KR102132533B1 - 인공 호흡기 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 인공 호흡기 및 그 제어 방법은 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)의 구동 신호를 발생하는 중앙처리장치(50)에 하드웨어 가속기를 포함함으로써, 중앙처리장치(50)의 부하를 크게 감소시킬 수 있고, 신속한 작업 수행이 가능하며, 작업의 효율성이 크게 향상되는 효과가 있다. 또한 인공 호흡기의 내구성 및 제품의 대한 신뢰성을 더욱 향상할 수 있게 된다.

Description

인공 호흡기 및 그 제어 방법{ Medical Ventilator and Method for Driving thereof }
본 발명은 인공 호흡기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인공 호흡기를 제어하는 중앙처리장치에 하드웨어 가속기를 포함함으로써 상기 중앙처리장치의 처리속도를 증가하며 메모리 공간을 절약하기 위한 인공 호흡기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 교통사고 및 각종 재난·사고가 늘어나고, 폐암 등의 발병율이 증가함에 따라 병원에서 인공호흡장치의 수요가 늘어나고 있다. 또한, 고령의 임산부로 인해 미숙아의 탄생율이 증가함에 따라 특별한 사고를 당하지 않고도 인공 호흡기의 도움을 받아 생명을 유지하고 있는 미숙아들이 늘어나고 있다.
이러한 미숙아의 경우 기존의 인공 호흡기를 통해 급격히 등락하는 계단함수 압력 파형의 공기를 주입하면, 흡기 및 배기 공기의 흐름(압력 또는 유속)이 급격히 변화함으로써 후술할 에어 트래핑(Air Trapping) 현상 및 환기(또는 호흡)를 저해하는 다양한 동적 특성(Dynamic Characteristic)이 발생하여, 폐간질 기종이 나타날 수 있으며 그로 인한 사망율이 증가하는 것으로 알려지고 있다.
따라서 최근에는 신생아 또는 미숙아에는 고주파 인공 호흡기(high Frequency Ventilator)가 적용되고 있고, 이러한 고주파 인공 호흡기는 실제 사람의 호흡보다 짧은 주파수의 공기를 다수 회 주입함으로써 폐포의 확대 수축 없이 폐의 환기를 시키기 위한 장치이다.
즉, 신생아 또는 미숙아에 적용되는 고주파 인공 호흡기의 경우 인공 폐 표면 활성제를 투여한 후 환기는 이루어지나 혈액은 흐르지 않는 폐포 발생하는 폐의 사강(Dead Space) 보다 작은 환기량으로 과호흡함으로써, 호흡전 주기 동안 폐 용적이 일정하게 유지되어 폐의 손상이 최소화된다.
이러한 인공 호흡기 관련 종래기술로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0100220호(2012. 09. 12.)에는 기존 인공 호흡기를 이용하여 나이 및 신체크기의 변화가 다양해 다양한 범위의 환기량의 제공이 필요한 소아 및 청소년 환자들을 위해 인공호흡을 제공하는 의료진이 좀 더 정확한 목표 일회호흡량을 줄 수 있는 정확히 수동식 인공 호흡기가 제시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0089490호(2018. 08. 08.)에는 호흡 가스 운반 유닛; 호흡 가스의 체적 유량을 검출하기 위한 적어도 하나의 체적 유량 센서; 호흡 가스의 이산화탄소 농도를 검출하기 위한 적어도 하나의 호흡 가스 센서; 호흡 가스의 압력을 검출하기 위한 적어도 하나의 압력 센서; 및 적어도 하나의 컴퓨팅 유닛을 가지며, 여기서 컴퓨팅 유닛은 검출된 압력 및 미리 정해진 세트 압력 값에 따라 호흡 가스 운반 유닛을 제어하도록 설계되는 인공 호흡기가 제시되어 있다.
그런데, 상기와 같은 인공 호흡기는 연결된 중앙처리장치에 의해 제어를 하게 되는 바, 상기 중앙처리장치에서 소정의 프로세싱이 시작되면, 메모리에 토큰이 저장되고, 파싱이 완료되게 된다. 그런데 중앙처리장치에서 데이터의 파싱은 많은 반복과 이러한 반복을 위해 많은 메모리 액세스를 필요로 하게 되고, 이에 따라 중앙처리장치의 과부하에 대한 문제가 발생하게 된다.
이에 따라 인공 호흡기의 전반적인 성능향상을 기대할 수 없기 때문에 추가 및 부가 기능을 유연하게 구현하지 못하는 문제점을 갖는다. 따라서, 인공 호흡기에 구비되는 중앙처리장치의 부하를 감소시키면서, 추가기능 또는 부가기능을 하드웨어적으로 수행할 수 있는 인공 호흡기의 중앙처리장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 생체 정보를 기반으로 구동 신호를 생성하여 흡기조절밸브 및 호기말양압밸브를 제어함으로써 환자에게 혼합 가스를 공급하는 인공 호흡기의 중앙처리장치(50)에 하드웨어 가속기를 구비함으로써 데이터 처리속도가 향상되어 신속한 작업 수행이 가능하며, 또한 메모리의 공간을 절약함으로써 작업의 효율성이 크게 향상되는 인공 호흡기에 관한 것이다. 이에 따라 내구성 및 제품의 대한 신뢰성을 더욱 향상할 수 있는 인공 호흡기 및 그 제어 방법을 제공하고자 함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 인공 호흡기는, 환자에게 제공되어지는 혼합 가스의 유속 및 유압을 조절하여 환자의 폐로 공급하는 흡기조절밸브(11)와; 환자의 폐로부터 배출된 배기 가스의 유속 및 유압을 조절하여 배기 가스를 외부로 배출하는 호기말양압밸브(31);를 포함하고, 환자의 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 토대로 인공 호흡 모드에 대응되는 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호를 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하기 위한 하드웨어 가속기를 구비하는 중앙처리장치(50)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 중앙처리장치(50) 내에 위치하는 하드웨어 가속기는 PIM(Process in memory) 연산을 수행하고 동작을 완료하는 것이 바람직하며, 상기 중앙처리장치(50)은 폐포의 확대 축소없이 혼합 가스 내의 산소를 이산화탄소로 교환하는 폐의 환기를 발생하기 위한 제1 구동 신호를 생성하여 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하는 제1 인공 호흡 모드로 설정하는 것이 바람직하며, 또한 상기 중앙처리장치(50)은 폐포의 확대 및 축소 없이 폐의 환기를 소정 시간 발생하고, 상기 소정 시간 경과 후 폐포의 축소로 폐의 배기가스를 외부로 배출하는 제2 구동 신호를 생성하여 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하는 제2 인공 호흡 모드로 설정되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 중앙처리장치(50)은 상기 제2 구동 신호를 호기말양압밸브(31)로 제공하여 상기 설정 시간 동안 폐의 배기가스를 외부로 배출하고, 상기 설정 시간 동안 상기 흡기조절밸브의 제어를 금지하도록 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 인공호흡기의 제어 방법은 환자의 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 토대로 인공 호흡기에 대한 인공 호흡 모드를 설정하는 모드 설정 단계; 기 설정된 일반인의 호흡량보다 작은 크기의 진폭의 호흡량과 기 설정된 일반인의 호흡 주기 보다 짧은 고주파 호흡 주기의 제1 구동 신호로 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)를 기 설정된 소정 시간 동안 제어하여 폐의 축소 및 확대없이 폐포의 환기를 발생하는 제1 호흡 모드 실행 단계; 상기 소정 시간 경과 후 기 설정된 임계치 이하의 제2 구동 신호로 호기말양압밸브(31)를 설정 시간 동안 제어하여 폐의 축소를 통해 배기 가스를 외부로 배출하는 제2 호흡 모드 실행 단계; 및 상기 제1 호흡 모드 실행 단계 및 제2 호흡 모드 실행 단계를 실행하기 위한 구동 신호를 생성하기 위하여 중앙 연산 장치 내에 내장된 하드웨어 가속기에서 PIM(Process in memory) 연산을 수행하여 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 인공 호흡기 및 그 제어 방법은, 하드웨어 가속기를 포함하는 중앙처리장치를 구비함으로써, 데이터 처리속도가 향상되어 신속한 작업 수행이 가능하며, 또한 메모리의 공간을 절약함으로써 작업의 효율성이 크게 향상되는 인공 호흡기에 관한 것이다. 이에 따라 인공 호흡기의 내구성 및 제품의 대한 신뢰성을 더욱 향상할 수 있는 효과를 갖고, 또한 인공 호흡기에 대한 내구성 및 제품의 대한 신뢰성을 더욱 향상할 수 있는 잇점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 호흡기의 구성을 나타내는 모식도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하드웨어 가속기를 포함하는 중앙처리장치(50)를 나타내는 모식도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중앙처리장치(50)와 하드웨어 가속기 간 동작에 따른 특징을 설명하는 모식도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실험예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실험예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
이하, 본 발명에 따른 인공 호흡기 및 그 제어 방법에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 호흡기의 구성을 보인 모식도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하드웨어 가속기를 포함하는 중앙처리장치(50)를 나타내는 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중앙처리장치(50)와 하드웨어 가속기 간 동작에 따른 특징을 설명하는 모식도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공 호흡기의 구성을 보인 모식도이다. 본 발명에 따른 인공 호흡기는, 기 설정된 일반인의 호흡량 보다 작은 진폭의 호흡량과 기 설정된 일반인의 호흡 주기보다 짧은 고주파 호흡 주기를 가지는 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호에 따라 상기 흡기조절밸브 및 호기말양압밸브(31)에 제공하여 폐의 축소 및 확대 없이 폐의 환기를 발생하도록 구비되며, 이러한 인공호흡기는, 흡기관(11), 흡기조절밸브(13), 흡기조절밸브 구동부(15), 배기관(31), 호기말양압밸브(33), 호기말양압밸브 구동부(35), 및 중앙처리장치(50)를 포함한다.
본 발명의 인공 호흡기는, 환자에게 제공되어지는 혼합 가스의 유속 및 유압을 조절하여 환자의 폐로 공급하는 흡기조절밸브(11)와, 환자의 폐로부터 배출된 배기 가스의 유속 및 유압을 조절하여 배기 가스를 외부로 배출하는 호기말양압밸브(31);를 포함하고, 또한 환자의 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 토대로 인공 호흡 모드에 대응되는 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호를 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하기 위한 하드웨어 가속기를 포함하는 중앙처리장치(50)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 중앙처리장치(50)에 구비되는 하드웨어 가속기는 중앙처리장치(50)로부터 별도로 가속을 수행하는 하드웨어를 가리키며, 하드웨어 가속(Hardware acceleration)은 컴퓨팅에서 일부 기능을 중앙처리장치(50)에서 구동하는 소프트웨어 방식보다 더 빠르게 수행할 수 있는 하드웨어의 사용을 나타낸다.
상기 하드웨어 가속기는 일반적으로 분리된 연산 장치와 메모리 공간을 가지고 있다. 상기 하드웨어 가속기를 동작시킬 때에는 하드웨어 가속기에서 사용할 데이터를 DMA(Direct memory access)를 통해 주 메모리로부터 하드웨어 가속기 내부 메모리로 전송한다. 또한, 가속기 동작이 끝나면 DMA를 통해 결과 데이터를 가속기 내부 메모리에서 주 메모리로 전송하게 된다.
한편, 운영체제는 프로세서(Processor)마다 독립적인 가상 메모리 공간을 할당한다. 이를 통해 물리 주소가 연속이 아니더라도 연속된 공간인 것처럼 사용할 수 있다. 프로세서가 가상 주소를 요청하면 TLB(Translation Look-ahead Buffer)에서 그 주소를 물리 주소로 확보하여 메모리 액세스가 이루어지는데, 하드웨어 가속기는 TLB에 접근할 수 없기 때문에 물리 주소를 이용하여 동작해야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 중앙처리장치(50) 내에 위치하는 하드웨어 가속기는 PIM(Processor in memory) 연산을 수행하고 동작을 완료하는 것을 특징으로 한다. 기존에는 프로세서와 메모리 기능이 완전히 분리돼 둘 사이에 정보가 오가는 과정에서 병목 현상이 잦았다. PIM 연산을 활용하면 메인 프로세서에 연산 작업이 몰려 과부하가 생기는 일이 없어지고, 프로세서와 메모리 간 정보 병목현상이 사라져 처리 속도가 빨라진다
상기 인공 호흡기에 구비되는 흡기조절밸브(13)는 흡기관(11)의 소정 위치에 설치되어 실린더를 통해 혼합 가스를 폐로 주입하며, 호기말양압밸브(33)는 폐로부터 배출된 배기 가스를 외부로 배출하는 기능을 한다.
상기 흡기조절밸브(13)는 흡기관(11)의 혼합 가스의 유속 및 유압을 제공받은 중앙처리장치(50)로부터 공급되는 구동 신호에 따라 동작하여 혼합 가스의 유속을 단속하도록 구비된다. 그리고, 상기 배기관(31)은, 폐로부터 배출되는 배기 가스를 외부로 도출하는 관으로서, 배기관(31)의 내부 소정 영역에 배기 가스의 유속 및 유압을 검출하여 중앙처리장치(50)로 제공하도록 구비된다. 상기 호기말양압밸브(33)는 상기 배기관(31)으로부터 공급되는 배기 가스의 유속 및 유압을 제공받은 중앙처리장치(50)로부터 공급되는 구동 신호에 따라 동작하여 배기 가스의 유속을 단속하도록 구비된다.
여기서, 상기 중앙처리장치(50)은 외부로부터 공급되는 폐에 대한 생체 정보를 토대로 상기 흡기조절밸브(13) 및 호기말양압밸브(33)의 구동을 제어하기 위한 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호는 흡기조절밸브 구동부(15) 및 호기말양압밸브 구동부(35)에 제공된다.
상기 구동 신호를 수신한 흡기조절밸브 구동부(15) 및 호기말양압밸브 구동부(35)는 제공받은 구동 신호에 따라 흡기조절밸브(13) 및 호기말양압밸브(33)를 구동하게 된다.
즉, 중앙처리장치(50)은 외부로부터 공급되는 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 통해 폐의 기능이 미숙한 신생아 또는 흉부 수술 환자인 경우 제1 고빈도 호흡 모드를 설정한다. 여기서 상기 제1 고빈도 호흡 모드는 폐포의 확대 축소없이 혼합 가스 내의 산소를 이산화탄소로 교환하는 폐의 환기를 발생하는 호흡 방식으로서, 기 설정된 일반인의 호흡보다 작은 크기의 진폭의 호흡량과 기 설정된 일반인의 호흡 주기보다 짧은 고주파 호흡 주기의 구동 신호가 생성되고, 생성된 구동 신호는 흡기조절밸브 구동부(15) 및 호기말양압밸브 구동부(35)를 통해 흡기조절밸브(13) 및 호기말양압밸브(33)를 구동하게 된다.
바람직하게 상기 인공 호흡기에 구비되는 중앙처리장치(50)은 폐포의 확대 축소없이 혼합 가스 내의 산소를 이산화탄소로 교환하는 폐의 환기를 발생하기 위한 구동 신호를 생성하여 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 중앙처리장치(50)은 환자의 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 토대로 고빈도 호흡 모드에 대응되는 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호를 상기 흡기조절밸브(13) 및 호기말양압밸브(33)로 제공하는 기능을 수행한다.
또한 본 발명에서 중앙처리장치(50)는, 폐포의 확대 및 축소 없이 폐의 환기를 소정 시간 발생하고, 상기 소정 시간 경과 후 폐포의 축소로 폐의 배기가스를 외부로 배출하는 구동 신호를 생성하여 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하는 제2 인공 호흡 모드로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 중앙처리장치(50)은 상기 제2 구동 신호를 호기말양압밸브(31)로 제공하여 상기 설정 시간 동안 폐의 배기 가스를 외부로 배출하고, 상기 설정 시간 동안 상기 흡기조절밸브(11)의 제어를 금지하도록 구비되는 것도 가능하다.
본 발명의 중앙처리장치(50)에 구비되는 하드웨어 가속기를 도 2를 통해 설명한다. 상기 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하드웨어 가속기를 포함하는 중앙처리장치(50)를 나타내는 모식도이다.
일반적으로, 프로세서(processor)가 연산을 수행하다가 하드웨어 가속기를 호출할 때에는, 하드웨어 가속기가 접근할 수 있는 전용 메모리 공간으로 작업 집합(working set)을 복제해야 한다. 이 과정은 하드웨어 가속기를 처음 호출하기까지의 지연 시간이 길어질 뿐만 아니라, 또한 동일한 데이터가 주 메모리와 하드웨어 가속기 전용 메모리에 중복하여 존재하게 되므로, 메모리 공간이 낭비된다.
그러나, 중앙처리장치(50)는 하드웨어 가속기를 이용하여 메모리 자원의 낭비를 줄일 수 있다. 즉, 도 2에서 보는 바와 같이, 프로세서는 상기 하드웨어 가속기가 중앙처리장치(50)에 위치함으로써, 하드웨어 가속을 위한 동작을 수행하는데 있어 프로세서와 메모리의 저장 공간을 공유할 수 있다. 다시 말해, 프로세서와 하드웨어 가속기가 주 메모리를 완전히 공유하기 때문에 하드웨어 가속기의 전용 메모리 공간으로 작업 집합(working set)을 복제할 필요가 없다. 따라서, 하드웨어 가속기의 호출 지연 시간이 짧아지고, 메모리 자원 낭비를 없앨 수 있다.
일반적인 하드웨어 가속기를 사용하는 중앙처리장치(50)에서는 연산을 수행하는 도중에 하드웨어 가속기 호출 API(Application programming interface)를 구동할 수 있다. 이 경우에 DMA가 주 메모리에서 하드웨어 가속기 메모리로 데이터를 전송해야만 하드웨어 가속기가 관련 연산을 수행한다. 또한, DMA는 하드웨어 가속기 메모리에서 주 메모리로 데이터를 전송하여 하드웨어 가속기의 동작을 완료할 수 있도록 한다.
이러한 과정들은 프로세서가 연산을 수행하다가 하드웨어 가속기를 호출할 때에 하드웨어 가속기가 접근할 수 있는 전용 메모리 공간으로 작업 집합(working set)을 복제해야 하며, 이 과정은 하드웨어 가속기를 처음 호출하기까지의 지연 시간이 길어지게 만든다. 또한 동일한 데이터가 주 메모리와 하드웨어 가속기 전용 메모리에 중복하여 존재하게 되므로, 메모리 공간이 낭비된다
그러나, 본 발명에 따른 하드웨어 가속기를 포함하는 중앙처리장치(50)를 활용하는 경우, 프로세서에서 호출 API가 구동되는 경우 메인메모리 내에 위치하는 하드웨어 가속기는 PIM(processing in memory) 연산을 수행하고 동작을 완료하는 동작 만으로 기존 하드웨어 가속기의 동작을 구현할 수 있다. 결국, 하드웨어 가속기가 접근할 수 있는 전용 메모리 공간으로 작업 집합(working set)을 복제할 필요가 없어 하드웨어 가속기를 처음 호출하기까지의 지연 시간을 줄일 수 있다. 또한 동일한 데이터가 주 메모리와 하드웨어 가속기 전용 메모리에 중복하여 존재하지 않기 때문에 메모리 공간의 낭비도 예방할 수 있다.
도 3은 중앙처리장치(50)와 하드웨어 가속기 간 동작에 따른 특징을 설명하는 모식도이다. 즉, 도 3과 같이 프로세서는 하드웨어적으로 구현되어 있는 Interrupt Signal을 통하여, 프로세서의 동작 도중에 경고(alarm)을 받을 수 있다. 이때, 프로세서는 진행 중인 Thread를 잠시 중단하고 해당 Interrupt에 부합하는 Interrupt Service Routine (ISR) 을 수행하며, ISR 수행이 완료되었을 때, 이전에 실행중이였던 Thread로 다시 돌아가서 동작을 수행한다.
상기 도 2와 같이, 하드웨어 가속기는 Peripheral 로서 배치 수 있으며, 하드웨어 가속기에 해당하는 Address를 가지게 된다. 프로세서(Processor)는 해당 Address에 접근하는 방법으로 하드웨어 가속기를 동작시킬 수 있다.
해당 하드웨어 가속기가 주어진 연산을 수행하는 동안 프로세서는 독립적으로 다른 Task를 수행할 수 있다. 하드웨어 가속기의 연산이 모두 완료 되었을 때 도 3와 같이 Interrupt signal을 통하여 프로세서(Processor)에 연산완료를 알린다.
이때, 프로세서는 수행하던 Thread를 잠시 중단하며, 해당 가속기 interrupt Service Routine에 해당하는 Function을 발생시켜 연산된 결과값을 Read한 후에 중단한 Thread를 이어서 수행하게 된다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 인공 호흡기의 제어 방법은, 환자의 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 토대로 인공 호흡기에 대한 인공 호흡 모드를 설정하는 모드 설정 단계; 기 설정된 일반인의 호흡량보다 작은 크기의 진폭의 호흡량과 기 설정된 일반인의 호흡 주기 보다 짧은 고주파 호흡 주기의 제1 구동 신호로 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)를 기 설정된 소정 시간 동안 제어하여 폐의 축소 및 확대없이 폐포의 환기를 발생하는 제1 호흡 모드 실행 단계; 상기 소정 시간 경과 후 기 설정된 임계치 이하의 제2 구동 신호로 호기말양압밸브(31)를 설정 시간 동안 제어하여 폐의 축소를 통해 배기 가스를 외부로 배출하는 제2 호흡 모드 실행 단계; 및 상기 제1 호흡 모드 실행 단계 및 제2 호흡 모드 실행 단계를 실행하기 위한 구동 신호를 생성하기 위하여 중앙처리장치(50) 내에 내장된 하드웨어 가속기에서 PIM(Process in memory) 연산을 수행하여 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명에 따른 인공호흡기의 제어 과정을 살펴보면, 우선, 상기 중앙처리장치(50)는 상기 모드 설정 단계에서 외부로부터 공급되는 환자의 폐에 대한 생체 정보를 수신하고, 수신된 생체 정보를 토대로 인공 호흡 모드를 설정한다.
이어 기 설정된 일반인 호흡량 보다 작은 진폭의 호흡량과 일반인 호흡 주기 보다 짧은 고주파 호흡 주기의 제1 구동 신호를 생성하여 흡기조절밸브 구동부(15) 및 호기말양압밸브 구동부(35)에 송신함으로써 흡기조절밸브(13) 및 호기말양압밸브(33)를 제어하게 된다. 상기 제1 구동 신호는 기 설정된 일반인 호흡량 보다 작은 진폭의 호흡량과 일반인 호흡 주기 보다 짧은 고주파 호흡 주기로 생성되며, 이에 따라 환자의 폐는 확대 및 축소 없이 혼합 가스의 산소가 이산화탄소로 교환되어 환기되는 제1 호흡 모드 실행 단계;를 수행하게 된다.
상기와 같은. 제1 호흡 모드 실행 단계에 따라 폐는 확대 및 축소 없이 혼합 가스의 산소가 이산화탄소로 교환되어 환기된다.
이 후 중앙처리장치(50)는 소정 시간이 경과한 후, 기 설정된 임계치 이하의 제2 구동 신호를 발생하여, 상기 제2 구동 신호를 호기말양압밸브 구동부(35)로 전송하게 된다. 상기 제2 구동 시호를 수신한 호기말양압밸브 구동부(35)는 호기말양압밸브(31)를 설정 시간 동안 제어하여 폐의 축소를 통해 배기 가스를 외부로 배출하는 제2 호흡 모드 실행 단계를 수행한다.
그리고 상기 제1 호흡 모드 실행 단계 및 제2 호흡 모드 실행 단계를 실행하기 위한 구동 신호를 생성하기 위하여 중앙처리장치(50) 내에 내장된 하드웨어 가속기에서 PIM(Process in memory) 연산을 수행하여 구동 신호를 생성하는 구동 신호 생성 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 중앙처리장치(50) 내에 내장된 하드웨어 가속기에서 PIM(Process in memory) 연산을 수행하여 구동 신호를 생성하여 인공호흡기를 제어하게 되면, 기존의 프로세서와 메모리 기능이 완전히 분리돼 둘 사이에 정보가 오가는 과정에서 병목 현상을 제거함으로써 메인 프로세서에 연산 작업이 몰려 과부하가 생기는 일이 없어지게 되어 처리 속도가 빨라지게 된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 인공 호흡기의 중앙처리장치(50)에 구비되는 하드웨어 가속기에 의해 환자의 생체 신호의 분석을 통한 구동 신호를 생성하여 흡기조절밸브(130) 및 호기말양압밸브(33)로 공급함에 따라, 인공 호흡기에 대한 내구성 및 제품의 대한 신뢰성을 더욱 향상할 수 있게 된다.
또한 인공 호흡기 및 그 제어 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
11: 흡기관
50 : 중앙처리장치
31 : 배기관
33 : 호기말양압밸브
13 : 흡기조절밸브

Claims (6)

  1. 환자에게 제공되어지는 혼합 가스의 유속 및 유압을 조절하여 환자의 폐로 공급하는 흡기조절밸브(11)와;
    환자의 폐로부터 배출된 배기 가스의 유속 및 유압을 조절하여 배기 가스를 외부로 배출하는 호기말양압밸브(31);를 포함하고,
    환자의 폐포의 구조적 특성에 대한 생체 정보를 토대로 인공 호흡 모드에 대응되는 구동 신호를 생성하고 생성된 구동 신호를 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하기 위한 하드웨어 가속기를 구비하는 중앙처리장치(50)을 포함하되,
    상기 하드웨어 가속기는 PIM(Process in memory) 연산을 수행하여 상기 구동 신호를 생성하고, 또한 프로세서와 주 메모리를 공유하는 것을 특징으로 하는 인공 호흡기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중앙처리장치(50)은 폐포의 확대 축소없이 혼합 가스 내의 산소를 이산화탄소로 교환하는 폐의 환기를 발생하기 위한 제1 구동 신호를 생성하여 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하는 제1 인공 호흡 모드로 설정하는 것을 특징으로 하는 인공 호흡기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 중앙처리장치(50)은 폐포의 확대 및 축소 없이 폐의 환기를 소정 시간 발생하고, 상기 소정 시간 경과 후 폐포의 축소로 폐의 배기가스를 외부로 배출하는 제2 구동 신호를 생성하여 상기 흡기조절밸브(11) 및 호기말양압밸브(31)로 제공하는 제2 인공 호흡 모드로 설정되는 것을 특징으로 하는 인공 호흡기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 중앙처리장치(50)은 상기 제2 구동 신호를 호기말양압밸브(31)로 제공하여 상기 소정 시간 동안 폐의 배기가스를 외부로 배출하고, 상기 소정 시간 동안 상기 흡기조절밸브의 제어를 금지하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 인공 호흡기.

  6. 삭제
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