子系统，基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制。通过将实际耗氧信息引入辅助通气量优化控制过程，即时反馈调整以求达到最优的通气治疗效果，有效提升机械通气救治效率。

Description

一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统及方法

技术领域

本发明涉及呼吸机技术领域，特别是涉及一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统及方法。

背景技术

呼吸机作为一种能够对人正常的生理呼吸动作进行有效替代或辅助，减少患者呼吸动作中的人为消耗，增加肺通气量，改善呼吸功能的重要医疗设备，广泛应用于临床医疗、家用保健、应急救援等方面。由于呼吸机稳定性、安全可靠性以及各控制元素的准确性对于呼吸治疗过程至关重要，所以对于呼吸机的通气控制研究是呼吸机设计中非常重要的一步。

呼吸系统具有非线性、时延以及参数动态范围变化大的特点，辅助通气装置的传统闭环控制方法在精准性、个性化、智能化和自动化方面存在严重缺陷，在临床上表现为人机对抗严重、呼吸机肺损伤、辅助通气效果差等诸多问题，同时数十种不同通气模式及其复杂繁琐的个性化参数设置也对医护人员提出了较高专业性要求。

辅助通气控制技术领域通常利用建模的方法来研究，国内外许多专家学者提出了各种不同的呼吸机通气模式控制方式，虽然由于专利保护或其他原因命名有所不同，但这些呼吸机通气模式按照控制目标的不同最终都可归类为容量控制通气、压力控制通气及混合控制通气。压力控制通气以气道压为控制目标，在治疗过程中始终保持吸气气道压处于设定的压力水平；容量控制通气是以容量为控制目标，按照设定的潮气量以恒定的流量对病人进行通气治疗；混合控制通气是将压力控制与容量控制相结合，在不同的呼吸周期内使用不同的控制方式进行通气治疗。以上所述的呼吸机通气模式均为单一控制或在不同的呼吸周期内进行通气控制，即使是现有的混合通气模式，也很难兼顾自主呼吸与强制通气的矛盾，即在压力控制与容量控制目标的智能切换、预设的通气控制指标(分钟通气次数、潮气量等)精准性和时延性、以及人机对抗和强制通气造成肺损伤和患者呼吸功增加。而且这些通气方式均仅涉及通气气道压力和通气量优化控制并未考虑通气过程中氧气含量的变化。临床上吸氧治疗过程中各种供氧设备也只关注与气道平均氧浓度控制，目前尚未发现将单周期呼吸各阶段耗氧信息做为补偿量精准调控单次呼吸过程，实现辅助通气优化控制的智能算法与装置。因此对于氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制方法及装置的研究具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是如何提供一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统及方法，通过吸气呼气两个平台期分时稳定获取环境氧浓度信息，将用户呼吸过程实际耗氧信息引入辅助通气量优化控制过程，即时反馈调整以求达到最优的通气治疗效果，有效提升机械通气救治效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，包括生理通气参数感知子系统、通气容量闭环控制子系统和辅助通气执行子系统；

所述生理通气参数感知子系统，在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，采集气道根据呼吸过程压力-流速信号波形特征，得到稳定的吸气平台和呼气末平台起止时间点，进而计算得到本周期吸气平台压力P_plate、呼气末平台压力P_peep，以及吸气平台期氧浓度和呼气末平台期氧浓度/>输入通气容量闭环控制子系统；

所述通气容量闭环控制子系统，经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；

所述辅助通气执行子系统，基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制。

优选的，基于吸气期/呼气期分别计算氧浓度平均值得到吸气平台期及呼气末平台期氧浓度以及/>

优选的，所述通气容量闭环控制子系统中，一个呼吸周期包括吸气等待期、吸气上升期、吸气平台期、快速呼气期和呼气末平台期；

在一个呼吸周期后，基于生理通气参数感知子系统计算得到的本呼吸周期吸气平台压力P_plate、呼气末平台压力P_peep、吸气平台期氧浓度呼气末平台期氧浓度/>经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，然后判断本呼吸周期耗氧量是否达到设定值；如果耗氧量没有达到设定值，则根据差值在下一呼吸周期优化辅助通气量，如果达到设定值则不干涉下一个呼吸周期。

优选的，所述通气容量闭环控制子系统采用容量控制，即按照设定的潮气量以恒定的流量进行通气，通气过程吸气压随着呼吸力学和患者的吸气努力而改变；

耗氧量计算公式(1)如下：

其中，ΔO₂是耗氧量，Vinsp是吸气量，Vesp是呼气量，Tinsp是吸气阶段平均温度，Tesp是呼气阶段平均温度。

优选的，优化辅助通气量采用以下方法：

将耗氧量作为一项独立的补偿量，基于实际耗氧量与设定值的差值计算得到下一呼吸周期的辅助通气量，通过强制控制，延长下一呼吸周期的吸气时间或缩短呼气时间，补偿氧浓度。

优选的，所述辅助通气执行子系统，将曲线拟合模型与增量式PID控制结合，通过曲线拟合模型得到稳态转速的预测值，使用增量式PID对电磁阀和风机转速的调整量进行计算，并更新电磁阀状态和风机转速；通过呼气阀开闭控制在吸气上升期关闭呼气阀、在吸气期平台期结束时打开呼气阀，实现补气和泄气快速响应，配合转速调整快速高效降低延时和人机对抗，提升用户舒适度。

本发明还公开了一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制方法，包括以下步骤：

S1：根据呼吸机预设参数对患者进行机械通气；

S2：在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，输入通气容量闭环控制子系统；

S3：通气容量闭环控制子系统经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；

S4：辅助通气执行子系统基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制，优化辅助通气量，补偿氧浓度。

综上，本氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统及方法，通过吸气呼气两个平台期分时稳定获取环境氧浓度信息，将用户呼吸过程实际耗氧信息引入辅助通气量优化控制过程，即时反馈调整以求达到最优的通气治疗效果，有效提升机械通气救治效率。

附图说明

图1为本发明所述的一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统的示意图。

图2为通气容量闭环控制子系统的流程图。

图3为呼吸机稳态转速和气道压力拟合曲线图。

图4为曲线拟合模型与PID控制结合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“上、下”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

如图1所示，一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，包括带有高精度氧浓度检测功能的生理通气参数感知子系统、带有氧浓度补偿功能的通气容量闭环控制子系统和电磁阀与涡轮风机为核心的辅助通气执行子系统；

所述生理通气参数感知子系统，在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，采集气道根据呼吸过程压力-流速信号波形特征，得到稳定的吸气平台和呼气末平台起止时间点，进而计算得到本周期吸气平台压力P_plate、呼气末平台压力P_peep，以及吸气平台期氧浓度和呼气末平台期氧浓度/>输入通气容量闭环控制子系统；

所述通气容量闭环控制子系统，经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；

所述辅助通气执行子系统，基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制。

本实施方式中，基于吸气期/呼气期分别计算氧浓度平均值得到吸气平台期及呼气末平台期氧浓度以及/>

本实施方式中，如图2所示，所述通气容量闭环控制子系统中，一个呼吸周期包括吸气等待期、吸气上升期、吸气平台期、快速呼气期和呼气末平台期；

在一个呼吸周期后，基于生理通气参数感知子系统计算得到的本呼吸周期吸气平台压力P_plate、呼气末平台压力P_peep、吸气平台期氧浓度呼气末平台期氧浓度/>经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，然后判断本呼吸周期耗氧量是否达到设定值；如果耗氧量没有达到设定值，则根据差值在下一呼吸周期优化辅助通气量，如果达到设定值则不干涉下一个呼吸周期。

本实施方式中，所述通气容量闭环控制子系统采用容量控制，即按照设定的潮气量以恒定的流量进行通气，通气过程吸气压随着呼吸力学和患者的吸气努力而改变；

耗氧量计算公式(1)如下：

其中，ΔO₂是耗氧量，Vinsp是吸气量，Vesp是呼气量，Tinsp是吸气阶段平均温度，Tesp是呼气阶段平均温度。

本实施方式中，优化辅助通气量采用以下方法：

将耗氧量作为一项独立的补偿量，基于实际耗氧量与设定值的差值计算得到下一呼吸周期的辅助通气量，通过强制控制，延长下一呼吸周期的吸气时间或缩短呼气时间，补偿氧浓度。

本实施方式中，所述辅助通气执行子系统，将曲线拟合模型与增量式PID控制结合，通过曲线拟合模型得到稳态转速的预测值，使用增量式PID对电磁阀和风机转速的调整量进行计算，并更新电磁阀状态和风机转速；通过呼气阀开闭控制在吸气上升期关闭呼气阀、在吸气期平台期结束时打开呼气阀，实现补气和泄气快速响应，配合转速调整快速高效降低延时和人机对抗，提升用户舒适度。

所述辅助通气执行子系统中，通过对呼吸机稳态转速和气道压力实测值进行采集，获取先验数据。采用多项式曲线拟合，公式为f(x)＝a_nxⁿ+a_n-1x^n-1+…+a₁x+a₀，其中，a_n，a_n-1，…，a₁，a₀是多项式的系数，

是多项式的阶数，而x是气道实测压力，f(x)是稳态转速。通过曲线拟合模型，输入当前电磁阀状态和气道压力控制目标。根据一组先验数据得到的拟合曲线图如图3所示。

通过曲线拟合模型得到稳态转速的预测值，使用增量式PID对电磁阀和风机转速的调整量进行计算，并更新电磁阀状态和风机转速。增量式PID公式为U(k)＝U(k-1)+K_p·Δe(k)+K_i·e(k)+K_d·Δe_d(k)。U(k)是当前时刻的输出(调整量)。U(k-1)是上一时刻的输出。e(k)是当前时刻的误差(设定值与实际值之差)。Δe(k)是当前时刻的误差变化率，即Δe(k)＝e(k)-e(k-1)。K_p，K_i，K_d是PID控制器的比例、积分和微分系数，分别表示比例增益、积分增益和微分增益。Δe_d(k)是当前时刻的误差的微分，即Δe_d(k)＝e_d(k)-e_d(k-1)，其中e_d(k)。通过选择合适的参数，由底层电机驱动实现电流环闭环控制，将拟合模型与PID控制结合，示意图如图4所示。

具体的，为提升患者呼吸机使用舒适度，降低人机对抗，在检测到处于吸气上升期时关闭呼气阀，在检测到快速呼气期时打开呼气阀，实现快速泄压。

本发明还公开了一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制方法，包括以下步骤：

S1：根据呼吸机预设参数对患者进行机械通气；

S2：在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，输入通气容量闭环控制子系统；

S3：通气容量闭环控制子系统经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；

S4：辅助通气执行子系统基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制，优化辅助通气量，补偿氧浓度。

最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，其特征在于，包括生理通气参数感知子系统、通气容量闭环控制子系统和辅助通气执行子系统；

所述生理通气参数感知子系统，在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，采集气道根据呼吸过程压力-流速信号波形特征，得到稳定的吸气平台和呼气末平台起止时间点，进而计算得到本周期吸气平台压力P_piate、呼气末平台压力P_peep，以及吸气平台期氧浓度和呼气末平台期氧浓度/>输入通气容量闭环控制子系统；

所述通气容量闭环控制子系统，计算得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；

所述辅助通气执行子系统，基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，其特征在于，基于吸气期/呼气期分别计算氧浓度平均值得到吸气平台期及呼气末平台期氧浓度以及/>

3.根据权利要求1所述的一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，其特征在于，所述通气容量闭环控制子系统中，一个呼吸周期包括吸气等待期、吸气上升期、吸气平台期、快速呼气期和呼气末平台期；

在一个呼吸周期后，基于生理通气参数感知子系统计算得到的本呼吸周期吸气平台压力P_plate、呼气末平台压力P_peep、吸气平台期氧浓度呼气末平台期氧浓度/>经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，然后判断本呼吸周期耗氧量是否达到设定值；如果耗氧量没有达到设定值，则根据差值在下一呼吸周期优化辅助通气量，如果达到设定值则不干涉下一个呼吸周期。

4.根据权利要求1所述的一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，其特征在于，所述通气容量闭环控制子系统采用容量控制，即按照设定的潮气量以恒定的流量进行通气，通气过程吸气压随着呼吸力学和患者的吸气努力而改变；

耗氧量计算公式(1)如下：

其中，ΔO₂是耗氧量，Vinsp是吸气量，Vesp是呼气量，Tinsp是吸气阶段平均温度，Tesp是呼气阶段平均温度。

5.根据权利要求3所述的一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，其特征在于，优化辅助通气量采用以下方法：

将耗氧量作为一项独立的补偿量，基于实际耗氧量与设定值的差值计算得到下一呼吸周期的辅助通气量，通过强制控制，延长下一呼吸周期的吸气时间或缩短呼气时间，补偿氧浓度。

6.根据权利要求1所述的一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制系统，其特征在于，所述辅助通气执行子系统，将曲线拟合模型与增量式PID控制结合，通过曲线拟合模型得到稳态转速的预测值，使用增量式PID对电磁阀和风机转速的调整量进行计算，并更新电磁阀状态和风机转速；通过呼气阀开闭控制在吸气上升期关闭呼气阀、在吸气期平台期结束时打开呼气阀，实现补气和泄气快速响应，配合转速调整快速高效降低延时和人机对抗，提升用户舒适度。

7.一种氧浓度补偿功能的单周期通气容量优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据呼吸机预设参数对患者进行机械通气；

S2：在风机气道和面罩气道交汇处设置氧浓度传感器，采集机械通气参数和氧气浓度，输入通气容量闭环控制子系统；

S3：通气容量闭环控制子系统经参照耗氧量计算公式进行折算后得到本呼吸周期耗氧量，作为一项独立的补偿量计算得到下一呼吸周期优化后的辅助通气量；

S4：辅助通气执行子系统基于增量PID算法计算得到转速调节增量经限幅后，由底层电机驱动实现电流环闭环控制，优化辅助通气量，补偿氧浓度。