一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法
【專利摘要】一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，在壓力控制模式下，利用公式P＝F*R，計(jì)算出當(dāng)前流量下的壓力值，其中P為壓力，F(xiàn)為當(dāng)前流量，R為氣阻；利用Kalman估計(jì)算法，在算法中添加因控制參數(shù)對整個估算結(jié)果影響的子項(xiàng)，對當(dāng)前壓力值的下一時刻壓力進(jìn)行估算；將估算出的壓力值代入誤差系統(tǒng)算出控制誤差量，對其進(jìn)行PID控制，折算出下一時刻需要控制壓力；利用公式P＝F*R，將控制壓力折算為標(biāo)準(zhǔn)控制流量；將折算好的控制流量輸入流量PID比例控制器中，進(jìn)行流量反饋控制。
【專利說明】
一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于實(shí)現(xiàn)麻醉機(jī)和呼吸機(jī)的高性能、高精度壓力控制通氣方式，屬于醫(yī)療設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在麻醉機(jī)和呼吸機(jī)控制中需要對某些特殊病人進(jìn)行壓力控制通氣。目前知曉的壓力控制方法有兩種:
[0003]采用壓力PID控制直接對患者進(jìn)行壓力控制，此種方法優(yōu)點(diǎn)是，算法實(shí)現(xiàn)簡單，在使用高性能處理器情況下所實(shí)現(xiàn)的PID壓力控制可用于絕大多數(shù)特殊病變患者。缺點(diǎn)是，對于不同病變的患者其自身的R、C值不同，利用傳統(tǒng)的壓力控制方式單純根據(jù)監(jiān)測到的壓力對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制無法很好地適應(yīng)各種R、C下的壓力變化，容易出現(xiàn)通氣不足或超調(diào)現(xiàn)象，對病人產(chǎn)生嚴(yán)重危害，而且要實(shí)現(xiàn)高性能的控制，適用更多的R、C值患者，需要采用高性能的處理器進(jìn)行實(shí)時控制處理，硬件成本高。
[0004]利用模糊控制技術(shù)，采用壓力傳感器進(jìn)行壓力PID控制。優(yōu)點(diǎn)是，對于不同病變的患者其自身的R、C值不同，利用壓力模糊控制方式可以很好的解決由于患者R、C值變化對整個PID控制參數(shù)的影響。缺點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)過程中模糊控制規(guī)則中的論域檔位和隸屬函數(shù)的隸屬關(guān)系多少對控制算法的影響比較大，檔位和隸屬關(guān)系過密控制算法計(jì)算時間過長，需要用昂貴的DSP可以快速實(shí)現(xiàn)，檔位和隸屬關(guān)系過疏，規(guī)則包含度不夠，會有某些R、C值下的控制值覆蓋不到，導(dǎo)致通氣過程中出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，尤其是在極個別特殊情況下會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，會加重這些特殊R、C值情況下病人的通氣負(fù)擔(dān)，引發(fā)并發(fā)癥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于為提升麻醉機(jī)和呼吸機(jī)中壓力模糊控制通氣安全性，降低由于DSP控制情況下的高成本，提出一種在原有壓力模糊控制基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的控制方法，利用流速和壓力共同控制，可以降低硬件成本，提升控制可靠性，對患者的R、C值適應(yīng)范圍更廣。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008](I)在 R = I ?100cmH20/L/s，C = I ?100mL/cmH20 的取值范圍內(nèi)，選取一部分R值、C值作為定位點(diǎn)；
[0009](2)在每個R、C值定位點(diǎn)上分別進(jìn)行PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)，并記錄每個R、C值與調(diào)節(jié)獲得的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；
[0010](3)根據(jù)每個R、C值和與其對應(yīng)的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，按照模糊數(shù)學(xué)原理建立隸屬函數(shù)，并為隸屬函數(shù)的每個論域分檔；
[0011 ] (4)根據(jù)分檔情況制定模糊規(guī)則和決策方法，根據(jù)制定的模糊規(guī)則和決策方法，及隸屬函數(shù)和論域分檔，編寫出相應(yīng)模糊控制算法；
[0012](5)根據(jù)該模糊控制算法，對R、C取值范圍內(nèi)未被設(shè)為定位點(diǎn)的R、C值所對應(yīng)的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)，進(jìn)行自動計(jì)算；
[0013](6)利用計(jì)算所得的PID參數(shù)對整個壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行壓力反饋控制，并監(jiān)測當(dāng)前流量；
[0014](7)在上述壓力控制模式下，利用公式P = F*R，計(jì)算出當(dāng)前流量下的壓力值，其中P為壓力，F(xiàn)為當(dāng)前流量，R為氣阻；
[0015](8)利用Kalman估計(jì)算法，在算法中添加因控制參數(shù)對整個估算結(jié)果影響的子項(xiàng)，對當(dāng)前壓力值的下一時刻壓力進(jìn)行估算；
[0016](9)將估算出的壓力值代入誤差系統(tǒng)算出控制誤差量，對其進(jìn)行PID控制，折算出下一時刻需要控制壓力；
[0017](10)利用公式P = F*R，將控制壓力折算為標(biāo)準(zhǔn)控制流量；
[0018](11)將折算好的控制流量輸入流量PID比例控制器中，進(jìn)行流量反饋控制。
[0019]上述方法中，步驟(I)中所述R值、C值定位點(diǎn)，是根據(jù)統(tǒng)計(jì)算法，選取統(tǒng)計(jì)圖中出現(xiàn)概率最多的R、C值作為定位點(diǎn)。
[0020]上述方法中，步驟(2)中所述的PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)，是對于每個R、C值，進(jìn)行壓力控制PID算法中的P、1、D參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到輸出壓力無超調(diào)為止，記錄下此時的P、1、D參數(shù)和對應(yīng)的R、C值。
[0021]上述方法中，步驟(5)中利用模糊控制算法進(jìn)行PID控制參數(shù)自動計(jì)算，其計(jì)算時刻為每次呼氣狀態(tài)到吸氣狀態(tài)切換時刻。
[0022]上述方法中，步驟(6)中所述的壓力反饋控制，其反饋控制周期為I?1ms內(nèi)任意一種固定值。
[0023]上述方法中，步驟(11)中所述的流量反饋控制，其反饋控制周期為I?1ms內(nèi)任意一種固定值。
[0024]本發(fā)明利用流速和壓力共同控制，解決了傳統(tǒng)的壓力模糊控制算法R、C適應(yīng)盲點(diǎn)問題，通過對壓力模糊控制通氣進(jìn)行改進(jìn)，利用R、C值和經(jīng)典公式結(jié)合，解決了因檔位和隸屬關(guān)系比較疏的情況下的極個別特殊控制參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，并且在控制算法中添加了對控制參數(shù)和監(jiān)測參數(shù)的回歸估計(jì)，用以解決超調(diào)問題。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的控制方法如下:
[0027]在R = I?100cmH20/L/s，C = I?100mL/cmH20的取值范圍內(nèi)，根據(jù)大量收集統(tǒng)計(jì)的患者R、C值分布資料，選取N個出現(xiàn)概率最高的R、C值作為定位點(diǎn)，N大于10 ;
[0028]調(diào)節(jié)出這N個R、C值對應(yīng)的PID控制參數(shù)；
[0029]根據(jù)這N個R、C值所對應(yīng)的PID控制參數(shù)的特征，制定出相應(yīng)的模糊控制算法；
[0030]根據(jù)制定出的模糊控制算法，計(jì)算R、C取值范圍內(nèi)其他的R、C對應(yīng)的PID控制參數(shù)，并對模糊控制算法進(jìn)行修正，以滿足不同R、C值的需要；
[0031]修正好后控制算法，利用麻醉機(jī)和呼吸機(jī)中壓力傳感器和流量傳感器協(xié)同對患者進(jìn)行壓力反饋控制。
[0032]具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0033]步驟1、在R = I?100cmH20/L/s，C = I?100mL/cmH20的取值范圍內(nèi)，通過統(tǒng)計(jì)算法，對不同病人的R、C分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定R、C定位點(diǎn)。舉例說明:通過獲取正常的成人、正常的兒童、正常的新生兒、病變的成人、病變的兒童、病變的新生兒等多種不同病征下患者的R、C值，對這些R、C值進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出統(tǒng)計(jì)圖譜，按照統(tǒng)計(jì)圖譜，將統(tǒng)計(jì)圖中出現(xiàn)概率最多的R、C值作為定位點(diǎn)。
[0034]步驟2、在每個R、C定位點(diǎn)上分別調(diào)節(jié)各自的PID控制參數(shù)。比如:在R = 5，C =50情況下，對壓力控制PID算法中的P、1、D參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到輸出壓力無超調(diào)為止，記錄下此時的P、1、D參數(shù)和R、C值，按此方法對其他R、C值點(diǎn)作相同工作。
[0035]步驟3、對各自的PID控制參數(shù)進(jìn)行分析，選取P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)與R、C值的對應(yīng)關(guān)系。比如:根據(jù)上述步驟2中調(diào)整出來的各個R、C值情況下的PID參數(shù)的特性，對PID三參數(shù)，進(jìn)行分類處理，查出關(guān)聯(lián)關(guān)系。
[0036]步驟4、對三個控制參數(shù)和R、C定位點(diǎn)之間的關(guān)系按照模糊數(shù)學(xué)原理建立隸屬函數(shù)。
[0037]步驟5、根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)為每個論域分檔。
[0038]步驟6、根據(jù)分檔情況制定模糊規(guī)則和決策方法。
[0039]步驟7、根據(jù)規(guī)則、決策、隸屬函數(shù)和論域分檔編寫出相應(yīng)模糊控制算法，對R、C取值范圍內(nèi)中未被定位的R、C值所對應(yīng)的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)，進(jìn)行自動計(jì)算，PID控制參數(shù)利用模糊數(shù)學(xué)計(jì)算時刻為每次呼氣狀態(tài)到吸氣狀態(tài)切換時刻。
[0040]步驟8、利用此PID參數(shù)對整個壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行壓力反饋控制控制。反饋控制周期為I?1ms內(nèi)任意一種固定值。
[0041]步驟9、在上述壓力控制模式下，利用公式P = F*R，計(jì)算出當(dāng)前流量下的壓力值，其中P為壓力，F(xiàn)為當(dāng)前流量，R為氣阻；
[0042]步驟10、利用Kalman估計(jì)算法，在算法中添加因控制參數(shù)對整個估算結(jié)果影響的子項(xiàng)，對當(dāng)前壓力值的下一時刻壓力進(jìn)行估算；
[0043]步驟11、將估算出的壓力值代入誤差系統(tǒng)算出控制誤差量，對其進(jìn)行PID控制，折算出下一時刻需要控制壓力；
[0044]步驟12、利用公式P = F*R，將控制壓力折算為標(biāo)準(zhǔn)控制流量；
[0045]步驟13、將折算好的控制流量輸入流量PID比例控制器中，進(jìn)行流量反饋控制。反饋控制周期為I?1ms內(nèi)任意一種固定值，在此時間范圍內(nèi)控制效果最佳。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在R= I?100cmH20/L/s，C = I?100mL/cmH20的取值范圍內(nèi)，選取一部分R值、C值作為定位點(diǎn)； (2)在每個R、C值定位點(diǎn)上分別進(jìn)行PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)，并記錄每個R、C值與調(diào)節(jié)獲得的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系； (3)根據(jù)每個R、C值和與其對應(yīng)的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，按照模糊數(shù)學(xué)原理建立隸屬函數(shù)，并為隸屬函數(shù)的每個論域分檔； (4)根據(jù)分檔情況制定模糊規(guī)則和決策方法，根據(jù)制定的模糊規(guī)則和決策方法，及隸屬函數(shù)和論域分檔，編寫出相應(yīng)模糊控制算法； (5)根據(jù)該模糊控制算法，對R、C取值范圍內(nèi)未被設(shè)為定位點(diǎn)的R、C值所對應(yīng)的P參數(shù)、I參數(shù)、D參數(shù)，進(jìn)行自動計(jì)算； (6)利用計(jì)算所得的PID參數(shù)對整個壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行壓力反饋控制，并監(jiān)測當(dāng)前流量; (7)在上述壓力控制模式下，利用公式P= F*R，計(jì)算出當(dāng)前流量下的壓力值，其中P為壓力，F(xiàn)為當(dāng)前流量，R為氣阻； (8)利用Kalman估計(jì)算法，在算法中添加因控制參數(shù)對整個估算結(jié)果影響的子項(xiàng)，對當(dāng)前壓力值的下一時刻壓力進(jìn)行估算； (9)將估算出的壓力值代入誤差系統(tǒng)算出控制誤差量，對其進(jìn)行PID控制，折算出下一時刻需要控制壓力； (10)利用公式P= F*R，將控制壓力折算為標(biāo)準(zhǔn)控制流量； (11)將折算好的控制流量輸入流量PID比例控制器中，進(jìn)行流量反饋控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于:步驟(1)中所述R值、C值定位點(diǎn)，是根據(jù)統(tǒng)計(jì)算法，選取統(tǒng)計(jì)圖中出現(xiàn)概率最多的R、C值作為定位點(diǎn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于:步驟(2)中所述的PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)，是對于每個R、C值，進(jìn)行壓力控制PID算法中的P、1、D參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到輸出壓力無超調(diào)為止，記錄下此時的P、1、D參數(shù)和對應(yīng)的R、C值。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于:步驟(5)中利用模糊控制算法進(jìn)行PID控制參數(shù)自動計(jì)算，其計(jì)算時刻為每次呼氣狀態(tài)到吸氣狀態(tài)切換時刻。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于:步驟(6)中所述的壓力反饋控制，其反饋控制周期為I?1ms內(nèi)任意一種固定值。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種麻醉呼吸機(jī)通氣安全性的控制方法，其特征在于:步驟(11)中所述的流量反饋控制，其反饋控制周期為I?1ms內(nèi)任意一種固定值。
【文檔編號】A61M16/00GK105879169SQ201410785285
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月16日
【發(fā)明人】刁俊
【申請人】北京航天長峰股份有限公司