呼吸機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，特別是涉及一種呼吸機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中，呼吸機(jī)作為一項(xiàng)能人工替代自主通氣功能的有效手段，已普 遍用于各種原因所致的呼吸衰竭、大手術(shù)期間的麻醉呼吸管理、呼吸支持治療和急救復(fù)蘇 中，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)占有十分重要的位置。呼吸機(jī)是一種能夠起到預(yù)防和治療呼吸衰竭， 減少并發(fā)癥，挽救及延長病人生命的至關(guān)重要的醫(yī)療設(shè)備。
[0003] 呼吸機(jī)是一種以輸出一定壓力或流速的空氣為目的的，輔助呼吸功能不全或因特 殊情況無法自主呼吸的患者呼吸的醫(yī)療器械。以電機(jī)為動(dòng)力的渦輪風(fēng)機(jī)是呼吸機(jī)為主要部 件，因此電機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)呼吸機(jī)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。在呼吸機(jī)的控制系統(tǒng)中，電 機(jī)的控制通常采用以渦輪輸出壓力或者電機(jī)轉(zhuǎn)速為負(fù)反饋的閉環(huán)控制，PID控制是該類型 控制最常用的控制方法。軟件PID控制技術(shù)是一種閉環(huán)控制，通常以渦輪風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出 空氣壓力或流量為負(fù)反饋，然而，由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性以及空氣的彈性等特征，反饋信號(hào)的輸 出存在較長的延時(shí)，容易造成PID積分項(xiàng)的累積，從而引起電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩，影響輸出的穩(wěn)定 性，若降低PID的采樣頻率，則影響電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而影響患者的舒適度。采用PID 控制技術(shù)的缺點(diǎn)：1、渦輪風(fēng)機(jī)輸出反饋量的延時(shí)，造成PID算法易產(chǎn)生壓力，流速波動(dòng)，從 而降低呼吸機(jī)的舒適度；2、應(yīng)用軟件PID算法，占用較高的系統(tǒng)的資源用于數(shù)據(jù)采集與計(jì) 算，且受A/D轉(zhuǎn)換的影響錯(cuò)誤率高，穩(wěn)定性差，反應(yīng)速度慢。
[0004] 專利號(hào)為CN201310683803. 7, 一種雙水平呼吸機(jī)壓力控制裝置及壓力控制方法， 其中一種雙水平呼吸機(jī)壓力控制裝置，包括：渦輪風(fēng)機(jī)：用于產(chǎn)生壓縮空氣；渦輪風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 控制器：用于驅(qū)動(dòng)所述渦輪風(fēng)機(jī)，所述渦輪風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器包括伺服控制器，所述伺服控制 器是由前饋控制器和反饋控制器復(fù)合控制的閉環(huán)系統(tǒng)；傳感器：用于實(shí)時(shí)檢測患者氣道的 實(shí)際壓力；氣路：由軟管連接形成，所述渦輪風(fēng)機(jī)通過軟管與鼻面罩相連并形成氣路，所述 傳感器和所述渦輪風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器之間以及所述渦輪風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和渦輪風(fēng)機(jī)之間通 過電線連接，所述傳感器還與所述軟管連通。在該專利的技術(shù)方案中所述渦輪風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控 制器采用PID算法實(shí)現(xiàn)對渦輪風(fēng)機(jī)的第一輸出壓力和最終輸出壓力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此該專 利仍采用了 PID算法來實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)壓力的調(diào)節(jié)，仍沒有擺脫上述指出的PID算法的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種呼吸機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)，本發(fā)明采 用渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力為反饋的閉環(huán)控制，不產(chǎn)生類似PID控制的積分累積，電機(jī)響應(yīng)迅 速，極大地提高了呼吸機(jī)的響應(yīng)時(shí)間和舒適性。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種呼吸機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)，包括供電系統(tǒng)、運(yùn)算系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓力傳感器和渦輪風(fēng)機(jī)；所述供電系統(tǒng)分別與所述運(yùn)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓力 傳感器和渦輪風(fēng)機(jī)相電連；所述運(yùn)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和渦輪風(fēng)機(jī)依次相連接；所述壓力傳 感器設(shè)置在所述渦輪風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口處，所述壓力傳感器與所述運(yùn)算系統(tǒng)相連接；
[0007] 所述運(yùn)算系統(tǒng)輸入端接收一輸入電壓V，所述輸入電壓V對應(yīng)一輸入壓力P;所述 壓力傳感器采集所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力Pc后，輸出電壓V i并反饋至所述運(yùn)算系統(tǒng)；所 述運(yùn)算系統(tǒng)接收所述壓力傳感器的輸出電壓V1，通過所述運(yùn)算系統(tǒng)運(yùn)算處理后輸出電機(jī)控 制電壓Vout;所述控制系統(tǒng)輸入端接收所述電機(jī)控制電壓Vout，經(jīng)所述控制系統(tǒng)檢測處理 后，所述控制系統(tǒng)輸出端輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)至所述渦輪風(fēng)機(jī)，通過所述電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 信號(hào)控制所述渦輪風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力匕。
[0008] 進(jìn)一步的，所述運(yùn)算系統(tǒng)包括接收單元、還原單元和運(yùn)算單元，所述接收單元接收 所述壓力傳感器的輸出電壓V 1，所述接收單元對輸出電壓V1進(jìn)行處理后輸出電壓V i'至所 述還原單元；所述還原單元將輸出電壓V/隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率還原成 與電機(jī)控制電壓Vout隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率相一致的信號(hào)，所述還原單 元還原后得到輸出電壓V 4，并將輸出電壓1輸送至所述運(yùn)算單元；所述運(yùn)算單元接收輸入 電壓V，并對輸入電壓V進(jìn)行放大處理后，得到輸出電壓V 5，所述運(yùn)算單元對輸出電壓乂5和 輸出電壓V4以及偏移電壓Vm_min作加減法運(yùn)算處理后，輸出電機(jī)控制電壓Vout。
[0009] 進(jìn)一步的，所述還原單元包括還原單元一、還原單元二和還原單元三，所述還原單 元一修正輸出電壓V 1'，并輸出電壓V2至所述還原單元二，所述還原單元二對輸出電壓V2 作縮放處理后輸出電壓V3至所述還原單元三，所述還原單元三將所述輸出電壓乂3隨所述渦 輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力Pc的變化率還原成與所述電機(jī)控制電壓Vout隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓 力Pc的變化率相一致的信號(hào)，還原后輸出電壓V 4。
[0010] 進(jìn)一步的，所述運(yùn)算單元包括運(yùn)算單元一和運(yùn)算單元二，所述運(yùn)算單元一對輸入 電壓V進(jìn)行放大處理后輸出電壓V 5，所述運(yùn)算單元二對輸出電壓V5和輸出電壓V4以及偏移 電壓Vmjnin作加減法運(yùn)算處理后，輸出所述電機(jī)控制電壓Vout。
[0011] 本發(fā)明的呼吸機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0012] (1)運(yùn)算系統(tǒng)輸入端接收一輸入電壓V，所述輸入電壓V對應(yīng)一輸入壓力P ;
[0013] (2)壓力傳感器采集渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。，且所述壓力傳感器對應(yīng)輸出電壓V1 并反饋至所述運(yùn)算系統(tǒng)；
[0014] (3)運(yùn)算系統(tǒng)的接收單元接收所述壓力傳感器的輸出電壓V1，所述接收單元對所 述輸出電壓V1進(jìn)行處理后輸出電壓V/至所述運(yùn)算系統(tǒng)的還原單元；
[0015] (4)所述還原單元將輸出電壓V1'隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率還原 成與電機(jī)控制電壓Vout隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率相一致的信號(hào)，經(jīng)所述還 原單元還原后得到輸出電壓V 4，并將所述輸出電壓V4輸送至所述運(yùn)算系統(tǒng)的運(yùn)算單元；
[0016] (5)所述運(yùn)算單元接收所述輸入電壓V，且所述運(yùn)算單元對所述輸入電壓V進(jìn)入放 大處理后，得到輸出電壓V 5，所述運(yùn)算單元再對所述輸出電壓V5和所述輸出電壓V 4以及偏 移電壓Vmjnin作加減法運(yùn)算處理后，輸出電機(jī)控制電壓Vout;
[0017] (6)所述控制系統(tǒng)輸入端接收所述電機(jī)控制電壓Vout，經(jīng)所述控制系統(tǒng)檢測處理 后，所述控制系統(tǒng)輸出端輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)至所述渦輪風(fēng)機(jī)；
[0018] (7)所述渦輪風(fēng)機(jī)根據(jù)所述電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，控制所述渦輪風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制 所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。。
[0019] 6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的呼吸機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述渦輪 風(fēng)機(jī)的輸出壓力Pd不等于輸入壓力P時(shí)，所述運(yùn)算系統(tǒng)根據(jù)所述壓力傳感器反饋的輸出電 壓V1，調(diào)節(jié)輸出的電機(jī)控制電壓Vout的電壓值，來調(diào)節(jié)所述控制系統(tǒng)輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 信號(hào)，以改變所述渦輪風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力匕，直到輸出壓力Pd 等于輸入壓力P ;
[0020] 當(dāng)所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。等于輸入壓力P時(shí)，所述運(yùn)算系統(tǒng)輸出的電機(jī)控制 電壓Vout的電壓值為固定值，所述渦輪風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。
[0021] 進(jìn)一步的，在步驟（3)中，所述接收單元對輸出電壓1進(jìn)行處理的具體操作為：
[0022] 壓力傳感器的輸出電SV1與輸出壓力P。之間構(gòu)成的曲線為壓力傳感器輸出曲線， 假設(shè)其表達(dá)式為=V1= Vi(P。)，且0彡P(guān)qS P_，Vs min彡V1S Vs max，其中斜率為K1;所述 接收單元主要對壓力傳感器輸出曲線V1= Vi(P。）進(jìn)行濾波和限幅處理，濾除壓力傳感器輸 出曲線V1= V1(Pid)中的干擾分量，濾除干擾分量后所述接收單元輸出電壓V/。
[0023] 進(jìn)一步的，在步驟（4)中，所述還原單元還原后得到的輸出電壓V4隨所述渦輪風(fēng) 機(jī)的輸出壓力Pc的變化率與電機(jī)控制電壓Vout隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率相 一致。
[0024] 進(jìn)一步的，在步驟（4)中，所述還原單元包括還原單元一、還原單元二和還原單元 三，所述還原單元將輸出電壓V/隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率還原成與電機(jī)控 制電壓Vout隨所述渦輪風(fēng)機(jī)的輸出壓力P。的變化率相一致的信號(hào)，還原步驟具體為：
[0025] 還原單元接收的輸出電壓V1'與輸出壓力P。之間構(gòu)成的曲線為輸出電壓V/控 制曲線，假設(shè)其表達(dá)式為：V/ =V/ (P。），且〇彡P(guān)。彡P(guān)mx，Vs min彡V/彡Vs max，其 中斜率為K1;運(yùn)算單元輸出的電機(jī)控制電壓Vout與輸出壓力P。之間構(gòu)成的曲線為電機(jī)控 制曲線，假設(shè)其表達(dá)式為 Vout = Vout (P。），且 0 < Pq