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一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置及方法.pdf

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一種 呼吸 高頻 正弦 氣流 產生 裝置 方法
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摘要
申請專利號:

CN201410012563.2

申請日:

20140110

公開號:

CN103751897A

公開日:

20140430

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61M16/10 主分類號: A61M16/10
申請人: 東華大學
發明人: 袁越陽,楊崇倡
地址: 201620 上海市松江區松江新城人民北路2999號
優先權: CN201410012563A
專利代理機構: 上海泰能知識產權代理事務所 代理人: 宋纓;孫健
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410012563.2

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置和方法,該裝備是包括一種流量控制閥,其上一系列不同橫截面積的氣流通道,每個通道對應有一個電磁閥來控制其導通和關閉。通過控制電磁閥組來控制氣流從一系列不同橫截面積的氣流通道按離散正弦信號來進行數碼組合輸出,輸出的氣流波形呈現正弦信號的波形特征,包括對輸出頻率、幅度、相位的確定。氣流控制閥上所有氣流通道流經氣流流量按2n-1倍基本流量分配,該基本流量為最小孔徑通道對應的氣流流量,n=1,2,3……。采用該方法來控制正弦氣流輸出具有運算量小、響應速度快,控制簡單和易于實現等特點,用于高頻呼吸機以增強高頻呼吸機使用的舒適度和治療效果。

權利要求書

1.一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,包括恒壓裝置、氣流控制閥、電磁閥組、控制器和常規呼吸機,其特征在于,所述恒壓裝置的輸出端與氣流控制閥的輸入端接口相連,所述氣流控制閥的輸出端接口與三通連接器的一個連接端相連,所述三通連接器的另外兩個連接端分別與常規呼吸機和輸出管相連;所述氣流控制閥上設有N個氣流通道,每個氣流通道采用電磁閥組中的一個電磁閥進行控制;每一氣流通道的通氣流量不同,其中,最小孔徑的氣流通道的通氣流量定義為基本通氣流量q,隨后其它氣流通道的通氣流量滿足2×q,其中,n=2,3,4…N,N為氣流控制閥上不同氣流通道依據孔徑按升序排列后最大孔徑的氣流通道對應的序數;所述控制器輸出離散控制信號給電磁閥組,電磁閥組中的電磁閥在電壓驅動下打開或關閉氣流控制閥上不同孔徑的氣流通道。2.根據權利要求1所述的呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,其特征在于,所述氣流控制閥上有N個氣流通道,各個氣流通道輸出氣流和氣流控制閥的總輸出氣流流量滿足如下表達式:并行管路的總流量=各個管路流量相加。3.根據權利要求1所述的呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,其特征在于,所述控制器的輸出口采用并聯方式輸出控制信號,輸出控制信號轉換成二進制數碼后在時序上滿足如下表達式:其中,Δt為控制器最小采樣時間;O(k)為k倍Δt時刻輸出值,作為一個正弦波周期,f為輸出正弦波的頻率,每個k倍Δt時刻氣流控制閥輸出的氣流總流量Q=O(k)×q。4.一種呼吸機高頻正弦氣流產生方法,其特征在于,采用如權利要求1所述的呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,包括以下步驟:(1)控制器在一定的時間內完成對應時刻的正弦波幅度值,并對其模數轉換后有輸出口輸出給電磁閥組的控制部分;(2)電磁閥組收到控制信號后,所有對應為高電平的電磁閥啟動打開對應的氣流通道輸出氣流;(3)所有被打開的氣流通道輸出的氣流在氣流控制閥的輸出端匯合成與該時刻對應的正弦波氣流幅度值;(4)重復步驟(1)、(2)和(3),直到需要停止輸出正弦波氣流。5.根據權利要求4所述的呼吸機高頻正弦氣流產生方法,其特征在于,所述控制器的輸出口采用并聯方式輸出控制信號,輸出控制信號轉換成二進制數碼后在時序上滿足如下表達式:其中,Δt為控制器最小采樣時間;O(k)為k倍Δt時刻輸出值,作為一個正弦波周期,f為輸出正弦波的頻率,每個k倍Δt時刻氣流控制閥輸出的氣流總流量Q=O(k)×q。6.根據權利要求4所述的呼吸機高頻正弦氣流產生方法,其特征在于,所述正弦波氣流的振幅由所有氣流通道打開時的輸出流量之和來決定,其峰-峰值等于所有氣流通道打開時輸出氣流,或振幅值等于所有氣流通道打開時輸出氣流的一半。

說明書

技術領域

本發明涉及醫療器械技術領域,特別是涉及一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置及方法。

背景技術

臨床試驗證明采用高頻通氣能在低通氣壓、低通氣量(甚至低于呼吸生理死腔的通氣量)的情況下也能滿足患者正常呼吸生理的需求,能減少氣壓對呼吸氣道、肺的損傷。

現有臨床機械通氣技術中,所使用呼吸機主要有常規通氣呼吸機(CMV:Conversional?Mechanical?Ventilator)和高頻通氣呼吸(HFV:High?Frequency?Ventilator);而高頻通氣又主要可分為高頻正壓通氣(HFPPV:High?Frequency?Positive?Pressure?Ventilation)、高頻射頻通氣(HFJV:High?Frequency?Jet?Ventilation)和高頻震蕩通氣(HFOV:High?Frequency?Oscillating?Ventilation)。高頻氣流通常采用頻率2Hz~100Hz的脈沖、鋸齒波或正弦氣流波。

目前具有高頻震蕩通氣(HFOV)功能的呼吸機其高頻氣流產生的方式是采用大功率揚聲器或采用通過往復式活塞對它們輸入一定頻率的控制信號來產生。其輸出高頻氣流的震蕩幅度受限于揚聲器音圈的振幅或頻率受限于活塞的往復行程,在輸出高頻氣流的同時還產生一定的音頻噪音。對于包括正弦在內的其它波形的高頻氣流,需要復雜的控制電路、信號感應與處理和控制算法來控制閥門的開度才能實現,且容易受到干擾而輸出不必要的尖峰氣流等。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置及方法,使得正弦高頻氣流輸出易于控制,并且算法簡單。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,包括恒壓裝置、氣流控制閥、電磁閥組、控制器和常規呼吸機,所述恒壓裝置的輸出端與氣流控制閥的輸入端接口相連,所述氣流控制閥的輸出端接口與三通連接器的一個連接端相連,所述三通連接器的另外兩個連接端分別與常規呼吸機和輸出管相連;所述氣流控制閥上設有N個氣流通道,每個氣流通道采用電磁閥組中的一個電磁閥進行控制;每一氣流通道的通氣流量不同,其中,最小孔徑的氣流通道的通氣流量定義為基本通氣流量q,隨后其它氣流通道的通氣流量滿足2n-1×q,其中,n=2,3,4…N,N為氣流控制閥上不同氣流通道依據孔徑按升序排列后最大孔徑的氣流通道對應的序數;所述控制器輸出離散控制信號給電磁閥組,電磁閥組中的電磁閥在電壓驅動下打開或關閉氣流控制閥上不同孔徑的氣流通道。

所述氣流控制閥上有N個氣流通道,各個氣流通道輸出氣流和氣流控制閥的總輸出氣流流量滿足如下表達式:

并行管路的總流量=各個管路流量相加。

所述控制器的輸出口采用并聯方式輸出控制信號,輸出控制信號轉換成二進制數碼后在時序上滿足如下表達式: O ( k ) = 1 2 ( 2 N - 1 ) × ( 1 + sin [ 2 πf ( k × Δt ) ] ) , ]]>其中,Δt為控制器最小采樣時間;O(k)為k倍Δt時刻輸出值,作為一個正弦波周期,f為輸出正弦波的頻率,每個k倍Δt時刻氣流控制閥輸出的氣流總流量Q=O(k)×q。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:還提供一種呼吸機高頻正弦氣流產生方法,采用上述的呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,包括以下步驟:

(1)控制器在一定的時間內完成對應時刻的正弦波幅度值,并對其模數轉換后有輸出口輸出給電磁閥組的控制部分;

(2)電磁閥組收到控制信號后,所有對應為高電平的電磁閥啟動打開對應的氣流通道輸出氣流;

(3)所有被打開的氣流通道輸出的氣流在氣流控制閥的輸出端匯合成與該時刻對應的正弦波氣流幅度值;

(4)重復步驟(1)、(2)和(3),直到需要停止輸出正弦波氣流。

所述控制器的輸出口采用并聯方式輸出控制信號,輸出控制信號轉換成二進制數碼后在時序上滿足如下表達式: O ( k ) = 1 2 ( 2 N - 1 ) × ( 1 + sin [ 2 πf ( k × Δt ) ] ) , ]]>其中,Δt為控制器最小采樣時間;O(k)為k倍Δt時刻輸出值,作為一個正弦波周期,f為輸出正弦波的頻率,每個k倍Δt時刻氣流控制閥輸出的氣流總流量Q=O(k)×q。

所述正弦波氣流的振幅由所有氣流通道打開時的輸出流量之和來決定,其峰-峰值等于所有氣流通道打開時輸出氣流,或振幅值等于所有氣流通道打開時輸出氣流的一半。

有益效果

由于采用了上述的技術方案,本發明與現有技術相比,具有以下的優點和積極效果:本發明氣流控制閥中所有使用的電磁閥門無需在工作過程中控制其閥門的開度,只需通過高低電平的輸入來控制其是否打開或關閉。在某一時刻輸出的高頻氣流流量由該時刻所有被打開的氣流通道輸出的高頻氣流流量相加。本發明計算量小,實時性強,結果輸出可靠,易于控制和實現,采用開環控制模式有效控制輸出高頻氣流滿足高頻呼吸機所規定的震蕩頻率為2Hz以上正弦波形式的要求;其設備結構簡單,易于加工和裝配。

附圖說明

圖1是本發明裝備氣流控制閥工作連接示意圖,

圖中:1為恒壓裝置;2為輸入連接管路;3為控制器;4為電磁閥;5為氣流控制閥輸入管路接口;6為氣流控制閥;7為氣流控制閥輸出管路接口;8為輸出管路;9為常規呼吸機;10為呼吸機氣流輸出管路;11為管路氣流管路三通連接器;12為氣流輸出管;

圖2是本發明裝備氣流控制閥的橫截面結構示意圖,

圖中:13為電磁閥門接入口;14為氣流通道;

圖3是采用本發明方法來實現的氣流輸出波形示意圖,

圖中:△t為最小采樣時間間隔;

圖4是本發明裝備與呼吸機配合使用輸出波形示意圖,

圖中:Tin表示吸氣時間,Tex表示為呼吸時間。

具體實施方式

下面結合具體實施例,進一步闡述本發明。應理解,這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解,在閱讀了本發明講授的內容之后,本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改,這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

本發明設計了一個具有多氣流通道的控制閥,每一氣流通道上對用有一個電磁閥來控制氣流通道的開啟和關閉。控制閥上的每一通道的通氣流量不同,且依照2n-1倍最小孔徑的通氣流量依次設計n=1,n=2,…直到按孔徑升序排列后的最大孔徑的對應的序數“N”。通過控制器的并行端口輸出離散正弦信號值來控制電磁閥,從而控制對應的氣流通道,使輸出氣流在時序上滿足離散正弦波的形式。

本發明涉及一種呼吸機高頻正弦氣流產生裝置,如圖1所示,包括恒壓裝置1、氣流控制閥6、電磁閥組4、控制器3和常規呼吸機9,所述恒壓裝置1的輸出端通過輸入連接管與氣流控制閥6的輸入端接口5相連,所述氣流控制閥6的輸出端接口7通過輸出連接管與三通連接器11的一個連接端相連,所述三通連接器11的另外兩個連接端,一個通過氣流輸出管與常規呼吸機9相連,另一個直接與輸出管相連。所述氣流控制閥6上設有N個氣流通道,每個氣流通道采用電磁閥組4中的一個電磁閥進行控制;每一氣流通道的通氣流量不同,其中,最小孔徑的氣流通道的通氣流量定義為基本通氣流量q,隨后其它氣流通道的通氣流量滿足2n-1×q,其中,n=2,3,4…N,N為氣流控制閥上不同氣流通道依據孔徑按升序排列后最大孔徑的氣流通道對應的序數;所述控制器輸出離散控制信號給電磁閥組,電磁閥組中的電磁閥在電壓驅動下打開或關閉氣流控制閥上不同孔徑的氣流通道。

由空氣動力學理論已經證明在氣流為層流的條件下,本發明氣流控制閥上有N個氣流通道,各氣流通道輸出氣流和氣流控制閥的總輸出氣流流量滿足如下公式:

并行管路的總流量=各個管路流量相加。

取最小孔徑的氣流通道打開時輸出氣流流量為q,并作為所選氣流控制閥的基本流量,則次小孔徑的氣流通道打開時對應輸出氣流流量為21×q,再次小孔徑的氣流通道打開時輸出氣流流量為22×q;按氣流通道孔徑升序排列后依次類推直到最大孔徑的氣流通道對應的輸出氣流量為2N-1×q。使用時依據總輸出氣流流量的大小選取對應基本流量q值的氣流控制閥。

按照圖2所示所有不同孔徑的氣流通道的電磁閥接入口13分別相應接入圖1中所示的電磁閥組中的電磁閥,每個電磁閥控制電路與控制器的控制輸出口相連并受控于控制器。氣流通道14、電磁閥組中的電磁閥與控制器的控制輸出端口的對應控制關系滿足下表:

電磁閥組中的每一個電磁閥與氣流控制閥的電磁閥門接入口相連接是采用螺紋對接方式,接入時彼此扭緊以保證密封性能。

控制器的N個輸出口采用并聯方式輸出控制信號,輸出端口p控制信號轉換成二進制數碼后在時序上滿足如下數學公式:

O ( k ) = 1 2 ( 2 N - 1 ) × ( 1 + sin [ 2 ] πf ( k × Δt ) ) - - - ( i ) ]]>

式中,Δt為控制器最小采樣時間;O(k)為k倍Δt時刻輸出值,作為一個正弦波周期,f為輸出正弦波的頻率,每個k倍Δt時刻氣流控制閥輸出的氣流總流量為Q:

Q=O(k)×q??(ii)

下面結合說明書附圖對本發明一個實施例作進一步的詳細描述:

依照圖1所示,所發明裝備使用時連接方法為:

氣流控制閥6通過輸入端管路接口5和輸入管路2與恒壓裝置1相連;氣流控制閥6通過輸出管路接口7與輸出管路8相連;控制器3通過電磁閥組4電性連接到氣流控制閥6;最后通過管路三通連接器11把輸出管路8和常規呼吸機9的氣流輸出管路10連接;氣流輸出管路12作為最終氣流輸出連接到管路三通連接器11的另一接口。

所發明方法實現時控制器3控制運算過程如下:

圖1所示控制器3開始執行后,先對公式(i)與(ii)中計數器k初始化,計算得出對應k值的正弦信號輸出值,接著把該輸出數據轉換成二進制,再把二進制數據送到輸出口P,然后計數器k加1后判斷k是否達到的最大值2N,即判斷是否一個周期正弦波輸出完成,若是則使計數器k重新置0并結束本次計算,否則直接跳到結束本次計算。Δt時間后控制器繼續上次的k來運算輸出。

本發明裝備最終輸出氣流由高頻正弦氣流和普通呼吸機輸出氣流組成,其匯合點在管路三通連接器;它們的流經分別為:

a.高頻正弦氣流:

氣源進入恒壓裝置1--→輸入管路2--→輸入端管路接口5--→氣流控制閥6--→輸出管路接口7--→輸出管路8--→管路三通連接器11--→氣流輸出管路12--→輸出。

b.常規呼吸機9輸出氣流:

常規呼吸機9--→管路三通連接器11--→氣流輸出管路12。

圖1所示電磁閥組4被輸入控制數據后;對應輸入控制電位為高電平的電磁閥將被啟動電磁閥門打開使圖2中相對應的氣流通道13輸出相應的氣流,其氣流波形狀在時序上如圖3所示;所有氣流輸出在圖1所示輸出管路8、管路三通連接器11和輸出管路12中相加后輸出對應時刻呼吸機高頻震蕩氣流流量,其輸出氣流波形狀在時序上如圖4所示。其中,正弦波氣流的振幅由所有氣流通道打開時的輸出流量之和來決定,其峰-峰值等于所有氣流通道打開時輸出氣流,或振幅值等于所有氣流通道打開時輸出氣流的一半。

本發明實施方法采用開環控制模式來控制氣流通道13的氣流輸出流量,不需要采用任何傳感器及其信號處理電路來反饋輸出控制,運算量小,結果可靠。

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