一種呼吸機的控制方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種呼吸機的控制方法及其控制系統(tǒng)，其中控制方法是：通過傳感器采集吸氣和呼氣信號；根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號，微控制器利用自相關(guān)方法計算呼吸率，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)，呼吸機按照該睡眠狀態(tài)進行相應(yīng)力度和節(jié)奏的供氣，達到人機同步。呼吸機控制系統(tǒng)包括設(shè)定模塊、電機功率放大器、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功率放大器輸入端，呼吸機控制系統(tǒng)控制呼吸機供氣，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。
【專利說明】ー種呼吸機的控制方法及其控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及呼吸機的控制技術(shù)及醫(yī)療器械呼吸機控制領(lǐng)域，具體涉及ー種呼吸機的控制方法及其控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]呼吸機與人的呼吸同步供氣控制是指呼吸機的供氣與人的呼吸需求相一致，即呼吸機的供氣周期(吸氣開始時間、吸氣持續(xù)時間、吸氣與呼氣切換時間及呼氣持續(xù)時間)和輔助強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，否則人與呼吸機之間將發(fā)生相互影響，出現(xiàn)人機不同步，會對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呼氣電磁閥的開啟與關(guān)斷的控制。首先由模塊101氣源為整個供氣管道提供較高的吸氣壓力，當(dāng)模塊102吸氣電磁閥開啟與模塊104呼氣電磁閥關(guān)斷時，模塊103鼻面罩將產(chǎn)生相應(yīng)于吸氣相的較高壓力支持,反過來當(dāng)模塊102吸氣電磁閥關(guān)斷與模塊104呼氣電磁閥開啟時,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。此即為呼吸機的雙水平正壓供氣氣路原理。
[0005]附圖1中欲獲得呼吸機的不同壓カ的電氣觸發(fā)信號，首先得通過模塊108流量壓力傳感器采集供氣管道內(nèi)的流量壓カ信號，該流量壓カ信號作為PID控制器的反饋實際壓カ值，反饋實際壓カ值與模塊106設(shè)定的吸氣和呼氣壓カ值通過模塊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，電壓控制信號經(jīng)模塊110功率驅(qū)動電路驅(qū)動模塊102吸氣電磁閥與模塊104呼氣電磁閥。
[0006]根據(jù)上述呼吸機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有最早的經(jīng)典PID、積分改進、模糊PID控制等PID改進算法，現(xiàn)列舉如附圖2所示的基于PID控制的積分改進算法流程圖:其基于對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，引入積分控制，此時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。程序開始后，首先進行吸氣相和呼氣相的壓力設(shè)定等參數(shù)初始化過程，然后選取反饋回來的流量信號r(k)和壓カ信號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)滿足時執(zhí)行PID控制。當(dāng)偏差值與偏差變化量滿足一定要求時，偏差過大去除積分調(diào)節(jié)作用而執(zhí)行ro控制，此時可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。
[0007]通過該系統(tǒng)吸氣、呼氣電磁閥進行氣源管道與外界大氣之間的切換，和積分改進算法可以使氣道內(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的同步性。
[0008]大多數(shù)自動調(diào)壓呼吸機是根據(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期的生理過程，并在整夜的睡眠中不斷循環(huán)往復(fù)?，F(xiàn)有呼吸機的人機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有。
[0009]現(xiàn)有呼吸機的人機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的流量壓カ信號來判斷人的供氣狀態(tài)，事實上這種方案提供的供氣策略沒有充分考慮到人從清醒到入睡的各個睡眠階段中呼吸狀態(tài)是不同的，還沒達到真正意義上的人機同步性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出ー種呼吸機的控制方法，使呼吸機供氣與人的清醒及入睡后的各個睡眠生理狀態(tài)相結(jié)合，進行人機同步的智能供氣。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:ー種呼吸機的控制方法，包括以下步驟:
[0012]S1.通過傳感器采集吸氣和呼氣信號；
[0013]S2.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號，微控制器利用自相關(guān)方法計算呼吸率，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)，呼吸機按照該睡眠狀態(tài)供氣。
[0015]所述步驟S2的具體實現(xiàn)方式為:
[0016]S21.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號，微控制器利用自相關(guān)方法計算呼吸率:
[0017]a.根據(jù)公式I,,, m =^7 L ["小',"+ ，計算呼吸信號傳感器每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，時間延遲和每30秒里的數(shù)據(jù)點數(shù)；
[0018]b.通過原始信號計算得出的自相關(guān)的值隨平均呼吸間隔周期性的波動，在檢測到



/'
第一個延遲后，利用公式し=，計算平均呼吸率，其中T peak, fs和fMte表示第一個峰值的延遲，采樣率和呼吸率的估計值；


M
[0019]c.用局部加權(quán)散點圖法對信號進行平滑，利用公式S =,計算平滑后的







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)上計算呼吸率的方差，然后得出絕對值，進一歩估計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.去除每個睡眠期開始后第一個45秒和結(jié)束前最后ー個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，消除各個睡眠期代表局部趨勢的大波動；[0022]e.利用自相關(guān)功能定義
【權(quán)利要求】
1.ー種呼吸機的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.通過傳感器采集吸氣和呼氣信號； 52.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號，微控制器利用自相關(guān)方法計算呼吸率，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所述的呼吸機的控制方法，其特征在于，所述步驟S2的具體實現(xiàn)方式為: 521.根據(jù)采集到的吸氣和呼氣信號，微控制器利用自相關(guān)方法計算呼吸率: a.根據(jù)公式
3.—種呼吸機控制系統(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的傳感器(3)和集成具有呼吸信號與睡眠期相關(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路信號采集信息。
【文檔編號】A61M16/00GK103495249SQ201310476581
【公開日】2014年1月8日 申請日期: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, 羅語溪, 鄒科舉, 王宏杰, 梁九興 申請人:中山大學(xué)