CN105167777A

CN105167777A - 主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置及方法

Info

Publication number: CN105167777A
Application number: CN201510589431.0A
Authority: CN
Inventors: 杨嘉琛; 陈波波; 周建雄
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明公开了一种主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置及方法：通过控制光源闪烁使四通道红外传感器输出周期固定的调制信号；获取四通道红外传感器的测量通道电压、参考通道电压和差压式气压传感器的输出值；对于呼吸气体浓度监测，利用各个通道的波峰和波谷电压差值获取各个通道的交流分量；利用校正方程对三个测量通道的测量数据进行调整，得到二氧化碳通道调整后的数值；一氧化二氮通道调整后的数值；醚氛类麻醉气体通道调整后的数值；利用标定实验获取的系数和三阶多项式分别求取不同气体的浓度；利用气压传感器的输出值，根据预先的标定实验和二阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸气压；得到呼吸气流实时速度和呼吸流量；获得肺容量。本发明能够方便快捷的实现多种气体浓度和呼吸气压的同步监测。

Description

主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置及方法

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置及方法。

背景技术

人呼吸气体浓度和呼吸气压监测是医疗监测的重要内容，为临床监测和疾病诊断提供重要信息。目前，呼吸气压监测主要是在监护病房中利用高档呼吸机完成，设备笨重、昂贵且难以应用在便携式监测设备中。呼吸气体浓度监测可分为主流式和旁流式，主流式直接在病人呼吸管道上进行监测，避免了旁流式的延时和失真的问题，然而易受呼吸中水蒸气和***物的干扰。呼吸气体浓度和呼吸气压能够从不同角度反映人生命体征状况，因此有必要实现同步监测。

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多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置及方法，克服现有技术中主流式呼吸气体浓度监测易受呼吸气流干扰、呼吸气压监测使用范围受限的问题。

本发明的技术方案是：一种主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置，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，红外光源和四通道红外传感器置于监测窗口两侧。

所述四通道热释电传感器的四个通道分别为参考通道、二氧化碳通道、一氧化二氮通道、醚氛类麻醉气体通道。

所述节流装置为长方体结构，直角壁为圆倒角。

一种主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测方法，包括如下步骤：

(1)首先对整个***进行一个上电预热过程，预热时间1分钟；

(2)利用脉冲信号控制红外光源亮灭，使四通道热释电传感器输出周期固定的调制信号；

(3)对各个通道的波峰电压或波谷电压进行采集；

(4)利用各个通道的波峰和波谷电压差值获取各个通道的交流分量，得到参考通道交流分量V_ar、二氧化碳通道交流分量V_ac、一氧化二氮通道交流分量V_an、醚氛类麻醉气体通道交流分量V_am；

(5)利用校正方程对三个测量通道的测量数据进行调整，得到二氧化碳通道调整后的数值

D_c＝a₁₁·V_ar+a₁₂·V_ac+a₁₃·V_an+a₁₄·V_am；一氧化二氮通道调整后的数值

D_n＝a₂₁·V_ar+a₂₂·V_ac+a₂₃·V_an+a₂₄·V_am；醚氛类麻醉气体通道调整后的数值

D_m＝a₃₁·V_ar+a₃₂·V_ac+a₃₃·V_an+a₃₄·V_am，其中a_ij为通过标定实验确定的系数；

(6)利用标定实验获取的系数b_ij和三阶多项式分别求取不同气体的浓度，其中二氧化碳浓度

C_{c} = b_{10} + b_{11} \cdot D_{c} + b_{12} \cdot D_{c}^{2} + b_{13} \cdot D_{c}^{3};

一氧化二氮浓度

C_{n} = b_{20} + b_{21} \cdot D_{n} + b_{22} \cdot D_{n}^{2} + b_{23} \cdot D_{n}^{3};

醚氛类麻醉气体浓度

C_{m} = b_{30} + b_{31} \cdot D_{m} + b_{32} \cdot D_{m}^{2} + b_{33} \cdot D_{m}^{3};

(7)对于呼吸气压监测，利用气压传感器的输出值Dp，根据预先的标定实验和二阶多项式拟合所确定的公式，确定当前呼吸气压其中b2、b1、b0为标定实验所确定的参数；

(8)根据气流伯努利定律中气压与流速的关系，得到呼吸气流实时速度为：其中c1是由空气密度值决定的系数，c2为无气流流动时的标准大气压；

(9)利用呼吸气流速度得到呼吸流量为：Q_(n)＝K*V_(n)，其中K为绝压式气压传感器所在位置的管道适配器的截面积；

(10)当呼吸气压强度P(n)小于预设阀值Pg时进行呼吸过程判断，此时先提取呼吸二氧化碳浓度值序列中当前值之前的第十个浓度值C(n-10)，然后将该值与预设值C0进行比较，若C_(n-10)＜C₀，则认为现在是吸气过程，否则认为是吸气过程；

(11)根据呼吸过程，在吸气过程中将呼流量Q(n)进行累加操作，而在呼气过程中将流量Q(n)进行累减操作，从而获得当前肺容量曲线L(n)。

本发明的有益效果为：

(1)为实现呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测，本发明制作一款主流式呼吸监测模块，在管道适配器上端放置差压式气压传感器实现气压监测，在管道适配器两侧分别放置红外光源和红外传感器实现呼吸气体浓度监测。

(2)差压式气压传感器通过与管道适配器上的采样口相连引入呼吸气流，从而获取呼吸气压信息实现呼吸气压监测。

(3)呼吸气体浓度监测利用四通道红外传感器获取被气体吸收的红外光强度和未被任何气体吸收的红外光强度。根据朗伯比尔定律中气体浓度与吸收强度的关系计算出呼吸气体浓度。

(4)由于元器件的非线性使实际测量结果与理论上的对应关系发生变化，因此呼吸气体浓度标定采用三阶多项式拟合而非指数拟合确定最终呼吸气体浓度。

(5)根据流气体体力学定律和呼吸规律，利用呼吸气体浓度和呼吸气压计算出呼吸流量、肺容量等生命体征参数。

本发明提出的主流式呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测方法，能够直接在病人呼吸管道上实现呼吸气体浓度、呼吸气压以及其他相关生命体征参数同步实时监测，为临床监测和疾病诊断提供信息指导。能够能够方便快捷的实现多种气体浓度和呼吸气压的同步监测。

附图说明

图1主流式呼吸气体浓度和呼吸气压监测装置结构示意图；

图2本发明呼吸气体浓度和呼吸气压监测方法流程；

图3主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压监测装置呼吸电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

该主流式呼吸气体浓度和呼吸气压监测***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。监测模块如图1所示，将差压式气压传感器置于呼吸管道的两个取压孔1之间，并分别将红外光源和四通道红外传感器置于呼吸管道的监测窗口6两侧。当呼吸气流由进气口4进入在管道中流动时，通过控制红外光源闪烁使红外传感器输出周期固定的调制信号，该信号被采集处理电路采集。与此同时，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，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，可以通过两个取压孔1获得的压力求得，气压值也通过差压式气压传感器被采集处理电路采集，最后气流经过出气口5流出。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。最终这几路信号均被发送到上位机中进行分析和显示。本发明中监测***主要获取呼吸气体浓度和呼吸气压实时曲线，并由这两组信号分析出呼吸流量、肺容量的信息。本发明按如下过程执行获取多种参数：

(1)首先对整个***进行一个上电预热过程，预热时间1分钟；

(2)监测模块利用脉冲信号控制红外光源亮灭，使四通道热释电传感器输出周期固定的调制信号，该信号经过带通滤波放大后送入数据采集电路。；

(3)当调制信号达到波峰或波峰值时，数据采集电路开始对各个通道的波峰电压Vh或波谷电压Vl进行采集，并将采集的数据被送入到上位机；

(4)上位机利用波峰和波谷电压差值获取各个通道的交流分量：Va＝(Vh-Vl)/2，从而得到参考通道交流分量Var、二氧化碳通道交流分量Vac、一氧化二氮通道交流分量Van、醚氛类麻醉气体通道交流分量Vam；

D_m＝a₃₁·V_ar+a₃₂·V_ac+a₃₃·V_an+a₃₄·V_am，其中aij为通过标定实验确定的系数；

(6)利用标定实验获取的系数bij和三阶多项式分别求取不同气体的浓度，其中二氧化碳浓度

C_{c} = b_{10} + b_{11} \cdot D_{c} + b_{12} \cdot D_{c}^{2} + b_{13} \cdot D_{c}^{3};

一氧化二氮浓度

C_{n} = b_{20} + b_{21} \cdot D_{n} + b_{22} \cdot D_{n}^{2} + b_{23} \cdot D_{n}^{3};

醚氛类麻醉气体浓度

C_{m} = b_{30} + b_{31} \cdot D_{m} + b_{32} \cdot D_{m}^{2} + b_{33} \cdot D_{m}^{3};

(12)根据计算结果绘制实时呼吸气体浓度和呼吸气压曲线。

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

1.一种主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置，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，红外光源和四通道红外传感器置于监测窗口两侧。

2.根据权利要求1所述主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置，其特征在于，所述四通道热释电传感器的四个通道分别为参考通道、二氧化碳通道、一氧化二氮通道、醚氛类麻醉气体通道。

3.根据权利要求1所述主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测装置，其特征在于，所述节流装置为长方体结构，直角壁为圆倒角。

4.一种主流式多种呼吸气体浓度和呼吸气压同步监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先对整个***进行一个上电预热过程，预热时间1分钟；

(3)对各个通道的波峰电压或波谷电压进行采集；

(5)利用校正方程对三个测量通道的测量数据进行调整，得到二氧化碳通道调整后的数值D_c＝a₁₁·V_ar+a₁₂·V_ac+a₁₃·V_an+a₁₄·V_am；一氧化二氮通道调整后的数值D_n＝a₂₁·V_ar+a₂₂·V_ac+a₂₃·V_an+a₂₄·V_am；醚氛类麻醉气体通道调整后的数值D_m＝a₃₁·V_ar+a₃₂·V_ac+a₃₃·V_an+a₃₄·V_am，其中a_ij为通过标定实验确定的系数；

C_{c} = b_{10} + b_{11} \cdot D_{c} + b_{12} \cdot D_{c}^{2} + b_{13} \cdot D_{c}^{3};

一氧化二氮浓度

C_{n} = b_{20} + b_{21} \cdot D_{n} + b_{22} \cdot D_{n}^{2} + b_{23} \cdot D_{n}^{3};

醚氛类麻醉气体浓度

C_{m} = b_{30} + b_{31} \cdot D_{m} + b_{32} \cdot D_{m}^{2} + b_{33} \cdot D_{m}^{3};

(8)根据气流伯努利定律中气压与流速的关系，得到呼吸气流实时速度为：

其中c1是由空气密度值决定的系数，c2为无气流流动时的标准大气压；