CN203745923U - 呼吸机的通气流量的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种呼吸机的通气流量的控制系统，所述呼吸机包括涡轮和压力控制阀，所述通气流量控制系统包括：用于检测呼吸机的通气流量的流量检测器；用于检测呼吸机的气道压力的压力检测器；控制器，控制器根据呼吸机的通气流量和气道压力调节涡轮的电机的转速和压力控制阀的驱动电压以对通气流量进行控制。根据本实用新型的呼吸机的通气流量的控制系统，可以对呼吸机的通气流量进行控制，并且可以节省能源。

Description

呼吸机的通气流量的控制系统

技术领域

本实用新型涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种呼吸机的通气流量的控制系统。

背景技术

随着各种相关技术的不断成熟，基于内置涡轮的机械通气系统在诸如家用通气护理、急救转运通气甚至ICU（Intensive Care Unit,重症监护病房）中对重症患者进行通气治疗等各种场合中，得到越来越多的应用。

基于内置涡轮的机械通气系统可以统称为涡轮呼吸机，但不同品牌的涡轮呼吸机在气路结构、控制系统和压力/流量控制方法上都存在着或多或少的差异。就气路结构而言，各种涡轮呼吸机的核心结构大致可以分为三种典型结构，三种结构分别如下：

如图1所示，为一种结构的涡轮呼吸机，包括涡轮101和呼气阀102，其流量和压力控制都是通过直接调整涡轮101的转速来实现的，因此需要有精确、快速反应的转速控制系统。存在的缺点是：压力控制目标高时需要的加减速力矩很大、噪音也很大、且涡轮101驱动电机的寿命会缩短；同时这类呼吸机易于控制压力，控制流量比较困难，特别是小潮气量下的小流量精确控制很难实现。

如图2所示，为第二种结构的涡轮呼吸机，一般在一次呼吸周期内涡轮101的转速保持不变，压力控制和流量控制主要靠涡轮101下端的节流阀103调节来实现。这类呼吸机的缺点是：控制流量相对容易但控制压力比较困难，同时在人体的呼气相时，涡轮101出口几乎处于堵死状态，涡轮101的电机空转造成能量浪费，并且需要在涡轮101和节流阀103之间加入气体降温装置。

另外，如图3所示，为第三种结构的涡轮呼吸机而言，在一次呼吸周期涡轮101的转速也保持不变，压力控制通过与涡轮101并联的压力控制阀104来实现。压力控制阀104采用溢流的方式将涡轮101出口多余的流量回流到涡轮101进气端，同时保持涡轮101出口的压力几乎保持在设定的目标压力。但是这种结构的呼吸机存在三个明显的缺陷：(1)在人体的呼气相时，涡轮101输出流量很大，相应的转矩电流增大造成能量浪费；(2)在人体的呼气相时，大部分流量回流到涡轮101进口端反复进行循环流动，因此气温上升较大，需要在涡轮101后端与压力控制阀104之间加入气体降温装置；(3)此结构的呼吸机控制压力容易，控制流量非常困难，因此已经商品化的此结构的呼吸机都只是通过控制压力波形实现通气模式，没有对流量波形进行直接控制。

综上所述，三种涡轮呼吸机结构都存在着各自的优缺点，没有一种结构完美到对另外两种结构具有压倒性的优势。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

本实用新型主要针对第三种结构的涡轮呼吸机而提出，旨在解决此结构下的通气流量控制问题，同时克服此结构下呼气相涡轮高转速造成的明显能量浪费。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种呼吸机的通气流量的控制系统，该控制系统可以对呼吸机的通气流量进行控制，并且可以节省能源。

为达到上述目的，本实用新型提出一种呼吸机的通气流量的控制系统，所述呼吸机包括涡轮和压力控制阀，所述通气流量控制系统包括：用于检测所述呼吸机的通气流量的流量检测器；用于检测所述呼吸机的气道压力的压力检测器；控制器，所述控制器根据所述呼吸机的通气流量和气道压力调节所述涡轮的电机的转速和所述压力控制阀的驱动电压以对所述通气流量进行控制。

根据本实用新型的呼吸机的通气流量的控制系统，控制器根据呼吸机的通气流量和气道压力对涡轮的压力进行调节，并调节压力控制阀的驱动电压，从而实现对呼吸机的通气流量的控制。另外，通过调节涡轮的转速可以降低通气过程中的能量损耗，节约能源。

其中，所述流量检测器包括第一流量检测器和第二流量检测器，所述第一流检测器设置于所述呼吸机的吸气支路上以检测所述吸气支路的通气流量，所述第二流量检测器设置于所述呼吸机的呼气支路上以检测所述呼气支路的通气流量；所述压力检测器包括第一压力检测器和第二压力检测器，所述第一压力检测器设置于所述呼吸机的吸气支路上以检测所述吸气支路的气道压力，所述第二压力检测器设置于所述呼吸机的呼气支路上以检测所述呼气支路的气道压力。

进一步地，所述控制器进一步包括：估算模块，所述估算模块用于估算人体的呼吸力学参数和人体吸气相的气道压力；根据所述吸气相的气道压力调节所述涡轮的电机的转速的涡轮转速控制器；用于调节所述压力控制阀的驱动电压的前馈控制器和反馈控制器，其中，所述前馈控制器根据所述呼吸力学参数和目标通气流量调节所述压力控制阀的驱动电压，所述反馈控制器根据检测的所述吸气支路的通气流量与目标通气流量的误差调节所述压力控制阀的驱动电压。

另外，所述估算模块还用于根据检测的所述呼吸机的呼气支路的通气流量和气道压力估算所述呼吸力学参数，以及根据所述呼吸力学参数和所述吸气支路的目标通气流量估算所述人体吸气相的气道压力。

优选地，上述呼吸机的通气流量的控制系统还可以包括：止回阀，所述止回阀设置于所述呼吸机的吸气支路上，所述止回阀用于防止患者呼出的气体返回至所述涡轮。

其中，在本实用新型中，所述呼吸机处于容量控制通气VCV模式。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的一种具体结构的呼吸机的示意图；

图2为现有技术的另一种具体结构的呼吸机的结构示意图；

图3为现有技术的有一种具体结构的呼吸机的结构示意图；

图4为根据本实用新型实施例的呼吸机的通气流量的控制系统的示意图；

图5为根据本实用新型的一个实施例的呼吸机的通气流量的控制系统的工作流程示意图；

图6为根据本实用新型的另一个实施例的呼吸机的通气流量的控制系统的控制结果相应参数的曲线示意图；

图7为根据本实用新型的一个实施例的呼吸机的通气流量的控制系统中的涡轮的特性曲线示意图；

图8为根据本实用新型的一个具体实施例的呼吸机的通气流量的控制系统中的压力控制阀的参数的关系示意图；

图9为根据本实用新型的另一个具体实施例的呼吸机的通气流量的控制系统中的压力控制阀的参数的关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的呼吸机的通气流量的控制系统和控制方法。

如图4所示，本实用新型实施例的呼吸机包括涡轮10和压力控制阀20。本实用新型实施例的呼吸机的通气流量的控制系统包括流量检测器、压力检测器和控制器（图中未显示）。其中，流量检测器用于检测呼吸机的通气流量。压力检测器用于检测呼吸机的气道压力。控制器根据呼吸机的通气流量和气道压力调节涡轮10的电机的转速和压力控制阀20的驱动电压以对通气流量进行控制。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图4所示，流量检测器包括第一流量检测器411和第二流量检测器412，第一流检测器411设置于呼吸机的吸气支路上以检测吸气支路的通气流量，第二流量检测器412设置于呼吸机的呼气支路上以检测呼气支路的通气流量。压力检测器包括第一压力检测器421和第二压力检测器422，第一压力检测器421设置于呼吸机的吸气支路上以检测吸气支路的气道压力，第二压力检测器422设置于呼吸机的呼气支路上以检测呼气支路的气道压力。

具体地，如图4所示，低压空气由进气过滤器50进入呼吸机，到达涡轮10进口端。低压气体被旋转的涡轮10加压后从涡轮10出口端流出。涡轮10出口的一部分流量经由吸气支路通向患者。吸气支路设置的第一压力检测器421例如压力传感器和第一流量检测器411例如流量传感器分别检测吸气端压力和吸气流量。优选地，本实用新型实施例的呼吸机的通气流量的控制系统还可以包括止回阀60，止回阀60设置于呼吸机的吸气支路上，止回阀60用于防止患者呼出的气体返回至涡轮10。另外，与涡轮10并联的一个压力控制阀20在流量控制中起主要作用。压力控制阀20可以理解为一个溢流阀，当涡轮10出口压力大于压力控制阀20控制压力时，压力控制阀20的阀口打开，涡轮10出口的部分流量经由压力控制阀20所在的回流旁路回流到涡轮10进口端。因此涡轮10出口总流量等于回流流量和患者通气流量之和。患者呼出的气体经由呼气支路和呼气阀70排出到大气中。呼气阀70在吸气相处于关闭状态，在呼气相处于打开状态，对呼气阀70的控制同时保证设定的PEEP（PositiveEnd Expiratory Pressure,呼气末气道正压）。呼气支路设置的第二压力检测器422例如压力传感器和第二流量检测器412例如流量传感器分别检测呼气端压力和呼气流量。

本实用新型实施例的呼吸机的通气流量的控制系统中的呼吸机处于容量控制通气VCV模式。本实用新型实施例的核心思想是：通过调节涡轮10的速度和压力控制阀20的驱动电压，联合实现呼吸机在容量控制通气VCV（Volume Control）模式下的吸/呼气相的通气流量控制。VCV模式下吸气相的目标通气流量为方波或者是下降波，呼气相的目标通气流量为固定的基础流。

在本实用新型的另一个实施例中，控制器进一步可以包括：估算模块、涡轮转速控制器、前馈控制器和反馈控制器。其中，估算模块用于估算人体的呼吸力学参数和人体吸气相的气道压力。人体的呼吸力学参数可以包括气道阻力R和人体肺顺应力。涡轮转速控制器根据所述吸气相的气道压力调节涡轮的电机的转速，例如，在人体处于吸气相时控制涡轮10的电机的转速增加，在人体处于呼气相时控制涡轮10的电机的转速降低，以保证涡轮10的出口流量大于吸/呼气相的目标通气流量，因此实现对通气流量的粗略控制。前馈控制器和反馈控制器用于调节压力控制阀20的驱动电压，其中，前馈控制器根据呼吸力学参数和目标通气流量调节压力控制阀20的驱动电压，反馈控制器根据检测的吸气支路的通气流量与目标通气流量的误差调节压力控制阀20的驱动电压。前馈控制器和反馈控制器的输出之和作为压力控制阀20的控制信号。

具体地，如图5所示，本实用新型实施例的呼吸机的通气流量的控制系统的控制过程为：第二流量检测器412和第二压力检测器422分别检测呼吸机呼气支路中的通气流量和气道压力，因为呼吸机的呼气支路与人体的肺部接触，可以通过检测的呼吸机的呼气支路的通气流量和容量（为通气流量的积分）、气道压力来估算人体的呼吸力学参数例如气道阻力R和肺顺应性C。可以通过估算模块来估算，具体地，估算模块根据检测的呼吸机的呼气支路的通气流量和气道压力估算呼吸力学参数，进而根据呼吸力学参数和吸气支路的目标通气流量估算人体吸气相的气道压力。可以理解的是，估算的人体吸气相的气道压力为从呼吸机的吸气支路进入人体肺的目标气道压力。进而涡轮转速控制器根据吸气相的气道压力和吸气支路的目标通气流量对涡轮10的转速进行调节，设定涡轮10的转速，调节电机的驱动器的输出电压和电流以调节电机的转速，从而电机、涡轮10组合，根据气体的惯性特性控制涡轮10出口流量，即实现对吸气支路通气流量的粗略控制。另外，前馈控制器根据呼吸力学参数和吸气支路的目标通气流量输出相应的控制信号，且反馈控制器根据检测的吸气支路的通气流量与目标通气流量的误差输出控制信号，前馈控制器和反馈控制器的输出信号之和成为调节压力控制阀20的控制信号，进而根据控制信号调节压力控制阀20的驱动电压，以及根据压力控制阀20的动态特性和吸气支路的通气流量实现对涡轮10回流的精细控制。所以通过对涡轮10出口流量的粗略控制和对涡轮10回流的精细控制，可以实现对吸气支路的通气流量的控制，进而根据气路和人体肺的动态进行工作。

在本实用新型的实施例中，估计模块通过采样的气道压力、通气容量、通气流量信号估算患者的R和C。估算的R、C结合目标流量用于估算人体吸气相的气道压力。估算的气道压力被前馈控制器和涡轮转速控制器利用。

其中，估算模块对人体的呼吸力学参数和人体吸气相的气道压力的估算过程如下：

患者的呼吸力学模型一般表示为一个包含集中参数R和C的线性微分方程，如下方程：

Paw(t)-PEEP=R×Q(t)+1/C×V(t)   (1)

方程(1)中的Paw表示气道压力，PEEP表示呼气末气道正压，Q表示通气流量，V表示通气容量(即通气流量的积分)，R表示气道阻力，C表示患者肺顺应性。如果估算模块采样得到多个时刻的气压力、通气流量和通气容量，将每个采样时刻的采样值通过方程(1)，即得到一组线性方程，求解线性方程组即可得到R和C的估算值。R、C的估算方法一般采用最小二乘法，这里不再累述。

估算模块根据吸气相的目标流量和估算的R、C即可估算出吸气相每个时刻的气道压力，估算模块根据以下方程进行估算：

Paw_e(t)=R×Q_set(t)+1/C×(V(t-1)+Q_set(t)×Ts)+PEEP   (2)

V(0)=0

方程(2)中的t表示通气时刻，Paw_e表示估算的吸气相气道压力，Q_set表示吸气目标流量，V表示通气容量，0时刻的通气容量为0，Ts表示采样间隔。估算模块以式（2）估算的吸气相的气道压力的示例如图6所示的波形曲线1所示。

另外，涡轮转速控制器可以根据估算模块估算的人体吸气相的气道压力来计算涡轮10的相应的转速，涡轮转速控制器计算涡轮10转速的过程如下：

呼吸机采用的涡轮10一般是指离心式空气压缩机，因为离心式空气压缩机的工作压力一般低于15000Pa，所以也称之为通风机。其工作原理是将涡轮驱动装置即电机的输出能量(力矩和转速)转化为气体的压能(压力)和动能(流速)。涡轮10的典型静态特性如图7所示，所谓的静态特性是指涡轮转速N、涡轮出口压力P、涡轮出口通气流量Q三者之间的数学关系。此数学关系可以通过涡轮转速控制器采集多个转速、压力、流量的数据点而采用曲线拟合得到。这里假设以涡轮10的出口压力、出口流量为输入，以涡轮10的转速为输出的涡轮静态特性为：

N=K(P_out,Q_out)   (3)

其中，P_out为涡轮的出口压力，Q_out为涡轮10的出口流量。

涡轮转速控制器根据公式(3)即可得出粗略控制通气流量的设置涡轮转速，吸气相的涡轮转速可以设置为：

N_ins=K(Paw_e+Q_set×R_inp,Q_set+Q_constant)   (4)

式(4)中的K(·，·)函数即为式(3)所表示的数学关系，Paw_e表示估计的吸气相气道压力如式(2)，Q_set表示吸气目标流量，R_inp表示吸气支路的气阻，Q_contant表示一个在设置流量上附加的固定流量以保证涡轮出口流量总大于所需的目标通气流量。

同理，呼气相的涡轮转速可以设置为：

N_exp=K(PEEP+Q_base×R_inp,Q_base+Q_constant)   (5)

式(5)中的Q_base表示呼气相的基础流，其它变量如前所述。

涡轮转速控制器以式(4)和式(5)计算的涡轮转速实例如图6中的波形曲线3所示。

另外，在本实用新型的一个实施例中，前馈控制器和反馈控制器对压力控制阀20驱动电压的调节以控制涡轮10回流的过程如下：

压力控制阀20采用溢流的方式控制呼吸气道内的压力，当涡轮10输出口的压力大于压力控制阀20溢流压力时就会有部分涡轮10输出流量回流到涡轮10进口端，从而使涡轮10输出口压力几乎保持与压力控制阀20溢流压力相等，因此气道压力也几乎保持与压力控制阀20溢流压力相等。所以，压力控制阀20控制通气压力相对而言很容易，但是控制通气流量就比较困难。在本实用新型的实施例中，压力控制阀20的静态特性如图8所示。在图8中，表示当压力控制阀20的驱动电压固定时，控制的溢流压力会随回流的增大而略微增高，图9为压力控制阀20的控制压力与其驱动电压的关系图，表示当回流流量固定时，压力控制阀20控制的溢流压力P与驱动电压U(或电流)成线性关系，满足U=K×P+b，其中，U为驱动电压，P为控制压力，K为系数，b为偏移量。

前馈控制器根据压力控制阀20的静态特性获取的吸/呼气相的压力控制阀20前馈控制量为：

U_{feedforward_ins}=k_valve×Paw_e+b_valve   (6)

U_{feedforward_exp}=k_valve×PEEP+b_valve

式(6)中的k_valve和b_valve为压力控制阀20的特性参数，它们可以通过阀校验而得到。

另外，反馈控制器可以为常规的PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制器，即通过流量误差的比例、积分和微分综合得到控制量，可以形式化为U_feedback=PID(Q_err)。实际应用中的PID参数可以根据患者呼吸力学R、C参数进行优化处理，如当R大时增大误差积分常数，R小时减小误差积分常数。

总的压力控制控阀20的驱动电压为前馈控制器输出与反馈控制器输出之和，即

U_valve=U_feedforward+U_feedback   (7)

以式(7)计算的压力控制阀20的驱动电压实例如图6中的波形曲线4所示。实际的通气流量控制效果如图6中的波形曲线2所示。

需要说明的是，在本实用新型实施例中通过涡轮转速控制器对涡轮10的转速进行调节实现通气流量的粗略控制，并且同时降低通气中的能量损耗，但是，实际中在进行小潮量控制或者涡轮10的转速不高时可以不进行涡轮转速的调节。

另外，实际中当气道阻力很小或气道阻力很大或气道压力很高等情况时，可能会发生流量抖动的不稳定现象，这时可以考虑改进压力控制阀20的机械结构以提高其动态特性，或者考虑在压力控制阀20结构中加入一个阀芯速度反馈装置，将阀芯速度反馈信号加入到控制算法中可以解决极端情况下流量抖动的问题。

综上所述，根据本实用新型实施例的呼吸机的通气流量的控制系统，控制器根据呼吸机的通气流量和气道压力对涡轮的压力进行调节，并调节压力控制阀的驱动电压，从而实现对呼吸机的通气流量的控制。另外，通过调节涡轮的转速可以降低通气过程中的能量损耗，节约能源。

在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种呼吸机的通气流量的控制系统，其特征在于，所述呼吸机包括涡轮和压力控制阀，所述通气流量控制系统包括：

用于检测所述呼吸机的通气流量的流量检测器；

用于检测所述呼吸机的气道压力的压力检测器；

控制器，所述控制器根据所述呼吸机的通气流量和气道压力调节所述涡轮的电机的转速和所述压力控制阀的驱动电压以对所述通气流量进行控制。

2.如权利要求1所述的呼吸机的通气流量的控制系统，其特征在于，

所述流量检测器包括第一流量检测器和第二流量检测器，所述第一流检测器设置于所述呼吸机的吸气支路上以检测所述吸气支路的通气流量，所述第二流量检测器设置于所述呼吸机的呼气支路上以检测所述呼气支路的通气流量；

所述压力检测器包括第一压力检测器和第二压力检测器，所述第一压力检测器设置于所述呼吸机的吸气支路上以检测所述吸气支路的气道压力，所述第二压力检测器设置于所述呼吸机的呼气支路上以检测所述呼气支路的气道压力。

3.如权利要求2所述的呼吸机的通气流量的控制系统，其特征在于，所述控制器进一步包括：

估算模块，所述估算模块用于估算人体的呼吸力学参数和人体吸气相的气道压力；

根据所述吸气相的气道压力调节所述涡轮的电机的转速的涡轮转速控制器；

用于调节所述压力控制阀的驱动电压的前馈控制器和反馈控制器，其中，所述前馈控制器根据所述呼吸力学参数和目标通气流量调节所述压力控制阀的驱动电压，所述反馈控制器根据检测的所述吸气支路的通气流量与目标通气流量的误差以及调节所述压力控制阀的驱动电压。

4.如权利要求3所述的呼吸机的通气流量的控制系统，其特征在于，所述估算模块还用于根据检测的所述呼吸机的呼气支路的通气流量和气道压力估算所述呼吸力学参数，以及根据所述呼吸力学参数和所述吸气支路的目标通气流量估算所述人体吸气相的气道压力。

5.如权利要求1所述的呼吸机的通气流量的控制系统，其特征在于，还包括：

止回阀，所述止回阀设置于所述呼吸机的吸气支路上，所述止回阀用于防止患者呼出的气体返回至所述涡轮。

6.如权利要求1～5任一项所述的呼吸机的通气流量的控制系统，其特征在于，所述呼吸机处于容量控制通气VCV模式。