CN203598319U - 一种基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机，其特征在于：包括鼻腔温度测量模块、单片机主控模块和电机控制模块。本实用新型通过对鼻腔温度进行精确测量，并通过测得的值实时调节呼吸机的输出工作压力的睡眠呼吸机。该呼吸机可以提高使用效率和工作效率，同时增加患者的使用舒适度，同时使用方便灵活、价格便宜。与目前市场上的呼吸机相比，成本大大降低，实现的难度也大大减小。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种医疗器械，特别涉及一种基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机。
背景技术
睡眠是最好的休息方法，一方面能保持身体健康和补充体力，另一方面可以提高工作能力。但是，患有睡眠呼吸暂停综合征的患者就无法获得睡眠带来的种种益处。睡眠呼吸暂停综合征指睡眠期间呼吸暂时停止，常常伴有睡眠缺陷、白天打盹、疲劳，以及心动过缓或心律失常和脑电图觉醒状态。目前这类病症的治疗方法主要有口腔矫治器治疗、持续正压通气治疗（呼吸机治疗）和外科手术等三类。其中呼吸机被认为是目前效果最明显，痛苦最少，最方便快捷的治疗方法。
针对越来越多患者的治疗需求，随着计算机和电子技术的快速发展，近些年来，市场上已推出不同档次的睡眠呼吸机，但此类机器一般采用价格昂贵的流量传感器、压力传感器或同时使用流量传感器和压力传感器，所以整机价格都比较高且大多数产品需要从国外进口，不易进行元器件的维修和替换，不便在国内患者中推广使用。所以设计一种检测方法简单、性价比高的睡眠呼吸机是十分必要的。
呼吸运动实际上是人体体内环境和体外环境之间气体的交换，包括吸气和呼气两个过程。这个过程是由人体的中枢系统控制肌肉有节奏地进行运动完成的。肌肉的运动引起肺内压和大气压之间产生一个压力差，这个压力克服肺通气阻力后便能实现其气体交换的功能。在固定的肺通气阻力下，促使气体流动的压力(即大气压与肺内压力差)越大，单位时间内气体流量就会越大，而在固定的气道管径下，气体的流动速度也就越大，反之亦然。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是利用鼻腔作为体内外气体交换通道之一的特点，通过检测呼吸过程中气体变化引起的鼻腔温度变化，从温度变化中得到相关的呼吸参数，经过一定的算法处理，控制呼吸机后级输出部分，输出合适的正压，以达到治疗呼吸暂停综合症的目的。
为了实现上述目的，本实用新型的技术解决方案，通过对鼻腔温度进行精确测量，并通过测得的值实时调节呼吸机的输出工作压力的睡眠呼吸机。该呼吸机可以提高使用效率和工作效率，同时增加患者的使用舒适度，同时使用方便灵活、价格便宜。
本发明采用的技术方案为：一种基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机，包括鼻腔温度测量模块、单片机主控模块和电机控制模块三大部分。鼻腔温度测量模块主要完成鼻腔温度信号的拾取、放大、滤波。测量电路中的前置放大器将温度传感器的检测信号适当放大后，送工频陷波器陷波，以防止可能出现的过强工频干扰阻塞系统放大通道。主放大器和末级放大器将信号放大，并经过滤波处理滤除基线漂移和运动伪迹等，主要包括温度传感器、差分放大电路、高通滤波器、陷波滤波器以及低通滤波器和两级放大电路等。单片机主控模块主要完成对鼻腔温度的分析处理后获得呼吸波形，流速容量曲线、呼吸气流速率、频率、峰值以及潮气量等参数值，通过对呼吸参数的综合评价，实时计算出患者需要的正压气流的压力值，根据转速压力曲线，将电机所需转速值通过串口传达给电机控制模块，同时完成采集数据的存储，实时压力值的液晶显示。电机控制模块主要完成对电机转速的控制，一方面接收主控模块的转速信号，实时调整电机的转速，另一方面将当前转速发送给主控模块，使主控模块获得电机的实时转速。通过USB接口，单片机可将实时状况传输给上位机，上位机可以显示和记录用户的使用情况、使用过程中的呼吸波形、呼吸参数，呼吸机的工作压力。
本实用新型中的鼻腔温度测量模块还可以采用数字温度传感器，则只需要直接与单片机的主控模块的I/O直接相连。
所述的传感器模块封装可以使用具有生物相容性的薄型封装材料进行密封，封装后的传感器置入鼻腔内进行温度探测。
所述的模拟温度传感器是具有负温度系数的热敏电阻。数字温度传感器是集成芯片式的温度传感器。
所述单片机主控模块采用相关的信号处理单元、波形识别单元和通信单元。
所述电机控制模块采用PID闭环控制。
本实用新型具有以下的优点和特点：
采用温度传感的方式判断当前睡眠呼吸状态，及时调整呼吸机的输出压力参数。
温度传感器采用负温度系数的热敏电阻或集成芯片式的数字温度传感器，体积小，测量精度高，价格低廉，使用方便。
单片机主控单元对获得的信号进行相关处理，通过数字滤波，保证信号的精度，使得呼吸机的输出参数更为准确，人体舒适度增加。
单片机主控单元将处理后的鼻腔温度信号值进行相关算法计算，求得呼吸波形、流速容量曲线、呼吸气流速率、频率以及潮气值等呼吸参数。
通过液晶显示模块实时显示，方便用户及时了解睡眠呼吸机的当前状态和用户实时的呼吸参数。
基于PC的上位机可对用户的使用情况、使用过程中的呼吸波形、呼吸参数，呼吸机的工作压力等进行记录，显示实时变化的曲线，对分析用户的睡眠呼吸状况提供了可靠的依据。
本发明的有益效果：本实用新型提供了一种通过对鼻腔温度进行精确测量，并通过测得的值实时调节呼吸机的输出工作压力的睡眠呼吸机。该呼吸机可以提高使用效率和工作效率，同时增加患者的使用舒适度，同时使用方便灵活、价格便宜。与目前市场上的呼吸机相比，成本大大降低，实现的难度也大大减小。
附图说明
图1是本实用新型使用模拟温度传感器的结构示意图。
图2是本实用新型使用数字温度传感器的结构示意图。
图3是本实用新型鼻腔温度测量模块的结构示意图。
图4是本实用新型的使用示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本实用新型采用模拟温度传感器的基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机，包括模拟温度传感器1、前置放大调节电路2、滤波电路3、微处理器MCU11（包括A/D转换4、串口通信10、USB接口12）、时钟模块5、液晶显示模块6、存储器模块7和电机控制模块8、电机9。模拟温度传感器1的输出与前置放大调节电路2相连，将温度信号转换为电信号后放大，放大后的电信号与滤波电路3相连接，后级与MCU11的A/D转换4相连接，将放大、滤波后的电信号转换为数字量；MCU11读取转换后的数字量，并经过数字滤波的处理，通过液晶显示模块6显示参数和数据，同时运行过程中的数据存入存储器模块7；通过MCU11的USB接口12将运行中的实时数值传输至上位机中，通过上位机软件对数据进行处理分类，实时显示呼吸波形，通过算法获得流速容量曲线、呼吸气流速率、频率以及潮气值等呼吸参数。
参见图2，本实用新型采用数字温度传感器的基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机，包括数字温度传感器14、微处理器MCU11（包括I/O15、串口通信10、USB接口12）、时钟模块5、液晶显示模块6、存储器模块7和电机控制模块8、电机9。数字温度传感器14的输出与MCU11的I/O15相连接，MCU11读取数字量，并经过算法计算处理，通过液晶显示模块6显示参数和数据，同时运行过程中的数据存入存储器模块7；通过MCU11的USB接口12将运行中的实时数值传输至上位机中，通过上位机软件对数据进行处理分类，实时显示呼吸波形，通过算法获得流速容量曲线、呼吸气流速率、频率以及潮气值等呼吸参数。
参见图3，本实用新型采用模拟温度传感器的鼻腔温度测量模块主要包括模拟温度传感器/热敏电阻1、差分放大17、高通滤波器18、一级放大19、陷波电路20以及二级放大21。模拟温度传感器/热敏电阻1为了充分利用器件的效果，同时尽可能简化外围电路等，采用LM35温度传感器或NTC型热敏电阻。LM35温度传感器LM35是电压输出型温度传感器，由于它采用内部补偿，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1／4℃的准确率。在静止温度中自身发热对测量的影响低（约0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流小，工作电压范围较宽，可在4～20V的供电电压范围内正常工作，非常省电。芯片从电源吸收的电流几乎是不变的(约50μA)，所以芯片自身几乎没有散热的问题。NTC型热敏电阻价格低廉，精度较高，使用起来更为简单。差分放大17，由于探得的呼吸信号很微弱，前置放大主要采用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能的差分放大电路。经过差分放大的信号接入后级高通滤波器18，呼吸运动幅值变化和基线漂移都会导致一个低频干扰，这种噪声一般集中在0.015Hz-0.3Hz，此处设定高通滤波器的截止频率为0.5Hz。高通滤波后的信号进行一级放大19，此时的信号中仍混有部分以差模信号方式进入电路的工频干扰，所以通过陷波电路20进行处理。处理后的信号经过二级放大21。
模拟温度传感器/热敏电阻1和数字温度传感器14需要置入用户的鼻腔，必定与人体鼻腔相接触，因此需要使用具有良好的生物相容性的材料进行密封封装，一方面防止鼻腔中的组织液等对温度传感器产生影响，另一方面避免温度传感器置入鼻腔后造成对人体组织造成损害。此处选取美国道康宁Sylgard184硅橡胶来进行封装设计，无论厚薄，混合液将固化成为具有韧性的透明弹性体，最适用于电子/电气方面的封装与灌封应用，在25～150℃的温度范围内固化，无放热现象，无需二次固化。按照相应配比，使用美国道康宁公司的Sylgard184型产品制备聚二甲基硅氧烷（PDMS），均匀涂抹在待封装的温度传感器表面，在60℃下固化成膜，完成封装。封装时要保证形状为扁平状，且表面要求光滑无棱角。
微处理器MCU11对获得的温度值的数字量进行数字滤波，计算出鼻腔内的温度，由温度变化计算出呼吸变化，由此生成呼吸波形以及相关的呼吸参数，可以通过液晶显示模块6直接显示，也可以通过USB接口12传至PC机，上位机软件对其处理后显示。同时根据呼吸波形和参数，MCU11通过一定的算法计算出用户目前需要的最合适的正压值，根据压力转速曲线计算出此时电机需要的转速，通过串口通讯10发送至电机控制模块8对电极的转速进行实时调整，最后呼吸机输出用户最适合的压力值。其中上位机的软件用微软c#语言编写，主要包括数据通信模块、数据处理模块和数据存储模块。首先接收从USB接口12处获得的实时呼吸数据，通过算法分析滤波后实时显示，分析呼吸波形，提取关键参数和信息，将其显示保存。上位机主要显示的参数包括呼吸率、吸气呼气时间比、潮气量、每分钟换气量、峰值吸入压力、稳定压力、呼气末端正向压力、平均气道压力、峰值呼气流量、峰值吸气流量、第一秒用力呼气量等。
如图4，本实用新型的工作过程是：使用时，将封装后的温度传感器置入鼻腔内，信号线引出接至鼻腔温度测量模块，该模块负责将信号放大去噪，通过模拟数字转换将其转换为数字信号，MCU对其进行处理、计算，将实时波形和参数显示在显示屏上，同时根据波形和参数计算出最适合用户当前状态的输出压力值，由转速压力曲线算得转速值，通过串口实时传输给电机控制模块，电机根据收到的转速值，利用PID闭环控制算法对电机进行调节，最终输出需要的压力值。使用过程中，可以将通过USB接口将呼吸机接至PC机上，将实时采样值传递给PC机，PC机对其进行数字滤波等操作，显示呼吸变化的连续波形。
虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在不脱离本实用新型之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本实用新型的保护范围之内。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (10)
1.一种基于鼻腔温度检测的睡眠呼吸机，其特征在于：包括鼻腔温度测量模块、单片机主控模块和电机控制模块，所述鼻腔温度测量模块完成鼻腔温度信号的拾取、放大、滤波；所述单片机主控模块完成对鼻腔温度的分析处理后获得呼吸波形，流速容量曲线、呼吸气流速率、频率、峰值以及潮气量，通过对呼吸参数的综合评价，实时计算出患者需要的正压气流的压力值，根据转速压力曲线，将电机所需转速值通过串口传达给所述电机控制模块，同时完成采集数据的存储，实时压力值的液晶显示；所述电机控制模块完成对电机转速的控制，一方面接收所述单片机主控模块的转速信号，实时调整电机的转速，另一方面将当前转速发送给所述单片机主控模块，使所述单片机主控模块获得电机的实时转速。
2.根据权利要求1所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述鼻腔温度测量模块是通过测量电路实现，所述测量电路中的前置放大器将温度传感器的检测信号适当放大后，送工频陷波器陷波，主放大器和末级放大器将信号放大，并经过滤波处理滤除基线漂移和运动伪迹。
3.根据权利要求1所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述鼻腔温度测量模块，包括温度传感器、差分放大电路、高通滤波器、陷波滤波器以及低通滤波器和两级放大电路。
4.根据权利要求1至3之一所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述鼻腔温度测量模块采用数字温度传感器，所述数字温度传感器与所述单片机主控模块的I/O直接相连。
5.根据权利要求4所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述数字温度传感器是集成芯片式的温度传感器。
6.根据权利要求5所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述传感器模块封装使用具有生物相容性的薄型封装材料进行密封。
7.根据权利要求5所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述单片机主控模块采用相关的信号处理单元、波形识别单元和通信单元；所述电机控制模块采用PID闭环控制。
8.根据权利要求1至3之一所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述鼻腔温度测量模块采用模拟温度传感器，所述模拟温度传感器是具有负温度系数的热敏电阻。
9.根据权利要求8所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述传感器模块封装使用具有生物相容性的薄型封装材料进行密封。
10.根据权利要求8所述的睡眠呼吸机，其特征在于：所述单片机主控模块采用相关的信号处理单元、波形识别单元和通信单元；所述电机控制模块采用PID闭环控制。
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