CN105105750A - 主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与监测方法：通过设计呼吸管道便于监测呼吸流量二氧化碳浓度；呼吸管道设计主要包括取压孔和节流孔的设计,二氧化碳浓度监测窗口的设计；呼吸管道和呼吸电路相结合组成一个便携式监测模块；利用差压式压力传感器测得呼吸气压，根据预先的标定实验和拟合公式确定当前的呼吸流量，得到实时的呼吸流量；控制光源亮灭，双通道热释电传感器输出幅值连续变化的调制信号；对每个通道采集的数据进行滤波处理；然后利用峰谷的和、差值提取交流分量；根据标定实验获取的拟合参数确定当前呼吸二氧化碳浓度。本发明能够快捷、稳定、准确地实现对人呼吸流量和二氧化碳浓度的监测。

Description

主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与方法

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与方法。

背景技术

人呼吸流量和二氧化碳浓度实时监测在医疗监测中起到了越来越重要的作用。随着医学科技和相关理论的发展，呼吸流量和二氧化碳浓度检测技术发展迅速，检测方法也越来越多。呼吸流量的检测方法可以分为间接法和直接法。间接检测法是通过检测呼吸产生的一些附加现象，来提取呼吸流量信号。直接检测法主要包括仿生微机器人法和流量压力传感器法，其中流量压力传感器法由于测量准确且实现较为简单而成为目前研究的热点。相对于间接法，直接法可以提高检测精度，实现对呼吸流量的实时检测。二氧化碳浓度监测方式可分为主流式和旁流式。相对于旁流式，主流式具有响应速度快、实时监测等优点。目前虽然有少数主流式呼吸监测设备实现了呼吸流监测，但由于呼吸气流的干扰使监测结果误差较大，而且存在输出信号弱等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与方法，克服现有技术中主流式呼吸监测参数比较单一、测量误差大的问题。

本发明的技术方案是：

一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置，由上位机、监测模块和呼吸管道组成，所述上位机为通用计算机或监护仪，所述监测模块包括差压式气压传感器、红外光源和四通道红外传感器三部分，所述呼吸管道中部设有两个取压孔，差压式气压传感器置于呼吸管道的两个取压孔之间，呼吸管道中部上方设有凸出的节流装置，节流装置下方为监测窗口，红外光源和双通道红外传感器置于监测窗口两侧。

所述呼吸管道分进气口、中间段和出气口三部分，所述进气口和出气口为圆柱形结构，中间段为长方体结构，所述节流装置为长方体结构，直角壁为圆倒角。

一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测方法，首先对整个***进行一个上电预热过程，预热时间1分钟，通过微控制器给差压式气压传感器提供一个稳定激励，微控制器能够提供不同的激励，为了寻找最佳的差压式气压传感器激励，可以通过提供不同的激励测实验结果，然后通过比较不同激励的情况下差压式气压传感器的输出采用数学统计的方法来确定最佳激励，选择差异系数CV来确定，CV值越小代表传感器的激励选择越好；同时微控制器通过控制光源闪烁使双通道传感器输出周期固定的调制信号，当该调制信号电压达到波峰或波谷时启动模数转化器获取红外传感器测量通道电压D_c、红外传感器参考通道电压D_r，并将信号发送到上位机处理。

所述方法包括呼吸流量监测和二氧化碳浓度监测两部分，步骤如下：

(1)在不通入气流的情况下采集30秒的输出的电压数据，对这些数据进行求平均值S₀，接着通入某一流速的气流，再采集1分钟的数据S₁,S₂,S₃……S_n，然后通入不同流速的气流，进行同样的实验；

(2)将上一步骤采集到的数据进行处理进行二阶多项式拟合，首先计算出ΔS_n＝S_n-S₀，计算出不同流速下的差值，然后将这些差值和流速通过最小二乘法进行标定，得到拟合公式ΔS＝aX²+bX+c，其中a,b,c为标定实验所确定的参数,X为流速；

(3)使用该平台进行检测人的呼吸，通过采集人呼吸的数据，计算出与不通入气流的情况下采集的数据的差值，然后通过标定的逆过程求得人呼吸流量；

(4)根据呼吸结果绘制实时呼吸气压曲线，呼吸流量曲线；

(5)对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值D_hc与谷值D_lc之差提取测量通道交流D_ac分量，即：D_ac＝(D_hc-D_lc)/2，同理得到参考通道交流分量D_ar分量；

(6)利用两通道交流分量差值：D_s＝D_ac-D_ar进行三阶多项式拟合确定当前呼吸二氧化碳浓度：其中p₃、p₂、p₁、p₀为标定实验所确定的参数；

(7)根据呼吸结果绘制实时呼吸二氧化碳浓度曲线。

本发明的有益效果为：本发明提出的主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置和方法实现直接在呼吸管道上对病人的呼吸流量和二氧化碳浓度实时监测，并能从呼吸流量和二氧化碳浓度波形中分析出病人生命体征状况和相关信息，给医生提供准确可靠的信息指导。

附图说明

图1主流式呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置结构示意图；

图2本发明呼吸流量和二氧化碳浓度监测方法流程图；

图3主流式呼吸流量和二氧化碳浓度监测装置呼吸电路示意图；

其中：1-取压孔；2-节流装置；3-圆倒角；4-进气口；5-出气口；6-监测窗口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的主流式呼吸流量和二氧化碳浓度监测装置由上位机、监测模块和呼吸管道组成。上位机为通用计算机或监护仪。监测模块包括差压式气压传感器、红外光源和四通道红外传感器三部分，如图1所示，呼吸管道中呼吸气流从进气口4进入管道，差压式压力传感器模块置于两个取压孔1之间，当气流遇到节流装置2时，在节流装置的前后会产生一个压差降，可以通过两个取压孔1获得的压力求得，最后气流经过出气口5流出，同时气流通过监测窗口6和中间管道组成的气室，穿过光源发出的光束，气体中的二氧化碳能够吸收相应波长的光。根据流体力学原理，当气流遇到直角壁产生涡流的现象，对实验结果有影响，所以为了避免涡流的出现，将节流装置的直角壁改成如图1中所示圆倒角3，使气流能够平稳的过渡，为了使呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测，将监测窗口6置于节流装置的下面。监测模块除了呼吸管道还包括呼吸电路，如图3所示，主要有微控制器电路、放大电路以及串口通信电路。传感器的输出经过带通滤波放大电路滤波放大后进入微控制器电路进行处理，最后通过串口通信电路将处理结果发送到上位机中进行进一步处理。最终在上位机上显示出人呼吸流量和二氧化碳浓度波形。

其中，呼吸管道的进气口和出气口部分是圆柱形结构，而中间部分是长方体结构。节流装置和监测窗口是整个管道设计中的重要部分。在呼吸管道的中间段管道的上部，加入一个能够使节流孔变小的节流装置2如图1中所示，该节流装置和管道是一体的，由于中间段管道是长方体结构，所以该部件设计成为一个长方体结构，同时考虑到人的呼吸受阻情况，如果形成的节流孔过小，人呼吸会变的困难。将该节流装置的前后直角壁设计成圆倒角的形式，使气流能够平稳的过渡。当气流通过该节流装置时，气流流速会减慢，在前后形成一个压差降。监测窗口6位于节流装置的下方，和管道也是一体的，

如图3所示，压力传感器的端口1和端口2分别和呼吸管道的两个取压孔1相连，双通道红外传感器和红外光源固定在监测窗口6两侧。

本发明按如下过程获取呼吸流量和二氧化碳浓度参数：

首先对整个***进行一个上电预热过程，预热时间1分钟，通过微控制器给压力传感器提供一个稳定激励，微控制器能够提供不同的激励，为了寻找最佳的压力传感器激励，可以通过提供不同的激励测实验结果，然后通过比较不同激励的情况下压力传感器的输出采用数学统计的方法来确定最佳激励，选择差异系数CV来确定，CV值越小代表传感器的激励选择越好；同时微控制器通过控制光源闪烁使双通道传感器输出周期固定的调制信号，当该调制信号电压达到波峰或波谷时启动模数转化器获取红外传感器测量通道电压D_c、红外传感器参考通道电压D_r。并将信号发送到上位机处理。

对于呼吸流量监测：

(1)在不通入气流的情况下采集30秒的输出的电压数据，对这些数据进行求平均值S₀，接着通入某一流速的气流，再采集1分钟的数据S₁,S₂,S₃……S_n，然后通入不同流速的气流，进行同样的实验；

(2)将上一步骤采集到的数据进行处理进行二阶多项式拟合，首先计算出ΔS_n＝S_n-S₀，计算出不同流速下的差值，然后将这些差值和流速通过最小二乘法进行标定，得到拟合公式ΔS＝aX²+bX+c，其中a,b,c为标定实验所确定的参数,X为流速；

(3)使用该平台进行检测人的呼吸，通过采集人呼吸的数据，计算出与不通入气流的情况下采集的数据的差值，然后通过标定的逆过程求得人呼吸流量；

(4)根据呼吸结果绘制实时呼吸气压曲线，呼吸流量曲线。

对于二氧化碳浓度监测：

(5)对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值D_hc与谷值D_lc之差提取测量通道交流D_ac分量，即：D_ac＝(D_hc-D_lc)/2，同理得到参考通道交流分量D_ar分量。

(6)利用两通道交流分量差值：D_s＝D_ac-D_ar进行三阶多项式拟合确定当前呼吸二氧化碳浓度：其中p₃、p₂、p₁、p₀为标定实验所确定的参数。

(7)根据呼吸结果绘制实时呼吸二氧化碳浓度曲线。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置，由上位机、监测模块和呼吸管道组成，其特征在于，所述上位机为通用计算机或监护仪，所述监测模块包括差压式气压传感器、红外光源和四通道红外传感器三部分，所述呼吸管道中部设有两个取压孔，差压式气压传感器置于呼吸管道的两个取压孔之间，呼吸管道中部上方设有凸出的节流装置，节流装置下方为监测窗口，红外光源和双通道红外传感器置于监测窗口两侧。

2.根据权利要求1所述主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置，其特征在于，所述节流装置为长方体结构，直角壁为圆倒角。

3.一种主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测方法，其特征在于，首先对整个***进行一个上电预热过程，预热时间1分钟，通过微控制器给差压式气压传感器提供一个稳定激励，微控制器能够提供不同的激励，为了寻找最佳的差压式气压传感器激励，可以通过提供不同的激励测实验结果，然后通过比较不同激励的情况下差压式气压传感器的输出采用数学统计的方法来确定最佳激励，选择差异系数CV来确定，CV值越小代表传感器的激励选择越好；同时微控制器通过控制光源闪烁使双通道传感器输出周期固定的调制信号，当该调制信号电压达到波峰或波谷时启动模数转化器获取红外传感器测量通道电压D_c、红外传感器参考通道电压D_r，并将信号发送到上位机处理。

4.根据权利要求3所述主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测方法，其特征在于，包括呼吸流量监测和二氧化碳浓度监测两部分，步骤如下：

(1)在不通入气流的情况下采集30秒的输出的电压数据，对这些数据进行求平均值S₀，接着通入某一流速的气流，再采集1分钟的数据S₁,S₂,S₃……S_n，然后通入不同流速的气流，进行同样的实验；

(2)将上一步骤采集到的数据进行处理进行二阶多项式拟合，首先计算出ΔS_n＝S_n-S₀，计算出不同流速下的差值，然后将这些差值和流速通过最小二乘法进行标定，得到拟合公式ΔS＝aX²+bX+c，其中a,b,c为标定实验所确定的参数,X为流速；

(3)使用该平台进行检测人的呼吸，通过采集人呼吸的数据，计算出与不通入气流的情况下采集的数据的差值，然后通过标定的逆过程求得人呼吸流量；

(4)根据呼吸结果绘制实时呼吸气压曲线，呼吸流量曲线；

(5)对于呼吸二氧化碳监测，利用测量通道电压峰值D_hc与谷值D_lc之差提取测量通道交流D_ac分量，即：D_ac＝(D_hc-D_lc)/2，同理得到参考通道交流分量D_ar分量；

(6)利用两通道交流分量差值：D_s＝D_ac-D_ar进行三阶多项式拟合确定当前呼吸二氧化碳浓度：其中p₃、p₂、p₁、p₀为标定实验所确定的参数；

(7)根据呼吸结果绘制实时呼吸二氧化碳浓度曲线。