CN203539352U

CN203539352U - 振荡式呼吸功能监测仪

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Publication number: CN203539352U
Application number: CN201320641869.5U
Authority: CN
Inventors: 王�华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2023-10-17

Abstract

本实用新型涉及医疗器械技术领域，公开了一种振荡式呼吸功能监测仪，包括嵌入式控制系统、振荡发生器和信号采集系统，所述振荡发生器和信号采集系统分别连接至嵌入式控制系统；所述振荡发生器包括依次连接的振荡泵、直线电机和电机伺服控制系统，所述的电机伺服控制系统与所述的嵌入式控制系统相连。本实用新型采用振荡泵、直线电机和电机伺服控制系统组成的振荡发生器，具有较好的线性和稳定性，大大减少了振荡信号失真，达到在机械通气领域应用的目的。

Description

振荡式呼吸功能监测仪

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，更具体地说，特别涉及一种用于监测机械通气患者的呼吸功能的振荡式呼吸功能监测仪。

背景技术

持续监测患者的呼吸功能是重症监护的重要内容，有助于及时发现病情变化、调整呼吸机参数和评价治疗的效果等。单频强迫振荡技术（Forcedoscillation technique，FOT）是无创监测呼吸功能的方法之一，原理是通过一个外置的振荡发生器产生特定频率和振幅的振荡气流，叠加在患者的呼吸气流之上进入肺组织，在气道开口处测量经肺组织吸收折射后的振荡压力和流量信号，利用信号时域分析技术即可计算呼吸总阻抗（impedance，Zrs），进一步可细分为阻抗（Resistance，Rrs）和电抗（Reactance，Xrs）等，分别代表呼吸系统的粘性阻力和弹性阻力等。较之传统的气道阻断技术和食道测压等方法，单频强迫振荡具有无创、简便和实时的特点，检测时患者无不适，无需主动配合，结果不受呼吸肌肉活动的影响，能持续追踪呼吸总阻抗随时间的变化，提供多种呼吸生理和力学参数，区分各种阻力的性质和分布，而且振荡设备体积小，易于与呼吸机整合，适宜在机械通气应用，有望成为呼吸功能监测的替代方法。

呼吸机压力波动对振荡测量的干扰较大，可导致振荡泵不规则振动，输出的振荡压力和流量波形失真，影响测量的准确性。目前，振荡发生器多采用声学扬声器或活塞式电机作为动力源，扬声器的优势是产生的频率范围大，可发生任意波形的信号；缺点是振动膜磁悬浮系统具有弹性，受呼吸机压力波动的影响容易变形，振动膜运动和驱动电压呈现非线性的关系，产生很大的谐波失真；其次，扬声器的最低频率响应多在20-40Hz以上，在低频激励信号驱动下工作状态不稳定，抵抗外加压力的能力不足，不适合在呼吸机上使用。活塞式电机由马达驱动活塞往复运动产生振荡气流，结构具有刚性，推力大，能抵抗呼吸机压力波动的影响；缺点是活塞运动惯性较大，运动轨迹呈三角尖波而非平滑的正弦波，而且，输出信号频率与马达速度呈正比，范围较窄，现已较少使用。

实用新型内容

本实用新型提供了振荡式呼吸功能监测仪，旨在提高振荡发生器的线性和稳定性，解决现有技术中振荡信号失真的技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种振荡式呼吸功能监测仪，包括包括嵌入式控制系统、振荡发生器和信号采集系统，所述振荡发生器和信号采集系统分别连接至嵌入式控制系统；所述振荡发生器包括依次连接的振荡泵、直线电机和电机伺服控制系统，所述的电机伺服控制系统与所述的嵌入式控制系统相连。

进一步地，所述振荡泵包括设有气室的铝合金箱，及设于气室内的硬质圆盘形振动膜，该硬质圆盘形振动膜使所述气室分割为前后两个密封气室，且所述硬质圆盘形振动膜通过一连接杆与直线电机连接。

进一步地，所述电机伺服控制系统包括磁编码器、电机伺服驱动器和磁栅尺，所述电机伺服驱动器连接于与直线电机的输入端与嵌入式控制系统之间，且所述电机伺服驱动器还经磁编码器与磁栅尺连接，所述磁栅尺设于直线电机输出端的连接杆处。

进一步地，所述的直线电机采用音圈电机，所述振荡泵产生的正弦振荡气流的频率范围为0.1Hz～16Hz，振幅范围为0.5cmH₂O～2cmH₂O。

进一步地，所述信号采集系统包括流量仪及压力传感器，分别与流量仪、压力传感器连接的信号放大器，信号放大器还连接有信号采集器，所述信号采集器与所述的嵌入式控制系统连接。

进一步地，所述嵌入式控制系统包括相互连接的微处理器和LCD触摸屏。

进一步地，所述音圈电机为VCAR0105-0164-00A型音圈电机。

进一步地，所述所述硬质圆盘形振动膜的周边附着有橡胶圈。

进一步地，所述压力传感器为010KDAA5型差分硅压力传感器，所述流量仪为AWM720P1型微桥大流量传感器。

进一步地，所述微处理器（10）为基于ARM9S3C2440平台的微处理器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型基于最新的数字信号处理技术、自动控制技术和电机制造工艺等，采用振荡泵、音圈电机和电机伺服控制系统组成的振荡发生器，提高了振荡发生器的线性和稳定性，大大减少了振荡信号失真，达到在机械通气领域应用的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型所述振荡式呼吸功能监测仪的结构框图。

图2是本实用新型中的磁栅尺线性位移伺服控制系统结构框图。

图3是本实用新型中的振荡发生器在呼吸机压力波动幅度为35cmH₂O时的位移轨迹和振荡压力波形。

图4是本实用新型中的5Hz振荡信号测定的慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者和肺部影像正常患者的阻抗和电抗曲线图；（其中，左图为COPD患者，右图为肺部影像正常患者的压力、流量、阻抗和电抗曲线。△Rrs和△Xrs为阻抗和电抗的均差）。

附图标记说明：1、呼吸机，2、呼气阀，3、进气阀，4、流量仪，5、气管插管，6、呼吸力学模型，7、压力传感器，8、信号放大器，9、信号采集器，10、微处理器，11、LCD触摸屏，12、磁编码器，13、振荡泵，14、直线电机，15、电机伺服驱动器，16、磁栅尺，131、气室，132、硬质圆盘形振动膜，133、铝合金箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参阅图1、图2所示，本实用新型提供的振荡式呼吸功能监测仪，包括包括嵌入式控制系统、振荡发生器和信号采集系统，振荡发生器和信号采集系统分别连接至嵌入式控制系统；振荡发生器包括依次连接的振荡泵13、直线电机14和电机伺服控制系统，电机伺服控制系统与嵌入式控制系统相连。

本实施例中，振荡泵13连接到呼吸机1和气管插管5之间的通道上；电机伺服控制系统控制直线电机14驱动振荡泵13产生一正弦振荡气流并输出至呼吸机1和气管插管5之间的连接通道中。

上述的振荡泵13采取了类似音箱的结构，包括设有气室131的铝合金箱133，及设于气室131内的硬质圆盘形振动膜132，硬质圆盘形振动膜132周边附着橡胶圈，悬挂于箱体内，使气室131分割为前后两个密封气室，且硬质圆盘形振动膜132通过一连接杆与直线电机14连接，推动硬质圆盘形振动膜132往复运动，产生的振荡气流由前方输出口输出。并且，振荡泵13的设计一方面要求振动膜面积和位移距离足够，以分散受力面积并产生特定压强的振荡气流；另一方面应尽量缩减内部容积，降低内部气体的可压缩性，起着对抗呼吸机压力的作用。

为进一步控制电机运行，改善驱动电压与电机位移的线性关系，设置的电机伺服控制系统，包括磁编码器12、电机伺服驱动器15和磁栅尺16，电机伺服驱动器15连接于与直线电机14的输入端与嵌入式控制系统之间，且电机伺服驱动器15还经磁编码器12与磁栅尺16连接，磁栅尺16设于直线电机14的输出端连接杆处。

本实施例中，直线电机14采用VCAR0105-0164-00A型音圈电机，具有电磁系统线性运动和活塞式电机刚性结构的双重优点，最低频率响应达0.01Hz，响应速度10余毫秒，线圈定子的最大位移距离为16mm，定位精度0.1μm-5μm，最大推力105牛顿，理论上能抵抗呼吸机外加压力的影响，生成任意波形和频率的振荡气流。振荡发生器的总体设计要求不受呼吸机1压力波动的影响，运行具有线性，振荡泵13能稳定产生频率在0.1Hz～16Hz、振幅在0.5cm H₂O～2cm H₂O范围内可调的正弦振荡气流。

信号采集系统包括流量仪4及压力传感器7，分别与流量仪4、压力传感器7连接的信号放大器8，信号放大器8还连接有信号采集器9，信号采集器9与嵌入式控制系统连接。流量仪4及压力传感器7分别设于呼吸机1和气管插管5之间通道上。

本实施例中，嵌入式控制系统包括相互连接的微处理器10和LCD触摸屏11。微处理器10为基于ARM9S3C2440平台的微处理器，承担信号发生、分析计算和显示等功能，并对外部模块（电机伺服驱动器15、信号采集器9、LCD触摸屏11界面等）进行统一控制。LCD触摸屏11界面友好，可以方便地设定信号的频率和振幅，观察压力和流量的波形等；信号分析采用时域分析法，软件程序已通过了正确性和一致性验证，证明计算准确，过程如下：首先，压力和流量信号移动平均滤波（移动时间窗宽=振荡周期），滤除呼吸成分，获得振荡成分；其次，采用最优线性近似和互相干法，计算每个时刻点的呼吸总阻抗，进一步计算呼吸阻抗和电抗，获得各参数时间曲线并移动平滑滤波（移动时间窗宽＝2倍振荡周期），对信号分析过程产生的相移给予相应的时间补偿；最后，通过计算获得压力、流量、容积、阻抗和电抗等参数，以时间曲线的形式进行显示或储存。此外，在分析数据前，先计算连续16s压力和流量信号的相干函数系数r²，采用r²>0.95的信号。

上述的实施例中，压力传感器7采用010KDAA5型差分硅压力传感器，响应时间1ms，测量总误差在±2%；流量仪4采用AWM720P1型微桥大流量传感器，系统响应时间6ms，最大量程为±200L/min，测量误差在±3%，共模抑制比在50Hz时大于90dB。压力传感器7和流量仪4采集振荡压力和流量信号，经信号放大器和信号采集仪放大、低通滤波和模数转换等处理后，以数字信号形式传输至微处理器进行计算分析。

电机伺服驱动器15接收嵌入式控制系统（微处理器10）发送的实时位置信息（驱动电压）和磁编码器12反馈的实际位移信息，通过伺服三环算法，不断计算和输出控制音圈电机14的电压，驱动音圈电机14按照预设的频率和振幅运动，进而推动振荡泵13振动产生振荡气流并输出。其中，磁编码器12的反馈频率为1kHz，位移分辨率为488nm。

上述的实施例中，铝合金箱133的长×宽×高为21cm×21cm×8cm，内部容积约为3.5L；振动膜面积约为441cm²，一次振动可推出的最大气体容积约为706ml。

本实用新型设计的振荡式呼吸功能监测仪的工作原理在于：首先，可通过LCD触摸屏11设定振荡信号的频率和振幅，微处理器10生成正弦波信号发送至电机伺服驱动器15，驱动器驱动直线电机14运动，推动振荡泵13振动产生振荡气流并输出；其次，传感器采集经肺组织吸收、折射后的振荡压力和流量信号，经放大、滤波和模数转换后发送至微处理器10；最后，由微处理器10对信号自动进行分析、处理和运算，进一步显示或储存等。

本实用新型中的振荡发生器不受呼吸机压力波动的影响，直线电机14位移距离与预设值完全一致，线性关系较好，在呼吸机1最大压力波动幅度为35cm H2O时，直线电机14线圈时刻保持在静止位置并以此为中心往复运动，位移距离与预设值完全一致，符合目标正弦运动；在直线电机14线圈位移距离为0.5mm、推出气体容积为22ml的情况下，能稳定地产生振幅为1.5cm H₂O的正弦振荡气流，振荡频率在0.01Hz～16Hz范围内可调，振幅在0.5cm H₂O～2cm H₂O范围内可调，完全能满足临床对振荡频率和振幅的要求，如图3所示。

通过试验对系统测量的准确性进行验证，参见图1，被测系统包括呼吸机1和呼吸力学模型6，呼吸机1的输出端设有呼气阀2和进气阀3，气管插管5试验时插入呼吸力学模型6中。

在机械通气条件下，使用本实用新型的振荡式呼吸功能监测仪测量呼吸力学模型6的阻抗并与参照值比较，结果表明，本实用新型的系统测量准确，测量值与参照值存在线性相关，可用于预测实际阻力的大小。见表1。

表1 5Hz不同振幅的振荡信号和吸气末闭合法同时测定的模型吸气阻抗和吸气阻力的比较

注：*Person相关系数r=0.53，P＜0.05。

采用本实用新型的振荡式呼吸功能监测仪对2例机械通气患者的试验显示，慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的呼吸系统阻抗和电抗值均高于肺部正常者，电抗负值增大为著，提示存在气道阻塞，尤其是小气道的阻塞，与患者的病情相符，说明测量结果能够反映呼吸功能的变化，区分不同肺部病变的力学特征，具备临床实用性。如图4所示。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本实用新型的权利要求所描述的保护范围，都应当在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：包括嵌入式控制系统、振荡发生器和信号采集系统，所述振荡发生器和信号采集系统分别连接至嵌入式控制系统；所述振荡发生器包括依次连接的振荡泵（13）、直线电机（14）和电机伺服控制系统，所述的电机伺服控制系统与所述的嵌入式控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述振荡泵（13）包括设有气室（131）的铝合金箱（133），及设于气室（131）内的硬质圆盘形振动膜（132），该硬质圆盘形振动膜（132）使所述气室（131）分割为前后两个密封气室，且所述硬质圆盘形振动膜（132）通过一连接杆与直线电机（14）连接。

3.根据权利要求2所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述电机伺服控制系统包括磁编码器（12）、电机伺服驱动器（15）和磁栅尺（16），所述电机伺服驱动器（15）连接于与直线电机（14）的输入端与嵌入式控制系统之间，且所述电机伺服驱动器（15）还经磁编码器（12）与磁栅尺（16）连接，所述磁栅尺（16）设于直线电机（14）输出端的连接杆处。

4.根据权利要求3所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述的直线电机（14）采用音圈电机，所述振荡泵（13）产生的正弦振荡气流的频率范围为0.1Hz～16Hz，振幅范围为0.5cm H₂O～2cm H₂O。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述信号采集系统包括流量仪（4）及压力传感器（7），分别与流量仪（4）、压力传感器（7）连接的信号放大器（8），信号放大器（8）还连接有信号采集器（9），所述信号采集器（9）与所述的嵌入式控制系统连接。

6.根据权利要求5所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述嵌入式控制系统包括相互连接的微处理器（10）和LCD触摸屏（11）。

7.根据权利要求4所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述音圈电机（14）为VCAR0105-0164-00A型音圈电机。

8.根据权利要求2所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述所述硬质圆盘形振动膜（132）的周边附着有橡胶圈。

9.根据权利要求5所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于压力传感器（7）为010KDAA5型差分硅压力传感器，所述流量仪（4）为AWM720P1型微桥大流量传感器。

10.根据权利要求6所述的振荡式呼吸功能监测仪，其特征在于：所述微处理器（10）为基于ARM9S3C2440平台的微处理器。