主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法：控制光源亮滅，雙通道熱釋電傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號；對每個通道采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理；然后利用峰谷的和、差值提取交流分量；根據(jù)標定實驗獲取的擬合參數(shù)d1和d2確定當前呼吸CO2濃度。本發(fā)明能夠快捷、穩(wěn)定、準確地實現(xiàn)對人呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測。
【專利說明】主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測在醫(yī)療監(jiān)測中起到了越來越重要的作用。基于非分光紅外原理的呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)按照測量位置不同可分為:直接測量的主流式監(jiān)測和通過抽取呼吸氣體測量的旁流式監(jiān)測。旁流式監(jiān)測由于對呼吸氣流進行除濕、穩(wěn)流等預(yù)處理，能夠較準確的測量呼吸氣體濃度，但由于抽取氣流的延時使顯示波形有明顯的失真。目前主流式監(jiān)測多采用熱電堆傳感器和恒定強度輻射源，雖然避免了波形失真的問題，但由于呼吸氣流的干擾使監(jiān)測結(jié)果誤差較大，而且在長時間連續(xù)監(jiān)測時波形還易出現(xiàn)漂移問題。傳感器技術(shù)的發(fā)展使熱釋電傳感器性能得到極大的提升，其具有感應(yīng)波長范圍寬，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但也存在著輸出信號弱，易受電路噪聲干擾等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有主流式呼吸監(jiān)測測量誤差大、易出現(xiàn)波形漂移等問題，提供一種快捷、穩(wěn)定、準確地實現(xiàn)對人呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測的方法。本發(fā)明提出的實現(xiàn)直接在呼吸管道上對病人的呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測，并能從濃度波形中分析出病人生命體征狀況和相關(guān)信息，給醫(yī)生提供準確可靠的信息指導(dǎo)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0004]一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法，所采用的監(jiān)測模塊將適配器置于呼吸管道上，紅外光源與雙通道熱釋電傳感器固定在適配器的兩端，雙通道熱釋電傳感器的一個通道為測量通道，另一個通道為參考通道，微控制器發(fā)送的脈沖信號通過光源驅(qū)動電路驅(qū)動紅外光源發(fā)出調(diào)制光源信號，監(jiān)測方法如下:
[0005]( I)對監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)進行自校準；
[0006](2)首先監(jiān)測模塊發(fā)出脈沖信號控制光源亮滅，雙通道熱釋電傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號，然后監(jiān)測模塊開始計時等待，當雙通道熱釋電傳感器輸出電壓達到波峰Vh或波谷點V1時啟動模數(shù)轉(zhuǎn)化器開始平頂采樣；
[0007](3)采樣時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對測量通道電壓值和參考通道電壓值交叉采樣，分別在每個通道采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)按照10個一組進行下述的初步處理:首先通過去除每通道10個數(shù)據(jù)中3個最大值和3個最小值，以濾除脈沖噪聲，然后對每個通道中剩余4個數(shù)據(jù)取均值以濾除隨機白噪聲；
[0008](4)將每個通道的處理結(jié)果發(fā)送到上位機；
[0009](5)上位機接收數(shù)據(jù)后，對于每個通道的數(shù)據(jù)，首先通過幅值判斷是波峰Vh或是波谷V1，然后利用峰谷的和、差值提取交流分量和直流分量；最終得到測量通道交流分量va。、測量通道直流分量vd。、參考通道交流分量Vm和參考通道直流分量Vto四個分量；
[0010](6)舍去兩直流分量Vd。和Vt，保留兩通道交流分量差值:Ds=Va。- Var,從而濾除管道中水蒸氣干擾和氣流干擾；
[0011](7)對交流分差值進行基準值調(diào)整:De=ai*Ds-a2，其中，a1、a2為第(I)步的的自校準步驟確定的參數(shù)；
[0012](8 )根據(jù)標定實驗獲取的擬合參數(shù)Cl1和d2確定當前呼吸CO2濃度K=C^ln (De) +d2，示；[0013]作為優(yōu)選實施方式，步驟(1)的過程如下:
[0014](I)監(jiān)測模塊對兩個通道接收的數(shù)據(jù)進行濾波處理后，發(fā)送給上位機；
[0015](2)上位機先將接收的每個通道的波峰、波谷值轉(zhuǎn)化為交流、直流分量，并對獲得的測量通道交流分量Va。、測量通道直流分量vd。、參考通道交流分量Vm和參考通道直流分量Vto四個分量進行實時存儲；
[0016](3)計算各個分量的平均值，即:Kac=Mean (Vac)、Kdc=Mean (Vdc)、Kar=Mean (Var)、Ka0=Mean (Var)；
[0017](4)判斷四個分量平均值Kac;、Kdc;、Km、Ka(l是否都在各自預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，如果都在范圍內(nèi)則認為校準成功，否則重新統(tǒng)計；
[0018]( 5 )校準成功后，計算基準值調(diào)整所用的參數(shù)；其中參數(shù)為固定系數(shù)K與測量通道交流分量平均值Ka。倒數(shù)的乘積；參數(shù)a2為兩交流分量Va。、Var平均值的差值:
Kac Kar ；
[0019]雙通道熱釋電傳感器的測量通道和參考通道分別接收被二氧化碳分子吸收的4.26 μ m紅外光和沒有被任何氣體分子吸收的3.95 μ m紅外光。
[0020]本發(fā)明的實質(zhì)性特點技術(shù)效果如下:
[0021](I)針對目前主流式監(jiān)測易出現(xiàn)漂移問題，本發(fā)明使用雙通道熱釋電紅外傳感器和電調(diào)制技術(shù)，將傳感器輸出變?yōu)橹芷诠潭ǖ恼{(diào)制信號，便于通過帶通濾波放大電路改善輸出信噪比，同時避免漂移提高監(jiān)測穩(wěn)定性。
[0022](2)由于呼吸二氧化碳濃度體現(xiàn)在不斷變化的調(diào)制信號中，本系統(tǒng)采用平頂采樣法獲取傳感器輸出在波峰點和波谷點電壓幅值，并通過數(shù)字濾波技術(shù)去除電路中的干擾噪聲。
[0023](3)針對呼吸氣流中的水蒸氣干擾和氣流干擾采用信號分解方法進行補償。首先利用波峰、波谷電壓值提取交流、直流分量。然后利用兩通道交流分量的差值進行干擾補償，最終經(jīng)過基準值調(diào)整和濃度擬合計算出當前呼吸二氧化碳濃度值。
[0024](4)針對使用過程中更換管道適配器可能導(dǎo)致計算濃度的參數(shù)變化，因此本系統(tǒng)先在校準狀態(tài)下對調(diào)制信號進行統(tǒng)計分析確定相應(yīng)參數(shù)，當進入監(jiān)測狀態(tài)時通過該參數(shù)進行基準值調(diào)整來彌補器件更換導(dǎo)致的變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1主流式呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2本系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)處理流程圖。
[0027]圖3本系統(tǒng)校準狀態(tài)處理流程圖。
【具體實施方式】:[0028]本發(fā)明的二氧化碳濃度監(jiān)測方法針對主流式氣體監(jiān)測而提出，下面給出本發(fā)明適用的監(jiān)測系統(tǒng)組成。
[0029]該主流式呼吸二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)由上位機和監(jiān)測模塊組成。上位機為通用計算機或監(jiān)護儀。監(jiān)測模塊如圖1所示，分別將紅外光源9和熱釋電傳感器4置于適配器I兩側(cè)，微控制器通過光源驅(qū)動電路8和紅外光源9發(fā)出調(diào)制光源信號，置于管道另一端的雙通道熱釋電傳感器4的兩個通道分別接收被二氧化碳分子2吸收的4.26 μ m紅外光和沒有被任何氣體分子3吸收的3.95 μ m紅外光。傳感器輸出經(jīng)過帶通濾波放大電路5濾波放大后送入數(shù)據(jù)采集處理電路6中進行數(shù)據(jù)采集和處理，最后通過串口通信電路7將處理結(jié)果發(fā)送到上位機中進行進一步處理。另外，本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，分別是:用于對人呼吸氣體監(jiān)測的監(jiān)測狀態(tài)和用于確定基準值調(diào)整參數(shù)的校準狀態(tài)。
[0030]1、監(jiān)測狀態(tài)時，監(jiān)測模塊按以下過程確定當前人呼吸二氧化碳濃度:
[0031](I)首先監(jiān)測模塊發(fā)出脈沖信號控制光源亮滅，使傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號。然后監(jiān)測模塊開始計時等待，當傳感器輸出電壓達到波峰Vh或波谷點V1時啟動模數(shù)轉(zhuǎn)化器開始平頂采樣。
[0032](2)采樣時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器先采集測量通道電壓值，然后采集參考通道電壓值，之后再采集測量通道電壓值。以此方式分別在每個通道采集10個數(shù)據(jù)。
[0033](3)完成采集后開始對數(shù)據(jù)進行初步處理。首先通過去除每通道10個數(shù)據(jù)中3個最大值和3個最小值濾除脈沖噪聲，然后對每個通道中剩余4個數(shù)據(jù)取均值濾除隨機白噪聲。最后將每個通道的處理結(jié)果通過串口發(fā)送到上位機中進行下一步處理。
[0034](4)上位機接收數(shù)據(jù)后首先通過幅值判斷是波峰Vh或是波谷V1,然后利用峰谷的和、差值提取交流Va、直流Vd分量，即:Va= (Vh-V1) /2 ；Vd= (V^V1) /2。最終得到測量通道交流分量Va。、測量通道直流分量Vd。、參考通道交流分量L和參考通道直流分量Vto四個分量。
[0035](4)舍去兩直流分量Vd。和Vfc，保留兩通道交流分量差值:Ds=Va。- Var,從而濾除管道中水蒸氣干擾和氣流干擾。
[0036](5)對交流分差值進行基準值調(diào)整:?=-- - a2，其中&1、a2為校準狀態(tài)確定的參數(shù)。
[0037](6)最后根據(jù)標定實驗獲取的擬合參數(shù)Cl1和d2確定當前呼吸CO2濃度:C=C^ln (De) +d2，并實現(xiàn)二氧化碳濃度波形實時顯示。
[0038]2、由于使用過程中管道適配器更換導(dǎo)致基準值調(diào)整參數(shù)變化，監(jiān)測系統(tǒng)在校準狀態(tài)對調(diào)制信號進行統(tǒng)計分析。具體按如下過程實現(xiàn):
[0039]( I)上位機與采樣模塊握手通信，并準備接收數(shù)據(jù)；
[0040](2)同監(jiān)測狀態(tài)一樣，上位機先將接收的波峰、波谷值轉(zhuǎn)化為交流、直流分量，并對獲得的四個分量:va。、Vdc, Var, Vdr進行實時存儲；
[0041](3)當接收數(shù)據(jù)個數(shù)達到預(yù)設(shè)個數(shù)后停止接收數(shù)據(jù)，開始計算各個分量的平均值，即:Kac=Mean (Vac)、Kdc=Mean (Vdc)、Kar=Mean (Var)、Ka0=Mean (Var)；
[0042](4)判斷四個分量平均值Kac;、Kdc;、Km、Ka(l是否都在各自預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，如果都在范圍內(nèi)則認為校準成功，否則上位機提示重新統(tǒng)計。
[0043](5)校準成功后，計算基準值調(diào)整所用的參數(shù)。其中參數(shù)為固定系數(shù)K與測量通道交流分量平均值Ka。倒數(shù)的乘積:ai=K/Ka。；參數(shù)a2為兩交流分量Vac;、Vm平均值的差值:
Kac Kar ο
【權(quán)利要求】
1.一種主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法，所采用的監(jiān)測模塊將適配器置于呼吸管道上，紅外光源與雙通道熱釋電傳感器固定在適配器的兩端，雙通道熱釋電傳感器的一個通道為測量通道，另一個通道為參考通道，微控制器發(fā)送的脈沖信號通過光源驅(qū)動電路驅(qū)動紅外光源發(fā)出調(diào)制光源信號，監(jiān)測方法如下: (1)對監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)進行自校準； (2)監(jiān)測模塊發(fā)出脈沖信號控制光源亮滅，雙通道熱釋電傳感器輸出幅值連續(xù)變化的調(diào)制信號，然后監(jiān)測模塊開始計時等待，當雙通道熱釋電傳感器輸出電壓達到波峰Vh或波谷點V1時啟動模數(shù)轉(zhuǎn)化器開始平頂采樣； (3 )采樣時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對測量通道電壓值和參考通道電壓值交叉采樣，分別在每個通道采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)按照10個一組進行下述的初步處理:首先通過去除每通道10個數(shù)據(jù)中3個最大值和3個最小值，以濾除脈沖噪聲，然后對每個通道中剩余4個數(shù)據(jù)取均值以濾除隨機白噪聲； (4)將每個通道的處理結(jié)果發(fā)送到上位機； (5)上位機接收數(shù)據(jù)后，對于每個通道的數(shù)據(jù)，首先通過幅值判斷是波峰Vh或是波谷V1，然后利用峰谷的和、差值提取交流分量和直流分量；最終得到測量通道交流分量Va。、測量通道直流分量Vd。、參考通道交流分量Vm和參考通道直流分量Vto四個分量； (6)舍去兩直流分量Vd。和Vt，保留兩通道交流分量差值:Ds=Va。-Var,從而濾除管道中水蒸氣干擾和氣流干擾； (7)對交流分差值進行基準值調(diào)整:De=aiJ)s- a2，其中，&1、a2為第(I)步的的自校準步驟確定的參數(shù)； (8 )根據(jù)標定實驗獲取的擬合參數(shù)(I1和d2確定當前呼吸CO2濃度Adfln (De) +d2,示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法，其特征在于，步驟(I)的過程如下: (1)監(jiān)測模塊對兩個通道接收的數(shù)據(jù)進行濾波處理后，發(fā)送給上位機； (2)上位機先將接收的每個通道的波峰、波谷值轉(zhuǎn)化為交流、直流分量，并對獲得的測量通道交流分量Va。、測量通道直流分量Vd。、參考通道交流分量L和參考通道直流分量Vto四個分量進行實時存儲； (3)計算各個分量的平均值，即:Kac=Mean(Vac)、Kdc=Mean(Vdc)、Kar=Mean(Var)、Ka0=Mean (Var)； (4)判斷四個分量平均值Kac;、Kdc;、Km、Kto是否都在各自預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，如果都在范圍內(nèi)則認為校準成功，否則重新統(tǒng)計； (5)校準成功后，計算基準值調(diào)整所用的參數(shù)；其中參數(shù)為固定系數(shù)K與測量通道交流分量平均值Ka。倒數(shù)的乘積:ai=K/Ka。；參數(shù)a2為兩交流分量Va。、Vm平均值的差值:
Kac Kar ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主流式人呼吸二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法，其特征在于，雙通道熱釋電傳感器的測量通道和參考通道分別接收被二氧化碳分子吸收的4.26 μ m紅外光和沒有被任何氣體分子吸收的3.95 μ m紅外光。
【文檔編號】G01N21/3504GK103712942SQ201310712510
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】楊嘉琛, 王海濤, 陳波波 申請人:天津大學(xué)