專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于二氧化碳濃度計(jì)算的多參數(shù)補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種二氧化碳濃度計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
在醫(yī)用臨床上監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度有著重要的意義，可以反映患者的02與C02的代 謝情況。無(wú)論是旁流式還是主流式二氧化碳濃度檢測(cè)儀，實(shí)際中的二氧化碳濃度檢測(cè)系統(tǒng) 在測(cè)量過(guò)程中，都存在一定程度上的信號(hào)失真，由于紅外光源的波動(dòng)和探測(cè)器的溫漂，以及 主流通道內(nèi)其他氣體如氧氣、二氧化氮、水蒸汽、各種麻醉氣體對(duì)4. 26 y m的紅外線的測(cè)量 干擾等因素，會(huì)直接影響到結(jié)果的輸出。因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)自適應(yīng)經(jīng)驗(yàn)算法，利用軟件 算法對(duì)系統(tǒng)的濃度進(jìn)行補(bǔ)償校正計(jì)算。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提出一種根據(jù)主流式二氧化碳濃度檢測(cè)儀的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量 得到的數(shù)據(jù)信號(hào)的自適應(yīng)多參數(shù)補(bǔ)償方法。一種用于二氧化碳濃度計(jì)算的多參數(shù)補(bǔ)償方法，應(yīng)用于對(duì)帶有主檢測(cè)端和參考端 的主流式二氧化碳濃度檢測(cè)儀的軟件補(bǔ)償，主測(cè)量端和參考端相互靠近，采用相同的紅外 傳感器分別采集不同特定波長(zhǎng)光的光強(qiáng)信號(hào)，由置于主測(cè)量端和參考端之間的熱敏電阻作 為溫度傳感器，包括(1)建立熱敏電阻值與紅外傳感器值的關(guān)系圖，其中檢測(cè)點(diǎn)為不同溫度下測(cè)得的 實(shí)際傳感器值，并作出熱敏電阻值與實(shí)際傳感器值的擬合曲線；(2)根據(jù)實(shí)際傳感器值和熱敏電阻值的擬合曲線的特征得到溫度補(bǔ)償偏移量計(jì)算 公式A=a(R' -20)+b(R' 2-202)+c(R' 3_203)，R，為由紅外傳感器監(jiān)測(cè)的熱敏電阻值；(3)采集無(wú)呼吸時(shí)參考端的穩(wěn)定數(shù)據(jù)v' f ；(4)在通道中有呼吸氣體流動(dòng)時(shí)，采用如下的方法實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度計(jì)算的多參 數(shù)補(bǔ)償(a)實(shí)時(shí)采集參考端信號(hào)vf和主檢測(cè)端信號(hào)；(b)計(jì)算此時(shí)的衰變率7 =
(c)計(jì)算利用衰變率補(bǔ)償至無(wú)呼吸狀態(tài)下主檢測(cè)端的信號(hào)值v' ffl
,_ Vm _ vm-v'fvm=--=—,-
1-77 2vf-vf _ ，(d)根據(jù)采集的溫度信號(hào)，計(jì)算熱敏電阻值，并代入上一步得到的溫度補(bǔ)償偏移量 計(jì)算公式進(jìn)行反向補(bǔ)償運(yùn)算，得到偏移量A ；(e)根據(jù)所獲得的偏移值對(duì)信號(hào)值進(jìn)行補(bǔ)償，并計(jì)算將呼吸衰減補(bǔ)償和溫度漂移 補(bǔ)償后得到的二氧化碳濃度
Cco2=k-Ln(-^- + A)k:濃度計(jì)算中的常系數(shù)。本發(fā)明提出一種適用于二氧化碳監(jiān)測(cè)儀中二氧化碳濃度計(jì)算的自適應(yīng)多參數(shù)補(bǔ) 償算法，綜合考慮了實(shí)際系統(tǒng)中由呼吸氣體流動(dòng)造成的信號(hào)衰減和溫度漂移兩大因素造成 的數(shù)據(jù)誤差情況，分別對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償計(jì)算，從而使最終分析得到二氧化碳濃度數(shù)據(jù) 更加精確而有價(jià)值，可以大大提高二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確度。
圖1本發(fā)明的主流式二氧化碳濃度測(cè)量裝置的檢測(cè)通道布局圖。圖2本發(fā)明的主流式二氧化碳濃度測(cè)量裝置的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖3熱敏阻值與紅外傳感器值的關(guān)系曲線圖。圖4本發(fā)明的多參數(shù)補(bǔ)償方法示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的二氧化碳濃度多參數(shù)補(bǔ)償方法針對(duì)主流式二氧化碳濃度檢測(cè)儀而提出， 下面首先給出本發(fā)明的補(bǔ)償算法適用的一種檢測(cè)儀。該種主流式二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示的紅外光源1與紅外傳感器3，4構(gòu) 成的檢測(cè)端垂直相對(duì)，其方向與氣體呼吸主通道中氣體流動(dòng)的方向相垂直，主檢測(cè)端與參 考端并列設(shè)置在主呼吸通道璧上，以達(dá)到在呼吸的過(guò)程中，在氣體流動(dòng)的同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)二 氧化碳濃度的目的，為了減少溫度漂移造成的誤差，在兩個(gè)檢測(cè)端的中間設(shè)置一枚由熱敏 電阻構(gòu)成的溫度傳感器5，以便收集主檢測(cè)端和參考端工作溫度數(shù)據(jù)和溫度漂移數(shù)據(jù)，用來(lái) 進(jìn)行溫度漂移的反向補(bǔ)償。在光路設(shè)計(jì)中使用了三層濾波在紅外光源1與測(cè)量通道間設(shè)置了 3. 9 u m-4. 35um的光源濾波片2 ；在主測(cè)量端和參考端之前的測(cè)量通道上設(shè)置兩層濾波 片，第一層是采用3. 9 u m-4. 35um的濾波片7對(duì)測(cè)量端和參考端統(tǒng)一濾波，第二層主測(cè)量 端使用4. 26 y m的窄帶濾波片8，第二層參考端使用4 u m的窄帶濾波片9。主流式二氧化碳濃度測(cè)量裝置的電路結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。測(cè)量過(guò)程如下原始信號(hào)的產(chǎn)生由窄帶濾波片和紅外傳感器構(gòu)成的檢測(cè)端會(huì)將檢測(cè)出的物體吸 收的紅外線能量變化量轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)輸出。原始信號(hào)的預(yù)處理由于原始信號(hào)十分微弱并且存在一定干擾，故需要將收集到 得原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理。計(jì)算二氧化碳濃度值對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 并傳送至計(jì)算單元，本實(shí)施例的計(jì)算單元為高速數(shù)字處理單元CPU，CPU對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析和轉(zhuǎn)換并計(jì)算得到二氧化碳濃度。計(jì)算單元也可以采用計(jì)算機(jī)或者其他的微處理
o考慮到實(shí)際呼吸氣體流動(dòng)造成的信號(hào)衰減和傳感器溫度漂移所造成的各種失真 的具體情況，根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，本發(fā)明設(shè)置了兩個(gè)補(bǔ)償部分，參見(jiàn)圖4。1、呼吸衰減補(bǔ)償
4
檢測(cè)系統(tǒng)中由光源產(chǎn)生光子，光子運(yùn)動(dòng)到對(duì)面的傳感器上產(chǎn)生電信號(hào)。在實(shí)際的 呼吸作用下，由于氣流流動(dòng)對(duì)光子有沖擊作用，傳感器接受的信號(hào)會(huì)受到影響，信號(hào)會(huì)衰 減。光子的在呼吸時(shí)和無(wú)呼吸時(shí)的不同變化反映到參考端和主檢測(cè)端的電壓信號(hào)上表現(xiàn)為 有呼吸時(shí)刻之后的信號(hào)衰減。因此，在對(duì)co2濃度值進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，不能直接采用主測(cè)量 端和參考端的值，而應(yīng)該采用考慮了呼吸衰減并進(jìn)行補(bǔ)償后的值。在通道中沒(méi)有氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，主檢測(cè)終端和參考監(jiān)測(cè)終端的采樣信號(hào)保持穩(wěn)定，而 在通道中有氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)后，由主監(jiān)測(cè)終端和參考監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)到的信號(hào)由于呼吸對(duì)光子的 影響而產(chǎn)生衰減，假設(shè)兩個(gè)信號(hào)分別衰變到了 V2和V4，因此，在對(duì)二氧化碳濃度值進(jìn)行計(jì) 算的時(shí)候，不能直接采用主測(cè)量端和參考端的值。若檢測(cè)通路入射光強(qiáng)為、，主檢測(cè)終端無(wú) 呼吸時(shí)的穩(wěn)定信號(hào)值定義為v' m，而參考監(jiān)測(cè)終端的穩(wěn)定信號(hào)值定義為v' f，同時(shí)由于吸 收峰值在4. Oym波長(zhǎng)的氣體不參與呼吸過(guò)程，所以其濃度保持不變，當(dāng)通道中的氣體流速 為v，則參考端信號(hào)^和主檢測(cè)端信號(hào)可計(jì)算得到，此時(shí)的衰變率為
vf -v'f？7= ,
v/將主檢測(cè)端信號(hào)vm根據(jù)衰減率補(bǔ)償?shù)綗o(wú)呼吸作用下穩(wěn)定信號(hào)值v' ffl為
「 n, VmVm'V'fvm = =
1-；7 2vf-vf2、溫度漂移補(bǔ)償氣體監(jiān)測(cè)傳感器在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)存在著一定的溫度漂移，在當(dāng)前濃度不變的情 況下，若給監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行升溫，通過(guò)觀察溫度傳感器來(lái)檢測(cè)的信號(hào)變化可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)溫 度由r升到rl時(shí)，傳感器測(cè)量端會(huì)有微小的信號(hào)漂移A Vm。在主監(jiān)測(cè)通道中傳感器旁邊設(shè)置一熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)當(dāng)前通道的溫度，在沒(méi)有呼吸 作用時(shí)，改變通道溫度，圖3給出熱敏電阻值與傳感器值的關(guān)系。圖中點(diǎn)為不同溫度下對(duì)同 一濃度測(cè)得的實(shí)際傳感器值，實(shí)線為熱敏阻值與傳感器值的擬合曲線。其擬合多項(xiàng)式為V = aXR+bX R2+c X R3+kV為傳感器電壓值，R為熱敏電阻值，a, b，c, k為擬合系數(shù)。根據(jù)以上的漂移定量漂移值，隨著傳感器s的溫度采集量的變化，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí) 的修正由于溫度變化帶來(lái)的微小信號(hào)偏移，補(bǔ)償方法如下計(jì)算單元根據(jù)采集的溫度信號(hào)，計(jì)算熱敏電阻值，并采用上述擬合多項(xiàng)式對(duì)傳 感器檢測(cè)端的信號(hào)進(jìn)行反向補(bǔ)償運(yùn)算，將各個(gè)熱敏電阻值的監(jiān)測(cè)值反補(bǔ)償?shù)綗崦糇柚禐?20KQ (熱敏電阻在常溫下的值為20KQ)下對(duì)應(yīng)的信號(hào)值，偏移量公式為A = a(R' -20)+b (R' 2-202)+c (R' 3_203)，式中，R，為由紅外傳感器測(cè)得的熱 敏電阻值。最后，將呼吸衰減補(bǔ)償和溫度漂移補(bǔ)償后得到的二氧化碳濃度為Cco2=k.Ln(-^- + A)k 濃度計(jì)算中的常系數(shù)。
權(quán)利要求
一種用于二氧化碳濃度計(jì)算的多參數(shù)補(bǔ)償方法，應(yīng)用于對(duì)帶有主檢測(cè)端和參考端的主流式二氧化碳濃度檢測(cè)儀的軟件補(bǔ)償，主測(cè)量端和參考端相互靠近，采用相同的紅外傳感器分別采集不同特定波長(zhǎng)光的光強(qiáng)信號(hào)，由置于主測(cè)量端和參考端之間的熱敏電阻作為溫度傳感器，包括(1)建立熱敏電阻值與紅外傳感器值的關(guān)系圖，其中檢測(cè)點(diǎn)為不同溫度下測(cè)得的實(shí)際傳感器值，并作出熱敏電阻值與實(shí)際傳感器值的擬合曲線；(2)根據(jù)實(shí)際傳感器值和熱敏電阻值的擬合曲線的特征得到溫度補(bǔ)償偏移量計(jì)算公式Δ＝a(R′-20)+b(R′2-202)+c(R′3-203)，R’為由紅外傳感器監(jiān)測(cè)的熱敏電阻值；(3)采集無(wú)呼吸時(shí)參考端的穩(wěn)定數(shù)據(jù)v′f；(4)在通道中有呼吸氣體流動(dòng)時(shí)，采用如下的方法實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度計(jì)算的多參數(shù)補(bǔ)償(a)實(shí)時(shí)采集參考端信號(hào)vf和主檢測(cè)端信號(hào)vm；(b)計(jì)算此時(shí)的衰變率 <mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>f</mi></msub><mo>-</mo><msubsup> <mi>v</mi> <mi>f</mi> <mo>′</mo></msubsup> </mrow> <msubsup><mi>v</mi><mi>f</mi><mo>′</mo> </msubsup></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(c)計(jì)算利用衰變率補(bǔ)償至無(wú)呼吸狀態(tài)下主檢測(cè)端的信號(hào)值v′m <mrow><msubsup> <mi>v</mi> <mi>m</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>v</mi><mi>m</mi> </msub> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>η</mi> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>m</mi></msub><mo>·</mo><msubsup> <mi>v</mi> <mi>f</mi> <mo>′</mo></msubsup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><msubsup> <mi>v</mi> <mi>f</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(d)根據(jù)采集的溫度信號(hào)，計(jì)算熱敏電阻值，并代入上一步得到的溫度補(bǔ)償偏移量計(jì)算公式進(jìn)行反向補(bǔ)償運(yùn)算，得到偏移量Δ；(e)根據(jù)所獲得的偏移值對(duì)信號(hào)值進(jìn)行補(bǔ)償，并計(jì)算將呼吸衰減補(bǔ)償和溫度漂移補(bǔ)償后得到的二氧化碳濃度 <mrow><msub> <mi>C</mi> <mrow><mi>c</mi><msup> <mi>o</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>·</mo><mi>Ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msub> <mi>v</mi> <mi>m</mi></msub><mrow> <mn>2</mn> <msubsup><mi>v</mi><mi>f</mi><mo>′</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>v</mi><mi>f</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>Δ</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>k濃度計(jì)算中的常系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種用于二氧化碳濃度計(jì)算的多參數(shù)補(bǔ)償方法，包括建立熱敏電阻值與紅外傳感器值的關(guān)系圖，其中檢測(cè)點(diǎn)為不同溫度下測(cè)得的實(shí)際傳感器值，并作出熱敏電阻值與實(shí)際傳感器值的擬合曲線；根據(jù)實(shí)際傳感器值和熱敏電阻值的擬合曲線的特征得到溫度補(bǔ)償偏移量計(jì)算公式Δ＝a(R′-20)+b(R′2-202)+c(R′3-203)；采集無(wú)呼吸時(shí)參考端的穩(wěn)定數(shù)據(jù)v′f；在通道中有呼吸氣體流動(dòng)時(shí)；計(jì)算將呼吸衰減補(bǔ)償和溫度漂移補(bǔ)償后得到的二氧化碳濃度。本發(fā)明可以大大提高二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確度。
文檔編號(hào)A61B5/08GK101874735SQ20101021633
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者李 杰, 楊嘉琛, 武強(qiáng)一, 汪磊, 王斌, 范超偉, 韋娜 申請(qǐng)人:天津大學(xué)