CN219963883U - 一种呼吸功能有氧训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种呼吸功能有氧训练系统，主要由主机（1）与呼吸训练器（2）两个单元组成，主机（1）与呼吸训练器（2）采用快捷接口组合。本发明的有益效果是：提供一种全新的呼吸训练器材，可选择腹式慢呼吸训练模式和阻力呼吸训练两种模式，并动态提示监测呼吸压力、呼吸节律等生理参数。与血氧监测仪交互时，可根据患者血氧值变化，提示患者进入有氧训练模式，满足了临床的多样性需求，填补了该技术领域产品空白。

Description

一种呼吸功能有氧训练系统

技术领域

本发明涉及一种呼吸功能有氧训练系统,是一种用于呼吸功能康复训练的医疗器械或康复护理产品。

背景技术

呼吸康复训练是指为保证呼吸道通畅、提高呼吸肌功能、促进排痰和痰液引流、改善肺和支气管组织血液代谢、加强气体交换效率的训练方法。现有的呼吸训练的基本方法包括缩唇训练、腹式呼吸训练、呼吸肌训练等等。通过科学的方法进行锻炼，增强呼吸肌肌力和耐力，不但可以缓解呼吸困难症状，增强运动耐力，提高生活质量，还能改善身心状态。但现有的缩唇训练、腹式呼吸训练、呼吸肌训练等技术，主要存在以下缺憾：（1）高度依赖医护人员示范教学，评价训练效果的可客观评价的生理参数较少，不利于医护人员根据患者特征以及干预效果，制定有效的呼吸训练方案。（2）常用的吹气球、阻力吸气阀等呼吸训练器具较为简陋，功能单一，训练效果较差，不能有效满足患者个性化需求。（3）呼吸训练过程中缺少血氧脉率等生理参数的动态监测，特别是长时间阻力呼吸训练过程中，患者容易缺氧，如果不及时警示或给与氧气支持，反而有损健康。为此，本发明提出了一种呼吸功能有氧训练系统，填补现有技术的不足。

发明内容

一种呼吸功能有氧训练系统，主要由主机与呼吸训练器两个单元组成，主机与呼吸训练器采用快捷接口组合；其中，主机主要由控制主板、压力传感器、呼吸诱导模块、氧气控制装置、通讯模块及人机交互界面组成；呼吸训练器主要由咬嘴或面罩、压力调节装置、测压导管及氧气输入接口组成。

所述的控制主板是基于核心处理器、存储器、信号处理器等为主体构建的集成电路，核心处理器采用单片机（MCU）或CPU。核心处理器与压力传感器、呼吸诱导模块、人机交互界面及通讯模块等模块连通工作。随着电子元器件的微型化技术不断发展，显而易见，核心处理器、压力传感器及通讯模块等元器件可以采用贴片方式集成在同一块控制主板PCB上。控制主板内还设有嵌入式软件，嵌入式软件烧录在存储器中，嵌入式软件为常规的软件程序，主要功能包括硬件驱动、程序控制及执行指令。

所述的压力传感器的测压接口与呼吸训练器的内腔连通。具体连通方式是，比如，采用气路导管，将压力传感器的测压接口与呼吸训练器的气路转接腔连通，或者，将压力传感器的测压接口与呼吸训练器的咬嘴或面罩连通。

压力传感器用于呼吸压力及呼吸节律的动态监测，压力传感器将动态监测获取的数据发送到核心处理器，核心处理器在人机交互界面显示读出监测参数，压力传感器的监测参数包括最大吸气压、平均吸气压、最大吹气压、平均吹气压及呼吸节律。

呼吸节律的识别方法是，压力传感器动态监测呼气、吸气时的压力变化，并将获取的压力参数发送给核心处理器，核心处理器计算出呼吸节律，并在人机交互界面读出呼吸节律状态。呼吸节律具体计算方式是：当压力传感器监测的压力值处于负压区间时，表示患者进入吸气态；当压力值处于正压区间时，表示患者进入呼气态；当压力处于基本稳定不变区间时，表示患者进入屏住呼吸或憋气相。

所述的呼吸诱导模块主要由呼吸节律提示文件和信息提示装置组成，其作用是，在呼吸训练过程中能给患者呼吸动作进行动态提示或示范教学，采用包括声音、图文、视频或动画方式。

优选的是，呼吸节律提示文件是采用0.1Hz的呼吸节律，并以声音、图文或动画形式表现的音频/视频文件。比如，按照0.1Hz频率（即每分钟六次的呼吸节律），录制一段音频文件，进行“吸气...，呼气...，吸气...,呼气...”循环播放的提示声音，引导患者进行特定节律的腹式慢呼吸训练。或者是，采用音频与图文结合，按照0.1Hz频率声音提示同时，结合正弦波图形进行视觉提示。

信息提示装置主要采用蜂鸣器、扬声器和液晶显示器的一种或者几种的组合，或者，当人机交互界面具有声光电提示功能时，信息提示装置与人机交互界面共用提示液晶屏、扬声器等元器件。

呼吸节律提示文件烧录在控制主板的存储器，开启腹式慢呼吸训练模式时，呼吸节律提示文件循环播放，使患者呼吸动作与呼吸节律提示文件的节律保持一致。

呼吸诱导模块与压力传感器协同工作，在腹式慢呼吸训练模式时，呼吸诱导模块给出动态的提示，诱导患者进入正确的呼吸节律的腹式慢呼吸状态；同时，压力传感器动态监测患者的呼气/吸气压力，感知患者的呼吸节律变化，并反馈给核心处理器，核心处理器动态感知患者呼吸动作是否与呼吸诱导模块给出的节律同步，如果压力传感器感知患者呼吸节律与呼吸诱导模块给出的节律不一致时，呼吸诱导模块给出提示，要求患者调整呼吸节律。比如，压力传感器感知到患者的呼吸节律低于0.1Hz时，提示患者加快呼吸节奏；反之，当患者的呼吸节律高于0.1Hz时，提示患者减缓呼吸节奏。

所述的氧气控制装置主要由氧气输入通路、流量控制器和氧气输出接口组成，氧气控制装置用于氧气流量的调节和输出控制。氧气控制装置的氧气输入通路采用气路导管与氧气源连通，氧气输出接口与呼吸训练器的内部腔体连通。在呼吸训练过程中，如果患者感觉呼吸困难，或者处于缺氧状态时，开启吸氧功能，氧气控制装置将连通的外部氧气源按照设定的氧气流量输入呼吸训练器内，使患者在呼吸训练的同时增加氧气吸入量，实现有氧训练的目的。

氧气控制装置的流量控制器可以采用手动调节的流量控制阀，包括顶针阀、球阀等；也可以采用电子控制的流量控制阀，包括电子比例阀或电磁阀；或者采用顶针阀与电磁阀地组合。流量控制器设有电子控制的流量控制阀时，氧气控制装置还能与压力传感器协同工作，压力传感器动态监测患者呼吸节律并反馈给核心处理器，核心处理器指令氧气控制装置根据呼吸节律脉冲式供氧。当患者处于吸气状态时，氧气控制装置打开氧气通路，氧气进入呼吸训练器内；当患者处于呼气状态时，氧气控制装置闭合氧气通路，节省氧气无效输出。

所述的通讯模块采用常规的蓝牙或WiFi模块，通讯模块用于主机与其他电子设备的交互或者协同工作。随着带有蓝牙或Wifi通讯的血氧监测仪的不断普及，以及氧气控制装置电子化程度的提高，氧气控制装置还能与血氧监测仪协同工作，氧气控制装置与血氧监测仪协同工作方式包括：呼吸训练过程中，血氧监测仪动态监测患者血氧饱和度变化，并通过通讯模块反馈给核心处理器，核心处理器发出干预指令，干预指令包括：当患者血氧饱和度下降时，自动打开氧气控制装置，增加氧气吸入量，进行有氧呼吸训练。

通讯模块还可以与上位机通讯，上位机包括电脑（包括一体机、平板电脑、iPad等）、手机或手持医护信息终端。比如，将主机的用户数据发送到护士站或患者手机App，进行数据交互。通讯模块与上位机通讯时，还能够将呼吸诱导模块的呼吸节律提示文件在电脑界面显示读出，增强训练的视觉听觉效果，增加舒适度。

所述的人机交互界面主要由功能键、显示屏与扬声器组成，采用声光电方式给出提示信息。功能键采用通用的触点开关制备，显示屏采用常规液晶元件，扬声器采用微型小喇叭。人机交互界面用于功能控制及信息提示，功能控制包括训练模式的切换、开始/停止键、开关机键等，信息提示包括读出呼吸节律、最大吸气压、平均吸气压、血氧饱和度值等信息。

所述的呼吸训练器的各组成部件采用医用高分子材料制备并组装而成，呼吸训练器通常为重复消毒使用或一次性使用。

呼吸训练器中设有咬嘴或面罩，咬嘴或面罩是呼吸训练时与患者呼吸道结合的部件，根据患者的不同训练需求进行选择，比如，进行阻力呼吸训练时，采用咬嘴式呼吸训练器；而进行0.1Hz腹式慢呼吸训练时，采用面罩式呼吸训练器。

呼吸训练器中设有压力调节装置，压力调节装置用于调节呼气阻力或吸气阻力大小。其调节方式是，通过调节内部气道的通径，改变气道的进出气量，形成呼气或吸气时不同的阻力值；内部气道的通径越小，呼吸阻力值越大，内部气道的通径越大，呼吸阻力值越小。

压力调节装置设置在呼吸训练器内部气道的任意一段，压力调节装置的设置方式不限，比如，压力调节装置设置在呼吸训练器内部气道的通气口，在通气口设置1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm五个小孔，分别对应140cmH₂O、78cmH₂O、50cmH₂O、15cmH₂O、6cmH₂O五个不同的阻力值，五个小孔作为调节阻力值的门控。五个小孔外周设有转盘式挡片或密封盖，根据患者个性，在五种阻力值范围内选择打开其中一个小孔，旋转挡片或开启密封盖选定一个小孔时，其他四个小孔处于封闭状态，开展阻力呼吸训练。再比如，在呼吸训练器的咬嘴内部设置硅胶薄膜片、弹簧及旋钮，通过旋钮调节弹簧松紧，分级调节咬嘴内通气通径的大小，改变呼气或吸气时的阻力。调节弹簧设置五个松紧阶梯，分别对应五个级别的阻值；调节弹簧处于一级紧缩状态时，阻力值最大；调节弹簧处于二级紧缩状态时，阻力值递减，依此类推，调节弹簧处于五级紧缩状态时，阻力值最小。

呼吸训练器中设有测压导管，测压导管一端与呼吸训练器内部气道连通，另外一端与压力传感器的测压接口连通。在呼吸训练过程中，测压导管实时传递内部气道压力的变化，压力传感器将监测获取的动态压力反馈给核心处理器。

呼吸训练器中还设有氧气输入接口，氧气输入接口与氧气控制装置的氧气输出接口连通。患者自觉呼吸困难或血氧饱和度明显下降时，打开氧气控制装置，可为患者提供氧气或采用有氧训练方式。

本发明的有益效果是：提供一种全新的呼吸训练器材，可选择腹式慢呼吸训练模式和阻力呼吸训练两种模式，并动态提示监测呼吸压力、呼吸节律等生理参数。与血氧监测仪交互时，可根据患者血氧值变化，提示患者进入有氧训练模式，满足了临床的多样性需求，填补了该技术领域产品空白。

附图说明

图1是本发明的外部结构示意图

图2是实施例1的工作原理框图

图3是实施例2的呼吸训练器（面罩式）的结构示意图

图4是实施例3的呼吸训练器（咬嘴式）的结构示意图

图中所示：主机（1）、压力传感器的测压接口（1-1）、功能键（1-2）、显示屏（1-3）、扬声器（1-4）、呼吸训练器（2）、咬嘴或面罩（2-1）、压力调节装置（2-2）、测压导管（2-3）、氧气输入接口（2-4）、气路转接腔（2-5）。

实施方式

下面结合附图和实施例具体地说明本发明

实施例1：与血氧监测仪交互的自动控制氧气输出的技术方案

本实施例制备一套能与血氧监测仪交互，在呼吸训练过程中能动态反馈血氧值变化。当血氧值降到下限阈值时，能自动控制氧气输出的产品。

1、控制主板制备：本实施例的工作原理如图1所示，主机所需的主要部件为：控制主板的核心处理器（MCU）采用型号PIC12F的单片机（ MICROCHIP公司），存储器采用型号AT24C02插件式DIP8芯片，存储容量为2Kbit；通讯模块采用ESP8266-01S串口无线WiFi/蓝牙芯片，工作电压3.3V；压力传感器型号HP107-200GS（深圳），量程0-200KPa，测量精度±0.3%Fs；人机交互界面的功能键（1-2）采用欧姆龙公司B3F 型轻触开关按钮，尺寸12*12*7.3。显示屏（1-3）采用2.9英寸LCD液晶，工作电压DC3.0V。按照常规的集成电路技术设计PCB，采用电子贴片或焊接工艺，制备控制主板。

2、氧气控制装置采用电子流量阀和微型常闭式电磁阀组合结构，电子流量阀设置在电磁阀的上游位置。电磁阀供电电压3.6V，最大工作压力0.4MPa，响应时间不大于50ms，电磁阀采用串口导联线与控制主板连接通讯。电磁阀为两口两位结构，其中一个为进气口，与氧气输入通路连接，另外一个接口与氧气输出接口连接。

3、供电电源采用TP-LINK公司生产的T090060-2A整装电源模块，输入电压AC220V50HZ，输出电压DC5.0V，供电电源与控制主板采用电源线和DC端子连接。

4、制备0.1Hz呼吸节律提示文件的制备：制作一个正弦波图形、正弦波上有一个红色小球上行和下行滚动的动画，红色小球按照0.1Hz节律滚动。红色小球上行时用语音提示患者吸气，红色小球上行时用语音提示患者呼气，红色小球滚动速度与0.1Hz呼吸节律一致（即平均每分钟6次呼吸）。0.1Hz呼吸节律提示文件制备完成后，导入在控制主板的存储器进行保存，

5、编写嵌入式控制程序，嵌入式控制程序至少应满足以下功能：

（1）设有0.1Hz慢呼吸训练和阻力呼吸训练两种模式，两种在人机交互界面的功能键（1-2）自主选择和切换。

（2）选择进入0.1Hz慢呼吸训练模式时，核心处理器调用存储器内的0.1Hz呼吸节律提示文件，动画与文字提示方式在显示屏（1-3）中读出，音频提示文件在扬声器（1-4）同步播放，教育患者进行正确的呼吸训练。

压力传感器动态监测患者呼吸节律，并反馈给核心处理器，当患者的呼吸节律发生偏离时，呼吸诱导模块给出提示，要求患者调整呼吸节律，直到与0.1Hz呼吸节律提示文件的节律基本保持一致。

（3）选择进入阻力训练模式时，压力传感器动态监测患者的呼吸压力，包括最大吸气压、平均吸气压、最大吹气压、平均吹气压。获取的压力监测参数反馈给核心处理器，并在人机交互界面显示读出。

（4）通讯模块能与带有WiFi/或蓝牙功能的血氧监测仪交互，匹配连接后，能动态获取血氧监测仪的血氧值。在呼吸训练过程中，如果患者血氧值低于设定的提示阈值时，比如血氧值低于90%时，人机交互界面给出暂停训练，或者自动打开氧气控制装置，进入有氧训练模式。

（5）进入有氧训练模式时，压力传感器能与氧气控制装置电磁阀协同工作，患者吸气时，电磁阀自动打开，患者呼气时，电磁阀自动闭合，进入脉冲式供氧状态。

（6）呼吸训练的动态监测结果，能够通过通讯模块远程发送到上位机，比如医学监护终端，或者上传到患者手机App中。

嵌入式控制程序编写完成后，烧录到单片机或存储器内，测试主机功能，如有Bug进行修改完善，直到实现本实施例提出的需求。

实施例2：一种面罩式呼吸训练器的制备举例

根据图3的结构所示，制备一种面罩式的呼吸训练器（2）。

1、分别制备面罩罩杯、压力调节装置（2-2）、氧气输入接口（2-4）、气路转接腔（2-5）的注塑模具。

面罩罩杯可分为大号、中号、小号三种规格，外形和尺寸可参考呼吸面罩。

如图3压力调节装置（2-2）的特写图所示，压力调节装置（2-2）是与气路转接腔（2-5）顶部开口吻合的密封盖，密封盖中设有5个小孔，直径分别为1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm，五个小孔的外周设有5个大小能与其孔径密闭吻合的密封塞。5个密封塞能够独立控制开启或者关闭，阻力呼吸训练时，可根据患者需要选择对应的呼吸阻力。压力调节装置（2-2）选用医用软聚氯乙烯材料，采用传统注塑工艺，制备后备用。

面罩罩杯和氧气输入接口（2-4）选用医用软聚氯乙烯材料、其他部件选用PP材料，采用传统注塑工艺，制备后备用。

2、制备测压导管（2-3）的挤出模具，导管内径3mm，外径5mm，选用医用软聚氯乙烯材料，采用传统高分子材料挤塑工艺挤出成形，分切为每段150mm短管，备用。

3、呼吸训练器（2）的组装：

（1）将面罩罩杯与气路转接腔（2-5）的右侧接口密闭连接，将氧气输入接口（2-4）与气路转接腔（2-5）的底部接口连通，将压力调节装置（2-2）安装在气路转接腔（2-5）的顶部开口，各连接部位应保持密闭、无泄漏。

（2）测压导管（2-3）的上端与面罩（2-1）罩杯固定粘接并连通。呼吸训练时，另一端与主机（1）上面的压力传感器的测压接口（1-1）接通。

实施例3：一种咬嘴式呼吸训练器的制备举例

如图4结构所示，制备一种咬嘴式呼吸训练器。

1、分别制备咬嘴、压力调节装置（2-2）、氧气输入接口（2-4）、气路转接腔（2-5）的注塑模具。

咬嘴外形为吹管形状，可分为大号、中号、小号三种规格，咬嘴采用PP材料注塑成形。

咬嘴的外周设有压力调节装置（2-2），压力调节装置（2-2）具体结构是：在咬嘴的外周设置5个小孔，直径分别为1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm，五个小孔的周边设有大小与其吻合的5个密封塞，5个密封塞能够独立控制开启或者关闭，根据患者需要选择对应的呼吸阻力。压力调节装置（2-2）选用医用软聚氯乙烯材料，采用传统注塑工艺，制备后备用。

气路转接腔（2-5）采用PP材料注塑成形，气路转接腔（2-5）的顶部设有密封盖，进行清洁时，密封盖能够打开。

氧气输入接口（2-4）、制备测压导管（2-3）制备参见实施例2。

2、根据图4结构进行组装，检查密闭性能，合格即可。

上述附图及实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施

例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中，对本发明的保护范围不构成任何限制。

Claims (5)

1.一种呼吸功能有氧训练系统，主要由主机（1）与呼吸训练器（2）两个单元组成，主机（1）与呼吸训练器（2）采用快捷接口组合；其中，主机（1）主要由控制主板、压力传感器、呼吸诱导模块、氧气控制装置、通讯模块及人机交互界面组成；呼吸训练器（2）主要由咬嘴或面罩（2-1）、压力调节装置（2-2）、测压导管（2-3）及氧气输入接口（2-4）组成；其特征在于：所述的压力传感器的测压接口与呼吸训练器（2）的内腔连通，呼吸诱导模块主要由呼吸节律提示文件和信息提示装置组成，氧气控制装置主要由氧气输入通路、流量控制器和氧气输出接口组成；呼吸训练器（2）中设有测压导管（2-3），测压导管（2-3）一端与呼吸训练器（2）内部气道连通，另外一端与压力传感器的测压接口连通；氧气输入接口（2-4）与氧气控制装置的氧气输出接口连通。

2.根据权利要求1所述的一种呼吸功能有氧训练系统，其特征还在于：压力传感器的监测参数包括最大吸气压、平均吸气压、最大吹气压、平均吹气压及呼吸节律。

3.根据权利要求1所述的一种呼吸功能有氧训练系统，其特征还在于：呼吸节律提示文件是采用0.1Hz的呼吸节律，并以声音、图文或动画形式表现的音频/视频文件。

4.根据权利要求1所述的一种呼吸功能有氧训练系统，其特征还在于：呼吸诱导模块与压力传感器协同工作，在腹式慢呼吸训练模式时，呼吸诱导模块给出动态的提示，诱导患者进入正确的呼吸节律的腹式慢呼吸状态。

5.根据权利要求1所述的一种呼吸功能有氧训练系统，其特征还在于：压力调节装置（2-2）设置在呼吸训练器（2）内部气道的通气口，在通气口设置1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm五个小孔，分别对应140cmH₂O、78cmH₂O、50cmH₂O、15cmH₂O、6cmH₂O五个不同的阻力值，五个小孔作为调节阻力值的门控。