一種呼吸機(jī)的控制方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種呼吸機(jī)的控制方法及其控制系統(tǒng)，其中控制方法是：通過(guò)傳感器采集吸氣和呼氣信號(hào)；根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號(hào)，微控制器利用自相關(guān)方法計(jì)算呼吸率，并根據(jù)呼吸率與睡眠期的相關(guān)性推導(dǎo)當(dāng)前睡眠狀態(tài)；微控制器輸出當(dāng)前睡眠狀態(tài)，呼吸機(jī)按照該睡眠狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)力度和節(jié)奏的供氣，達(dá)到人機(jī)同步。呼吸機(jī)控制系統(tǒng)包括設(shè)定模塊、電機(jī)功率放大器、傳感器和微控制器，設(shè)定模塊輸出端連接微控制器輸入端，傳感器輸出端連接微控制器輸入端，微控制器輸出端連接電機(jī)功率放大器輸入端，呼吸機(jī)控制系統(tǒng)控制呼吸機(jī)供氣，與人的睡眠期（清醒期、淺睡期、深睡期和REM期）生理狀態(tài)相結(jié)合，符合呼吸生理需求。
【專利說(shuō)明】ー種呼吸機(jī)的控制方法及其控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及呼吸機(jī)的控制技術(shù)及醫(yī)療器械呼吸機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及ー種呼吸機(jī)的控制方法及其控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]呼吸機(jī)與人的呼吸同步供氣控制是指呼吸機(jī)的供氣與人的呼吸需求相一致，即呼吸機(jī)的供氣周期(吸氣開(kāi)始時(shí)間、吸氣持續(xù)時(shí)間、吸氣與呼氣切換時(shí)間及呼氣持續(xù)時(shí)間)和輔助強(qiáng)度必須與人呼吸需求的呼吸周期以及中樞吸氣需求程度一致，否則人與呼吸機(jī)之間將發(fā)生相互影響，出現(xiàn)人機(jī)不同步，會(huì)對(duì)人造成呼吸做功増加、呼吸肌的損傷、降低輔助治療效果、呼吸困難病情加重等傷害。
[0003]現(xiàn)有雙水平正壓呼吸機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如附圖1所示:其功能是根據(jù)人的吸氣相和呼氣相的觸發(fā)響應(yīng)的提供較高和較低的壓カ支持。
[0004]附圖1中的雙水平正壓氣路供氣通道工作原理:其雙水平供氣原理主要涉及到模塊102吸氣電磁閥與模塊104呼氣電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)斷的控制。首先由模塊101氣源為整個(gè)供氣管道提供較高的吸氣壓力，當(dāng)模塊102吸氣電磁閥開(kāi)啟與模塊104呼氣電磁閥關(guān)斷時(shí)，模塊103鼻面罩將產(chǎn)生相應(yīng)于吸氣相的較高壓力支持,反過(guò)來(lái)當(dāng)模塊102吸氣電磁閥關(guān)斷與模塊104呼氣電磁閥開(kāi)啟時(shí),模塊103鼻面罩將直接與外界大氣105相通產(chǎn)生相應(yīng)于呼氣相的較低壓力支持。此即為呼吸機(jī)的雙水平正壓供氣氣路原理。
[0005]附圖1中欲獲得呼吸機(jī)的不同壓カ的電氣觸發(fā)信號(hào)，首先得通過(guò)模塊108流量壓力傳感器采集供氣管道內(nèi)的流量壓カ信號(hào)，該流量壓カ信號(hào)作為PID控制器的反饋實(shí)際壓カ值，反饋實(shí)際壓カ值與模塊106設(shè)定的吸氣和呼氣壓カ值通過(guò)模塊107迭加器得到PID控制器的輸入偏差值e (k)，輸入偏差值e `(k)經(jīng)模塊109PID控制器后得到輸出電壓控制信號(hào)，電壓控制信號(hào)經(jīng)模塊110功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)模塊102吸氣電磁閥與模塊104呼氣電磁閥。
[0006]根據(jù)上述呼吸機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有最早的經(jīng)典PID、積分改進(jìn)、模糊PID控制等PID改進(jìn)算法，現(xiàn)列舉如附圖2所示的基于PID控制的積分改進(jìn)算法流程圖:其基于對(duì)積分作用的有效控制，盡量減少系統(tǒng)的超調(diào)的考慮，在當(dāng)被控量與設(shè)定的呼吸流量壓カ偏差較大吋，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量増大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，此時(shí)的積分不僅起到了控制精度的作用，并且為系統(tǒng)減少超調(diào)提供了正面積極的作用。具體程序流程如附圖2所示。程序開(kāi)始后，首先進(jìn)行吸氣相和呼氣相的壓力設(shè)定等參數(shù)初始化過(guò)程，然后選取反饋回來(lái)的流量信號(hào)r(k)和壓カ信號(hào)y(k)，設(shè)定值與反饋值之間產(chǎn)生的偏差值e(k)和偏差變化量△6(10，當(dāng)偏差值6(10與偏差變化量Ae(k)滿足時(shí)執(zhí)行PID控制。當(dāng)偏差值與偏差變化量滿足一定要求時(shí)，偏差過(guò)大去除積分調(diào)節(jié)作用而執(zhí)行ro控制，此時(shí)可避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。
[0007]通過(guò)該系統(tǒng)吸氣、呼氣電磁閥進(jìn)行氣源管道與外界大氣之間的切換，和積分改進(jìn)算法可以使氣道內(nèi)的壓力盡快穩(wěn)定在指定壓カ范圍，在一定程度上提高了呼吸機(jī)的同步性。
[0008]大多數(shù)自動(dòng)調(diào)壓呼吸機(jī)是根據(jù)阻塞情況提供支持壓カ的，例如清醒期阻塞情況小，提供的支持壓カ就小。而人體從清醒到入睡一般是要經(jīng)歷:清醒期、淺睡期、深睡期、REM期的生理過(guò)程，并在整夜的睡眠中不斷循環(huán)往復(fù)。現(xiàn)有呼吸機(jī)的人機(jī)同步控制算法采用各種基于PID算法的變形。這些算法都試圖提高從控制開(kāi)始到穩(wěn)定工作的速度，而與人的睡眠期呼吸特征相關(guān)的供氣控制人性化智能算法還沒(méi)有。
[0009]現(xiàn)有呼吸機(jī)的人機(jī)同步控制算法采用各種基于PID算法的變形。單純的從供氣端的流量壓カ傳感器采集回來(lái)的流量壓カ信號(hào)來(lái)判斷人的供氣狀態(tài)，事實(shí)上這種方案提供的供氣策略沒(méi)有充分考慮到人從清醒到入睡的各個(gè)睡眠階段中呼吸狀態(tài)是不同的，還沒(méi)達(dá)到真正意義上的人機(jī)同步性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出ー種呼吸機(jī)的控制方法，使呼吸機(jī)供氣與人的清醒及入睡后的各個(gè)睡眠生理狀態(tài)相結(jié)合，進(jìn)行人機(jī)同步的智能供氣。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:ー種呼吸機(jī)的控制方法，包括以下步驟:
[0012]S1.通過(guò)傳感器采集吸氣和呼氣信號(hào)；
[0013]S2.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號(hào)，微控制器利用自相關(guān)方法計(jì)算呼吸率，并根據(jù)呼吸率與睡眠期的相關(guān)性推導(dǎo)當(dāng)前睡眠狀態(tài)；
[0014]S3.微控制器輸出當(dāng)前睡眠狀態(tài)，呼吸機(jī)按照該睡眠狀態(tài)供氣。
[0015]所述步驟S2的具體實(shí)現(xiàn)方式為:
[0016]S21.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號(hào)，微控制器利用自相關(guān)方法計(jì)算呼吸率:
[0017]a.根據(jù)公式I,,, m =^7 L ["小',"+ ，計(jì)算呼吸信號(hào)傳感器每3O秒的



丄 N m—\\
平均呼吸率，其中S，T和N表示吸氣和呼氣信號(hào)，時(shí)間延遲和每30秒里的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；
[0018]b.通過(guò)原始信號(hào)計(jì)算得出的自相關(guān)的值隨平均呼吸間隔周期性的波動(dòng)，在檢測(cè)到



/'
第一個(gè)延遲后，利用公式し=，計(jì)算平均呼吸率，其中T peak, fs和fMte表示第一個(gè)峰值的延遲，采樣率和呼吸率的估計(jì)值；


M
[0019]c.用局部加權(quán)散點(diǎn)圖法對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑，利用公式S =,計(jì)算平滑后的







i=i
呼吸率，其中W，r和S表示權(quán)矩陣，平均呼吸率和平滑后的呼吸率，在此基礎(chǔ)上計(jì)算呼吸率的方差，然后得出絕對(duì)值，進(jìn)一歩估計(jì)總的呼吸率方差參數(shù)；
[0020]S22.微控制器根據(jù)呼吸率與睡眠期的相關(guān)性推導(dǎo)睡眠期:
[0021]d.去除每個(gè)睡眠期開(kāi)始后第一個(gè)45秒和結(jié)束前最后ー個(gè)45秒，去除呼吸間隔不顯示的増加，15秒以上和不顯示的變小，1.5秒以下，去除所有睡眠期中不顯示的呼吸間隔，消除各個(gè)睡眠期代表局部趨勢(shì)的大波動(dòng)；[0022]e.利用自相關(guān)功能定義
【權(quán)利要求】
1.ー種呼吸機(jī)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.通過(guò)傳感器采集吸氣和呼氣信號(hào)； 52.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號(hào)，微控制器利用自相關(guān)方法計(jì)算呼吸率，并根據(jù)呼吸率與睡眠期的相關(guān)性推導(dǎo)當(dāng)前睡眠狀態(tài)； 53.微控制器輸出當(dāng)前睡眠狀態(tài)，呼吸機(jī)按照該睡眠狀態(tài)供氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸機(jī)的控制方法，其特征在于，所述步驟S2的具體實(shí)現(xiàn)方式為: 521.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號(hào)，微控制器利用自相關(guān)方法計(jì)算呼吸率: a.根據(jù)公式
3.—種呼吸機(jī)控制系統(tǒng)，包括用于設(shè)定吸氣和呼氣壓カ值的設(shè)定模塊(I)和電機(jī)功率放大器(2)，其特征在于，還包括用于采集吸氣和呼氣信號(hào)的傳感器(3)和集成具有呼吸信號(hào)與睡眠期相關(guān)性智能同步控制方法的微控制器(4)，所述設(shè)定模塊(I)輸出端連接微控制器(4)輸入端，傳感器(3)輸出端連接微控制器(4)輸入端，微控制器(4)輸出端連接電機(jī)功率放大器(2)輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的呼吸機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器(3)由鼻熱敏、鼻.壓力、胸帶和腹帯4路信號(hào)采集信息。
【文檔編號(hào)】A61M16/00GK103495249SQ201310476581
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】蔣慶, 張彥軍, 羅語(yǔ)溪, 鄒科舉, 王宏杰, 梁九興 申請(qǐng)人:中山大學(xué)