專利名稱：基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法及監(jiān)測裝置的制作方法
基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法及監(jiān)測裝置技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對氣路中參數(shù)的監(jiān)測技術(shù)，特別涉及醫(yī)療設(shè)備中對監(jiān) 護(hù)病人的呼吸參數(shù)的監(jiān)測方法及裝置。背景技術(shù)：
呼吸力學(xué)監(jiān)測中，呼吸功的監(jiān)測具有很重要的臨床意義。呼吸功根據(jù) 監(jiān)測對象的不同可分為呼吸機做功和病人做功。前者是指機械控制或輔助 通氣時，呼吸機輸送潮氣量至病人肺內(nèi)所做的功，可以反映機械通氣的方 法和對病人呼吸的支持程度，監(jiān)測對象是麻醉機或呼吸機等機械或輔助通 氣設(shè)備。后者是指自主呼吸或輔助呼吸時，病人呼吸肌收縮，將一定量氣 體送入肺內(nèi)所做的功，監(jiān)測對象是病人。呼吸功是由兩部分組成，即彈性 功和非彈性功。彈性功是由通氣機或病人承擔(dān)的，為克服呼吸系統(tǒng)的彈性 所做的功。非彈性功是為克服呼吸系統(tǒng)對氣流的阻力(非彈性)，由通氣機 或病人所做的功，所以也叫阻力功。自主呼吸下病人的彈性功是不易在床 邊測定的，因為必須測定肺和胸廓的順應(yīng)性，因此需要測定胸內(nèi)壓。而胸 內(nèi)壓的直接測定是很困難的，通常以測定食管壓力來間接反應(yīng)。因此一般 情況下所指的病人所做的呼吸功，不包括自主呼吸下病人的呼吸肌和隔肌 為克服肺和胸壁所做的彈性功，而是病人的肺對氣體所做的功。呼吸功是 臨床上重要的監(jiān)測指標(biāo)。通過對呼吸功的監(jiān)測，可以衡量彈性和非彈性阻 力的水平，并作為判斷呼吸困難程度的定量指標(biāo)，還可以指導(dǎo)呼吸支持治 療選擇最佳通氣方式和呼吸參數(shù)，以盡量減少呼吸后負(fù)荷，避免呼吸肌疲 勞。通過呼吸功的監(jiān)測還可以評價病人呼吸功能恢復(fù)程度，指導(dǎo)呼吸機撤 離。另外，通過呼吸功的監(jiān)測來評價人機對抗程度，也是指導(dǎo)新型呼吸機 和通氣模式設(shè)計，使之更符合人體生理、病理的重要指標(biāo)之一。
根據(jù)呼吸功的定義，呼吸功恥砂是一個呼吸周期的吸氣相內(nèi)氣道壓力尸 對容量變化^咖積分，即<formula>formula see original document page 4</formula>
其中W為潮氣量，即吸氣末的體積。
目前通用的測定呼吸功的設(shè)備不多，主要由呼吸機完成，其方法有兩 種。 一是利用氣道壓力初始值和潮氣量的近似值方法，即
呼吸機做功=(吸氣初壓力+吸氣末壓力)X潮氣量/2 (2) 二是利用吸氣平均氣道壓力和潮氣量的乘積得到，即 呼吸機做功=吸氣相平均氣道壓力X潮氣量 (3) 對于上述基于呼吸機的呼吸功測量方法，其缺點主要體現(xiàn)在以下幾點 1)應(yīng)用范圍局限，對于不使用呼吸機的病人，例如麻醉機以及自主呼吸病 人，則無法監(jiān)測呼吸功狀態(tài)。2)對于利用公式2計算呼吸功的設(shè)備，其得 到的是呼吸功的近似值，理論上的精確性就比較差。而拿公式3與呼吸功的 定義式公式l對比，兩公式也是不能互相推導(dǎo)得到的，而是近似的用吸氣相 內(nèi)壓力對時間的平均，再與潮氣量相乘。3)由于呼吸機包含了氣路、閥門 等通氣部分，本身成本較高；而對呼吸功以及其他呼吸力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測， 完全可以脫離通氣部分。
另外還有一種傳統(tǒng)的測量呼吸功的方法，g卩Campbell圖測量法。該方 法以壓力-容積環(huán)以及肺和胸壁的順應(yīng)性曲線的面積來精確計算呼吸功。雖 然它能夠準(zhǔn)確的測量出呼吸功，并且可以通過有創(chuàng)的方法得到肺和胸壁的 順應(yīng)性曲線，但是它是基于對圖形的分析，無法實現(xiàn)持續(xù)、實時的監(jiān)測。 對于微電子技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，它更適合用于參比驗證新方法的測量結(jié)果。 近年來，有些學(xué)者利用床旁的代謝監(jiān)測技術(shù)，根據(jù)不同通氣條件下對
病人氧耗量的測定作為呼吸功的指標(biāo)，對通氣機依賴病人的撤機成功率的 預(yù)測可靠性進(jìn)行了研究，結(jié)果證明也是有一定意義的。但對于利用代謝監(jiān) 測技術(shù)進(jìn)行的呼吸功監(jiān)測，僅能測定由病人做的功，對于機械呼吸中呼吸 機、麻醉機所做的功則無法測定；人體的代謝或病人氧消耗量雖然可以體 現(xiàn)病人為做功而出現(xiàn)的能量消耗，但不能保證病人消耗的能量全都是用于 呼吸做功；例如病人四肢運動以及精神緊張的時候，氧耗量同樣會增加。 故這種方法的一大局限性在于受干擾較大。由于前述的局限性，從而決定 其應(yīng)用范圍相對狹窄。
隨著電子技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，生物醫(yī)學(xué)工程師們越來越趨向于 把呼吸的監(jiān)測專業(yè)化、小型化、模塊化，這樣就出現(xiàn)了呼吸力學(xué)模塊。由 于這種模塊可以單獨監(jiān)測呼吸力學(xué)參數(shù)，并且成本很低，所以其兼容性和 移植性很強，不但可以整合入麻醉機和一些低端或早期呼吸機內(nèi)部，也可 以應(yīng)用于監(jiān)護(hù)儀或其他小型呼吸功能檢測儀。它的出現(xiàn)，就為呼吸功的低 成本精確監(jiān)測提供了基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種穩(wěn) 定、精確度高、使用簡易、應(yīng)用廣泛的呼吸功監(jiān)測方法及監(jiān)測裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方 法，應(yīng)用于具備呼吸力學(xué)模塊的系統(tǒng)中，包括如下步驟11)當(dāng)系統(tǒng)病人 端處于吸氣狀態(tài)時，由所述呼吸力學(xué)模塊在采樣周期中采樣氣道流量、氣 道壓力，獲取采樣周期At內(nèi)流向病人端的氣體體積增加量;12)計得該 采樣周期的氣道壓力與該氣體體積增加量的乘積；13)將乘積累加，取該 累加值為呼吸功WOB。
上述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行上述
步驟，直到吸氣相結(jié)束，取在吸氣末得到的呼吸功WOB為本次總呼吸功 WOBt。t。
上述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，所述步驟ll)的具
體過程包括在呼吸力學(xué)模塊的一個采樣周期到來時，通過流量傳感器獲 取氣道流量，該氣道流量與采樣周期At相乘，得到氣體體積增加量。所 述步驟11)的具體過程還包括將氣體體積的當(dāng)前值裝入靜態(tài)變量
past—volume;將氣體體積增加量與氣體體積當(dāng)前值相加，用相加后的結(jié)果 刷新氣體體積volume的值。
上述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，還包括彈性功計算 步驟，在機械呼吸條件下，由呼吸力學(xué)模塊測量得到潮氣量VT和吸氣峰 壓PIP，彈性功W0B&ti。為
同時，本發(fā)明提出一種基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，包 括呼吸力學(xué)模塊、主控模塊，二者相連接；當(dāng)病人端處于吸氣狀態(tài)時，由 所述呼吸力學(xué)模塊在采樣周期中采樣氣道流量、氣道壓力；所述主控電路 計算采樣周期At內(nèi)流向病人端的氣體體積增加量，計得釆樣周期內(nèi)氣道 壓力與該氣體體積增加量的乘積，將乘積累加，取累加值為呼吸功WOB。
上述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，所述呼吸力學(xué)模塊、 主控模塊循環(huán)執(zhí)行上述步驟，直到吸氣相結(jié)束，在吸氣末得到呼吸功WOB 為本次總呼吸功WOBt。t。
上述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，所述呼吸力學(xué)模塊 在下個采樣周期到來時，通過流量傳感器獲取氣道流量，所述主控模塊將 該氣道流量與采樣周期At相乘，得到氣體體積增加量。所述主控模塊將 氣體體積的當(dāng)前值裝入靜態(tài)變量past—volume;將氣體體積增加量與氣體體 積當(dāng)前值相加，用相加后的結(jié)果刷新氣體體積的值。
上述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，在機械呼吸條件下， 由所述呼吸力學(xué)模塊測量得到潮氣量VT和吸氣峰壓PIP，主控模塊計算彈
性功W0Bw為,如,,=垂".尸/尸
由于采用了以上的方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明兼具以下優(yōu)點
1)由呼吸力學(xué)模塊實時采樣處理，主控模塊自動計量，測量操作簡單；2) 由于呼吸力學(xué)模塊的測量點在病人端，所以用于計算呼吸功的壓力和流量 值相對更接近肺內(nèi)的真實情況，使結(jié)果更為準(zhǔn)確；3)本發(fā)明的方法基于呼 吸功的定義，不存在近似測算，進(jìn)一步增加了結(jié)果的準(zhǔn)確性；4)由于基于 呼吸力學(xué)模塊，監(jiān)測設(shè)備的成本大幅降低；5)監(jiān)測設(shè)備的兼容性強，移植 潛力大，以呼吸力學(xué)模塊為載體，在增加呼吸功監(jiān)測后，可集成入監(jiān)護(hù)儀、 麻醉機、呼吸機以及呼吸檢測等設(shè)備；6)可以實現(xiàn)實時、持續(xù)測量，在吸 氣狀態(tài)下的任何采樣點，都可以得到呼吸功的當(dāng)前值。

圖l是基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2機械呼吸的容積-壓力環(huán)示意圖； 圖3自主呼吸的容積-壓力環(huán)示意圖； 圖4呼吸功測量的計算流程圖。
具體實施方式
下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。 如圖1所示，本例的呼吸功實時監(jiān)測裝置包括呼吸力學(xué)模塊、主控模塊。 呼吸力學(xué)模塊包括氣體流量傳感器、壓差傳感器、信號采集電路；通過將 氣體流量傳感器串接于氣道接頭與病人端的氣管插管或面罩之間，通過與 壓差傳感器的配合使用，實時測量氣道中的相對壓力P和氣體流量狀態(tài)， 由信號采集電路進(jìn)行信號采集、處理。而主控模塊采用單片機，通過對不
同時刻流量與時間乘積的累加又能得到每一時刻已通過流量傳感器的氣體
體積v。通過監(jiān)測整個呼吸周期中氣道壓力和氣體體積的最大值，則可以得 到潮氣量VT和吸氣峰壓PIP。而氣流的正、負(fù)方向分別標(biāo)志了吸氣和呼氣 相，則利用單片機中的定時器很容易測得吸氣時間Ti 。
在機械呼吸下，氣道中周期性變化的壓力-容積環(huán)圖如圖2所示。由于 正常機械通氣過程中氣路不會出現(xiàn)負(fù)壓，故理論上呼吸環(huán)總是出現(xiàn)在坐標(biāo) 軸的第一象限。在吸氣過程中，通氣設(shè)備對氣體做功，所做的功主要以克 服氣道阻力、人體胸壁和肺的彈性以及氣路的彈性(正壓狀態(tài)下氣路承受 氣道壓力而膨脹)。則根據(jù)呼吸功的定義，類扇形(實際呼吸過程中的環(huán) 圖是不規(guī)則的)OAB覆蓋的面積則為總呼吸功，而三角形OAB的面積則是彈 性功，總呼吸功減去彈性功的部分則為阻力功，即阻力功為
從圖2中不難看出，三角形OAB的面積可以通過VT和PIP計算得到， 即彈性功為
,插=會尸,尸
在自主呼吸下，氣道中周期性變化的壓力-容積環(huán)圖如圖3所示。由于 是自主呼吸，吸氣過程中氣道出現(xiàn)負(fù)壓，故理論上呼吸環(huán)跨越第一、二象 限。自主呼吸下主要由病人的肺克服氣道阻力做功，幾乎不存在為克服氣 道彈性所做的彈性功，測量此時的彈性功也不具有臨床意義。因此在氣路 未出現(xiàn)堵塞的情況下，彈性功可忽略不計。曲線OAC所覆蓋的面積即呼吸功 (阻力功)。
由于在呼吸過程中病人吸入的氣體體積V是隨時間改變的，則有
設(shè)在體積-壓力環(huán)圖中P對V的函數(shù)為P(V)， V在隨時間變化的同時，P也在 隨時間變化。所以有
w)) 設(shè)，):=w))
則由WOB的定義式(公式l)可推導(dǎo)得，總呼吸功
,加=/尸( = / ) (4)
其中Ti為吸氣末的時間(t值)。
在基于呼吸力學(xué)模塊的氣道監(jiān)測中，單片機對P和V的監(jiān)測在時間上是
離散的，假設(shè)其采樣頻率為f ，則模塊在采樣得到以時間1/f為間隔的p
和V值序列。
<formula>formula see original document page 9</formula>
則結(jié)合公式4可推導(dǎo)出總呼吸功的離散算法
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，由于f是已知量，Ti、 P、 n、 Vn則由呼吸力學(xué)模塊測量得到。 公式5是呼吸力學(xué)模塊呼吸功監(jiān)測的理論基礎(chǔ)。
根據(jù)總呼吸功的離散算法，計算呼吸功的單片機定義自動變量volume、 W0B、 press和flow,分別用于裝載氣道中某一時刻的氣體體積、呼吸功、 氣道壓力和氣道流量。
圖4是呼吸功測量的實現(xiàn)流程圖。如圖所示，判斷呼吸周期是否處于吸 入狀態(tài)的方法是檢査氣道流量flow的符號是否為正。定義靜態(tài)變量 past_volume，初始化時此值置為0;當(dāng)處于吸氣狀態(tài)時，將vol咖e的當(dāng)前 值裝入past—volume,在呼吸力學(xué)模塊的下一個采樣點到來時，用flow與采 樣周期A t相乘得到時間A t內(nèi)流過傳感器的氣體體積，再與volume的當(dāng)前 值相加，相加后的結(jié)果裝入volume作為對其的刷新；例如，采樣頻率是 100Hz ，則At = 0. Ols。這樣，volume-pastjolume就對應(yīng)公式5中的Vn -Vn-l 。將每次采樣后計得的press氺(volume-past—volume)累加，以W0B 裝載，直到吸氣相結(jié)束。則在吸氣末得到的WOB就是總呼吸功。在每一次呼 吸周期結(jié)束后，都能得到一個W0B，作為本次呼吸的總呼吸功。
在機械呼吸的條件下，利用呼吸周期結(jié)束后得到的VT和PIP計算得 到彈性功，則可進(jìn)一步得到阻力功的大小。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說 明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，應(yīng)用于具備呼吸力學(xué)模塊的系統(tǒng)中，包括如下步驟11)當(dāng)系統(tǒng)病人端處于吸氣狀態(tài)時，由呼吸力學(xué)模塊在采樣周期中采樣氣道流量、氣道壓力，系統(tǒng)獲取采樣周期Δt內(nèi)流向病人端的氣體體積增加量；12)計得該采樣周期內(nèi)氣道壓力與該氣體體積增加量的乘積；13)將該乘積累加，取該累加值為呼吸功WOB。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，其特征 是循環(huán)執(zhí)行上述步驟，直到吸氣相結(jié)束，取在吸氣末得到的呼吸功 WOB為本次總呼吸功WOBt。t。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，其特征 是，所述步驟11)的具體過程包括在呼吸力學(xué)模塊的一個采樣周期 到來時，通過流量傳感器獲取氣道流量，該氣道流量與采樣周期At相 乘，得到氣體體積增加量。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法，其 特征是，所述步驟11)的具體過程還包括將氣體體積的當(dāng)前值裝入 靜態(tài)變量past—volume;將氣體體積增加量與氣體體積當(dāng)前值相加，用 相加后的結(jié)果刷新氣體體積的值。 '
5. 如權(quán)利要求1-3中任一項所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測 方法，其特征是還包括彈性功計算步驟，在機械呼吸條件下，由呼吸 力學(xué)模塊測量得到潮氣量VT和吸氣峰壓PIP，取彈性功W0B6lasti￡為
6. 基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，包括呼吸力學(xué)模塊、主控模 塊，二者相連接；其特征是當(dāng)病人端處于吸氣狀態(tài)時，由所述呼吸力 學(xué)模塊在采樣周期中采樣氣道流量、氣道壓力；所述主控電路計算采樣 周期At內(nèi)流向病人端的氣體體積增加量，計得采樣周期內(nèi)氣道壓力與 該氣體體積增加量的乘積，將乘積累加，取累加值為呼吸功WOB。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，其特征 是所述呼吸力學(xué)模塊、主控模塊循環(huán)執(zhí)行上述步驟，直到吸氣相結(jié)束， 在吸氣末得到呼吸功WOB為本次總呼吸功WOBt。t。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置,其特征 是所述呼吸力學(xué)模塊在下個采樣周期到來時，通過流量傳感器獲取氣 道流量，所述主控模塊將該氣道流量與采樣周期At相乘，得到氣體體 積增加量。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測裝置，其 特征是所述主控模塊將氣體體積的當(dāng)前值裝入靜態(tài)變量past—volume; 將氣體體積增加量與氣體體積當(dāng)前值相加，用相加后的結(jié)果刷新氣體體 積的值。
10. 如權(quán)利要求6-8中任一項所述的基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測 裝置，其特征是在機械呼吸條件下，由所述呼吸力學(xué)模塊測量得到潮 氣量VT和吸氣峰壓PIP，主控模塊計算彈性功WOB^ti。為
全文摘要
本發(fā)明公開了基于呼吸力學(xué)模塊的呼吸功實時監(jiān)測方法及監(jiān)測裝置，該裝置包括呼吸力學(xué)模塊、主控模塊；當(dāng)病人端處于吸氣狀態(tài)時，由呼吸力學(xué)模塊在采樣周期中采樣氣道流量flow、氣道壓力press；主控電路計算采樣時間Δt內(nèi)流向病人端的氣體體積增加量，計得采樣周期的氣道壓力press與該氣體體積增加量的乘積，將乘積累加，取累加值為呼吸功WOB。本發(fā)明由于呼吸力學(xué)模塊的測量點在病人端，所以用于計算呼吸功的壓力和流量值相對更接近肺內(nèi)的真實情況，使結(jié)果更為準(zhǔn)確；本發(fā)明的方法基于呼吸功的定義，不存在近似測算，進(jìn)一步增加了結(jié)果的準(zhǔn)確性。
文檔編號G06F19/00GK101380233SQ20071007688
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者葉繼倫, 巍 金 申請人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司