CN108348714A - 针对无创通气的压力和气体混合控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种通气机(100)被配置为控制针对空气流的压力和气体混合。所述通气机包括：气体源(120)；比例阀(210)，其被配置为控制来自所述气体源的气体流率；混合控制器(170)，其与所述比例阀通信，所述混合控制器被配置为监测通过所述鼓风机的气体的流量，并且还被配置为控制输出流中的氧气的百分比；鼓风机电动机(160)；以及鼓风机电动机控制器(162)，其被配置为使用电流反馈回路、鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制所述鼓风机电动机的速度。所述通气机还能够包括例如伪微分反馈补偿器、互补滤波器和/或速度控制器。

Description

针对无创通气的压力和气体混合控制的方法

技术领域

本公开内容总体上涉及用于在通气机***中精确控制压力和气体混合的方法和***。

背景技术

提供危重护理通气的最常用手段要求用气管导管对患者进行插管，气管导管使用充气袖套被密封在气管内。插管为临床管理气道和维持肺膨胀提供了最好的手段，但是它也引入了很大的风险，包括组织磨损、感染以及由于极度不适引起的患者镇静。因此，插管被恰当地称为有创通气，并且必须仔细考虑临床医师的插管决定。对于选定的一组需要呼吸支持的住院患者，导致插管不良副作用的风险可能超过其益处。

考虑到有创通气的重大风险，从家庭护理通气开发了一种替代性方法，其提供了通过气道施加支持的益处，但是其使用借助于在患者的口腔和鼻子上的面罩进行的连接件或者气管切开插管。这种方法被称为无创正压通气，或者被简称为无创通气(NIV)。对于无创通气，预计会出现一些泄漏，通常会故意引入一些泄漏，以减少否则会被患者重复呼吸的潮气末CO₂，这是因为单肢回路将通气机连接到无创通气***的面罩。相比之下，有创通气采用双肢连接回路，双肢连接回路可单独运输呼出气体，这防止了在有创通气中产生的对CO₂的重复呼吸，因此无需泄漏。

危重护理患者的无创通气通常使用作为环境空气源的鼓风机与作为压缩氧气源的比例阀的组合，以便控制在呼吸递送期间的压力和气体混合(即，氧气浓度百分比)。在一些设计中，比例阀将纯氧引入鼓风机的低压侧或进气侧，使得鼓风机流量控制完全产生用于呼吸递送的压力，而在其他设计中，比例阀将气体引入鼓风机的高压侧或出气口。在后一种情况下，鼓风机和比例阀都会产生压力。然而，协调鼓风机与比例阀控制以实现精确且准确的压力和混合会出现多种问题。例如，鼓风机流量响应时间通常比阀响应时间慢得多，这是因为鼓风机惯性需要时间加速。鼓风机本身的慢响应通常会影响压力响应时间，但是鼓风机与阀之间的流量动态错误匹配使压力和混合控制成为一个具有挑战性的问题。另外，虽然在无创通气中提供了近侧压力感测线，但是将该压力用作控制源会在反馈回路中引入显著的延迟。在测得的近侧压力之间直接闭合回路，同时在患者气道处提供更准确的稳态压力，由于稳定性而限制了压力变化的速度。虽然鼓风机的速度回路可能有助于提高响应速度，但低流量时速度较低，而霍尔感测转速计读数会下降。能够使用编码器控制的速度，但这会降低鼓风机***的可靠性并增加成本。

当前的***也难以处理干扰的影响，作为设计的部分必须考虑干扰的影响，以便确保控制虽然存在干扰但仍然遵循期望的目标压力，并且控制为衰减干扰而非放大干扰。无创通气的干扰来源包括，例如：(a)来自患者的流动干扰；(b)患者连接件中的扰动，例如，泄漏和部分阻塞；以及(c)来自鼓风机电动机轴承的转矩干扰和气动压力负载等。类似地，患者呼出的气体能够流过鼓风机到达环境源，能够用富含氧气的气体预加载鼓风机路径。随后对气体的重复呼吸会在期望的设定点上引入额外的氧气，进一步使得混合控制成为一个具有挑战性的问题。

此外，通气机控制经常应用比例-积分-微分(“PID”)补偿器来稳定和整形瞬态响应。虽然在使用PID补偿器时患者压力-流量动态的变化可能会导致过冲，但是PID架构本身可能是过冲的原因，这是因为PID架构在设计中应用了两个实数或复数零点对，它们持续影响闭环响应。

因此，本领域需要以稳定的方式更精确地控制压力和气体混合同时避免当前的无创通气设计所面临的许多问题的无创通气机***。

发明内容

本公开内容涉及用于在无创通气机***中控制压力和气体混合的发明方法和***。本文中的各种实施例和实施方式涉及使用多级级联反馈架构来控制鼓风机压力的无创通气机***。反馈架构使用互补滤波器，在反馈架构中，滤波器将机器压力信号与近侧压力信号混合成用于反馈的单个信号。无创通气***还包括混合控制器，所述混合控制器使用混合估计器并单独确定针对氧气比例阀流量伺服的流量轨迹，以提供快速且准确的混合控制，这种控制不会对鼓风机压力控制***造成干扰。所述无创通气***还包括速度控制器，所述速度控制器利用基于模型的电动机速度观测器以低速补充转速计速度读数。

总体上，在一个方面中，提供了一种用于控制针对空气流的压力和气体混合的通气机。所述通气机包括：(i)气体源；(ii)比例阀，其被配置为控制来自所述气体源的气体流率；(iii)混合控制器，其与所述比例阀通信，并且被配置为监测通过所述比例阀的气体的流量，并且还被配置为控制所述空气流中的氧气的百分比；(iv)鼓风机电动机；以及(v)鼓风机电动机控制器，其被配置为使用鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制所述鼓风机电动机的速度。

根据实施例，所述混合控制器和所述鼓风机控制器被配置为协作地控制输出流。

根据实施例，所述鼓风机速度反馈回路被配置为使对所述鼓风机电动机的所述速度的控制线性化并提供不会过冲或饱和的鼓风机速度硬性限制。

根据实施例，所述流量反馈回路被配置为使所述通气机中的气流相对于由压力控制器命令的目标流量的任何干扰最小化。

根据实施例，所述压力反馈回路被配置为跟踪施加的压力轨迹。

根据实施例，所述通气机还包括伪微分补偿器，以消除期望轨迹的补偿器引发的过冲。

根据实施例，所述压力控制器包括互补滤波器，所述互补滤波器被配置为将机器压力信号与近侧压力信号混合成到所述控制器的单个信号。

根据实施例，所述通气机还包括速度控制器，所述速度控制器被配置为控制所述鼓风机电动机的所述速度。

总体上，在一个方面中，提供了一种通气机。所述通气机包括：(i)鼓风机电动机控制器，其被配置为使用电流反馈回路、鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制到所述鼓风机电动机的输入电流，并且还包括互补滤波器，所述互补滤波器被配置为将机器压力信号与近侧压力信号混合成用于所述压力控制器的单个反馈信号；(ii)混合控制器，其被配置为监测通过比例阀的气体的流量和来自所述鼓风机的气体的流量，并且还被配置为控制到患者的空气流中的氧气的百分比；以及(iii)速度控制器，其被配置为控制空气流的速度。

总体上，在一个方面中，一种用于控制针对气体流输出的压力和气体混合的方法，所述方法包括以下步骤：(i)提供通气机，所述通气机具有：气体源；比例阀，其被配置为控制来自所述气体源的气体流率；混合控制器，其与所述比例阀、鼓风机流量传感器通信；鼓风机电动机；以及压力控制器，其包括流量控制器和速度控制器；(ii)启动所述鼓风机电动机并打开所述比例阀，以在所述通气机中创建流量和压力；(iii)由所述压力控制器使用鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制所述鼓风机电动机的速度；(iv)使用所述混合控制器来监测通过所述通气机的流量；并且(v)使用所述混合控制器来调节所述比例阀的流量以提供混合控制。

根据实施例，所述方法还包括以下步骤：由所述鼓风机电动机控制器基于测得的速度的反馈来调节所述鼓风机电动机的所述速度。

根据实施例，所述方法还包括以下步骤：使用所述速度控制器来监测所述鼓风机的速度；并且使用所述速度控制器来调节所述鼓风机的所述速度。

根据实施例，其中，所述通气机还包括互补滤波器，所述互补滤波器被配置为将机器压力信号与近侧压力信号混合成到所述压力控制器的单个信号。

应当意识到，前述概念与下文更为详细讨论的额外概念的所有组合(假设这些概念不是相互不一致的)被预期为本文公开的发明主题的部分。尤其地，出现在本公开内容的结尾处的要求保护的主题的所有组合都被预期为本文公开的发明主题的部分。

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。

附图说明

在附图中，贯穿不同的视图，相似的参考标记通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。

图1是根据实施例的无创通气机***的示意图。

图2是根据实施例的比例流量阀***的示意图。

图3是根据实施例的无创通气机***的示意图。

图4是根据实施例的用于控制无创通气机***中的压力和气体混合的方法的流程图。

图5是根据实施例的用于无创通气机***的鼓风机压力控制***的示意图。

图6是根据实施例的用于无创通气机鼓风机压力控制回路补偿器的模型的示意图。

图7是根据实施例的用于无创通气机流量回路补偿器的模型的示意图。

图8是根据实施例的用于无创通气机鼓风机速度环补偿器的模型的示意图。

图9是根据实施例的无创通气机混合控制器的示意图。

图10是根据实施例的无创通气机混合控制器混合估计器的示意图。

图11是根据实施例的重复呼吸时序逻辑的示意图。

具体实施方式

本公开内容描述了通气机***和方法的各种实施例。更一般地，申请人已经意识到并且认识到提供准确地测量、调节和控制压力和气体混合的无创通气***将是有益的。例如，无创通气方法和***利用多级级联反馈控制来控制鼓风机压力。反馈架构使用互补滤波器，在反馈架构中，滤波器将机器压力信号与近侧压力信号混合成用于反馈的单个信号。该***还包括具有混合估计器的混合控制器，其中，混合控制器单独确定针对氧气比例阀流量伺服的流量轨迹，以提供快速且准确的混合控制。该***还包括速度控制器，该速度控制器利用基于模型的电动机速度观测器以低速补充转速计的速度读数。该方法和***引起对无创通气机中压力和气体混合的更准确的控制。

虽然下面描述的方法和***应用于无创通气，但是该方法和***也可以类似地用于使用比例流量阀的任何流量控制***，尤其是在阀的节流速度明显快于流量控制的期望闭环带宽的情况下。

参考图1，在一个实施例中，图1是示例性无创通气***100的表示。在该实施例中，比例阀将气体引入鼓风机的高压侧或出气口，使得鼓风机和比例阀都产生压力。又根据实施例，该***是单肢通气机，使得在患者连接件附近存在显著的泄漏流，并且使得患者呼出的气体在呼气期间可能以相反的方向行进通过鼓风机。

***100包括气体源220(参见图2)，气体源220能够是用于呼吸的任何气体，包括但不限于大气和氧气等。气体源以预定压力从通气机排出。除了其他类型的控制器之外，该***还包括控制器120，控制器120可以是常规微处理器、专用集成电路(ASIC)、片上***(SOC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。控制器可以在采用或不采用处理器的情况下来实施，并且还可以被实施为执行一些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

根据本文描述的或以其它方式设想的实施例，控制器120能够与任何需要的存储器、电源、I/O设备、控制电路和/或***的操作所需的其他设备耦合或以其他方式与其通信。例如，在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储媒介相关联。在一些实施方式中，存储媒介可以用一个或多个程序来编码，所述一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时执行本文讨论的功能中的至少一些功能。各种存储媒介可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可传输的，使得被存储在存储媒介上的一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中，从而实施本文所讨论的本发明的各个方面。术语“程序”或“计算机程序”在本文中一般意义上用于指代能够用于对一个或多个处理器或控制器编程的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。

根据实施例，该***包括将气体从远程通气机部件140递送到用户接口150的管或管道130。用户接口150能够是例如覆盖用户的口部和/或鼻子的全部或部分的面罩。可能有许多不同尺寸的面罩以适应不同尺寸的患者或个体，并且/或者面罩是可调节的。作为另一替代方案，用户接口150可以适配在气管切开插管内或上，或者以其他方式与气管切开插管相互配合。因此，用户接口150可以具有各种尺寸以适应不同形状和尺寸的气管切开术。用户接口被配置为适配患者气道的至少部分。

***100还包括具有电动机的鼓风机160，电动机与比例阀***200(图2所示)一起为***产生流量和压力。鼓风机电动机由鼓风机电动机控制器162控制，鼓风机电动机控制器162能够控制例如电动机的速度。根据实施例，鼓风机电动机是鼓风机的部件，鼓风机能够包括叶轮、壳体和电动机。***的流量和压力部分地由鼓风机电动机的速度来确定，鼓风机电动机的速度继而由鼓风机电动机控制器162来控制。鼓风机电动机控制器162能够是与控制器120相同的控制器，或者能够是优选与控制器120通信的单独的控制器。根据本文描述的或另外设想的实施例，控制器能够是任何处理器，并且能够与任何需要的存储器、电源、I/O设备、控制电路和/或针对***操作所需的其他设备耦合或以其他方式与其通信。

根据实施例，***100使用环境空气和高压氧气两者。环境空气通过进气口过滤器进入，并且氧气通过由比例阀***200控制的高压进气口进入。因此，为了控制通气机中气体的流量和压力，***100必须精确地控制鼓风机电动机的速度和比例阀***的操作两者。参考图2，在一个实施例中，比例阀***是比例阀***200。比例阀***包括比例阀210，其可以是本领域已知的任何比例阀。存在许多不同类型的比例阀，包括螺杆式比例阀、电磁比例阀和许多其他类型的比例阀。这些阀中的任一个都可以用在***200中。比例阀***还包括高压气体源220。气体源能够是任何可能利用的气体源，例如周围的环境空气、氧气罐、氮气罐、它们的混合物以及各种各样的其他气体源。并不要求气体是人类可呼吸的，因此气体源能够是有毒气体或其他气体。如果比例阀210至少部分地打开，那么来自气体源220的气体经由230离开气体源，并且通过出气口240离开。比例阀210控制离开气体源的气体量以及气体离开气体源的速率。

比例阀***包括控制器250，控制器250能够是与控制器120相同的控制器，或者能够是优选与控制器120通信的单独的控制器。根据本文描述的或以其他方式设想的实施例，控制器能够是任何处理器，并且能够与任何需要的存储器、电源、I/O设备、控制电路和/或***的操作所需的其他设备耦合或以其他方式与其通信。虽然控制器250被示为与图2中的比例阀210分离，但是根据其他实施例，控制器能够被附接到阀的外部，能够是阀的一体部件，能够完全远离阀或者能够与阀具有某种其他物理关系。在控制器远离阀的情况下，通信能够在控制器和阀之间无线传输。

控制器250控制比例阀210，并因此控制离开气体源的气体量以及气体离开气体源的速率。控制器能够由诸如用户的外部源来指导，并且/或者能够通过编程来指导。例如，用户能够按下按钮或提供指示流量应当增大的某种其他输入，并且控制器接收该信号并向比例阀提供增大流量的信号。替代地，控制器或相关联的处理器被编程为或被配置为根据特定时间、响应或其他输入来减少或增大流量。***200还包括流量传感器260。流量传感器在气体流出比例阀210之后检测气体的流量。根据实施例，如图2所示，比例阀***200是通气机100的部件。因此，输出部240能够是或连接到通向患者的管道130。

参考图3，在一个实施例中，图3是具有鼓风机160和比例阀***200的示例性无创通气***100的图示，比例阀***200包括被控制为设定并调节进入***的高压气体的流量的比例阀。在该实施例中，比例阀将高压气体(例如，氧气)引入***。鼓风机160的动作将环境空气吸入***，空气在鼓风机中被加压，与来自比例阀***的氧气混合，然后被递送给患者。通气机***还可以包括用于检测高压气体的流量的气体流量传感器270。例如，能够使用来自气体流量传感器270的信息来分析和/或调节比例阀210，以便递送正确的气体流量。通气机***100还能够包括例如检测进入鼓风机160的环境空气的流量的空气流量传感器190。来自空气流量传感器190的信息能够用于分析和/或调节鼓风机160，以确保递送正确的空气流量。替代地，能够分别使用气体流量传感器270和空气流量传感器190中的任一个来检测气体或空气供应中的误差。环境空气和高压气体到达歧管，在歧管中两种气体混合。混合的气体然后到达患者。混合气体在被递送到患者100之前由鼓风机160和比例阀210两者加压。虽然在图3中描绘了具有特定配置的***，但是对这种配置的许多变化都是可能的。

参考图4，在一个实施例中，图4是用于控制无创通气机***中的压力和气体混合的方法400的流程图。在步骤410处，提供无创通气***100。该***是本文描述或以其他方式设想的任何无创通气***，并且能够包括例如控制器120、鼓风机160、鼓风机电动机控制器162、比例阀210、比例阀控制器250、气体源220、流量传感器260以及其他部件。其他实施例也是可能的。

在该方法的步骤420中，启动通气***100，并且控制器120指导鼓风机电动机控制器162(其能够是相同的控制器)来启动鼓风机电动机将环境空气吹入***。控制器120还指导比例阀控制器250(其能够是相同的控制器)打开比例阀210以允许高压气体进入***。被启动的鼓风机160与被打开的比例阀210一起产生流量和压力，并且通过它们的流量比来在***内产生特定的气体混合物。

在该方法的步骤430处，鼓风机电动机控制器162使用多级反馈机制500来控制并调节鼓风机电动机的速度。参考图5，在一个实施例中，图5是多级反馈机制的示意图。根据实施例，***100必须适应宽范围的速度和负载动态，以用于准确的压力跟踪和维护。在调整压力轨迹以及其他控制要求时，***还可能需要忍受流量干扰。为了满足这些要求，***100利用具有四个嵌套反馈控制回路的级联控制架构：(1)电流反馈回路；(2)鼓风机速度反馈回路；(3)流量反馈回路；以及(4)压力反馈回路。这种架构使内部回路硬度最大化，并在每个子级别处管理干扰剔除，使得最高级别处的压力控制能够实现高性能。根据实施例，电流反馈回路使反电动势(“back-emf”)的影响最小化并克服电动机的固有电气时间常数。鼓风机速度反馈回路能够使速度控制线性化，剔除电动机负载干扰，并以高精度严格限制到最大速度约束。流量反馈回路有助于剔除由患者流量需求、咳嗽和部分回路阻塞引起的压力干扰影响。在顶级处，压力反馈回路准确地跟踪所施加的压力轨迹。该***还能够包括用于压力控制的伪微分(“PDF”)补偿器，其消除由PID零点引起的过冲，但是保留了PID的特征稳定性特性。流量回路补偿器也是PDF，速度回路是PID。

根据实施例，为鼓风机电动机控制器162提供互补滤波器并将互补滤波器162用于反馈。该滤波器将机器压力信号与近侧压力信号混合成用于反馈的单个信号。根据实施例，跨越互补频带进行混合：低频处的近侧传感器和高频处的机器传感器。机器信号以较小的延迟提供了稳定但更快的鼓风机响应，并且近侧信号(其是近侧患者连接件处的压力测量结果)提供了稳态下的准确近侧压力。

在该方法的步骤440处，混合控制器170监测通过回路和鼓风机的流量的大小和方向，并调节氧气比例阀流量以提供混合控制。根据实施例，混合控制器单独确定针对氧气比例阀流量伺服的流量轨迹，从而提供快速且准确的混合控制。例如，如果混合控制器检测到当前混合中存在错误，那么能够对混合进行校正。根据实施例，混合校正包括具有PI补偿器的反馈控制器，所述反馈控制器与控制器的前馈部分一起工作。根据实施例，混合控制器还通过紧密跟踪通过内部歧管的流动源的大小和方向来补偿重复呼吸问题。混合控制器确定由重复呼吸在鼓风机通路中富集了多少气体，并且混合控制器减少要补偿的氧气流量。前馈路径用于快速响应设定的混合，并且在稳态下以高准确度进行较慢的反馈。

根据实施例，混合控制器使用混合估计器，混合估计器对由混合控制器进行的O₂校正提供反馈估计，并且密切监测通过电路和鼓风机的流量的大小和方向。参考图10，在实施例中，图10是混合估计器1000的示意图。

在步骤450处，速度控制器监测速度并以低速补充转速计速度读数，从而提供以非常低的速率控制鼓风机速度的能力。根据实施例，速度控制器桥接流量控制器与电流控制器并剔除与粘性摩擦和转矩相关的干扰。速度控制器依靠基于模型的电动机速度观测器以低速补充转速计速度读数。这能够大大提高在利用鼓风机的呼气期间控制压力瞬变的能力。

在步骤460处，发生压力和/或流量的变化，并且***通过例如增大或减少混合，通过由比例阀***增大或减少压力并且/或者通过增大或减少鼓风机电动机的速度来进行调整。压力和/或流量的变化能够是对变化的请求，例如通气机设置的变化。这种变化可能是由***泄漏或通气机用户的状况、位置的变化或其他变化引起的。***100检测到该变化并使用一个或多个控制器以及本文描述的方法来确定调节***并将压力和/或流量返回到适当的设置。

无创通气压力控制

参考图5。在一个实施例中，图5是级联压力控制器500的示意图，其具有速度回路、流量回路和压力回路。无创通气压力控制器利用来自鼓风机和氧气阀的气体源，通过具有预计泄漏的单肢回路向患者提供混合气体支持。为了克服***中的限制的动态差异，使用一种被称为“从动”的替代的混合方法。在从动中，使氧气流量伺服回路遵循由测得的总流量的部分确定的流动轨迹。下文提供了从动算法的细节，但是首先，重要的是还要考虑影响无创通气压力控制混合的问题，即，鼓风机通路内的患者呼出气体的重复呼吸。对于单肢回路***以及某些设置和患者负载，呼气期间的气体能够反向通过鼓风机通路，从而在该通路中富集氧气以用于后续呼吸。混合控制必须考虑到重复呼吸以满足混合准确度。

根据实施例，***还需要适应宽范围的负载动态以用于准确的压力跟踪。该***还可能需要在调整压力轨迹时忍受流动干扰。为了满足这些能力并提供严格的速度限制能力，能够使用级联控制架构。根据实施例，级联架构包括三个嵌套反馈控制回路：(i)速度回路；(ii)流量回路；以及(iii)压力回路。

根据实施例，最内部的回路提供鼓风机电流命令作为其输出，并且接收来自下一较高级别的流量回路的速度轨迹、鼓风机速度、电流测量结果和电压测量结果作为其输入来估计鼓风机速度以用于反馈。速度回路不仅维持内部抗饱和控制，而且还提供返回到压力控制器的输出信号，以在速度回路达到饱和限值时使压力控制器积分器逐渐缩减。流量回路接收来自压力回路的流量轨迹、级联中最外面的回路和作为反馈的鼓风机流量的测量结果作为其输入。压力回路接收来自任何特定通气模式(PC、PPV等)的压力轨迹、由互补滤波器混合的用于反馈的近侧压力测量结果与机器压力测量结果以及来自速度回路的饱和速度信号作为其输入。在过程能够提供超过一个的相关测量来满足主要控制目标的情况下，能够利用级联的控制方法。通过考虑中间反馈信号，能够将该过程工程设计为改进跟踪和干扰剔除。对于压力控制，压力测量、流量测量和速度测量被考虑用于级联控制。

根据实施例，内部速度回路具有抗饱和特征，其局部通信并返回到外部压力回路，从而以最大速度或最小速度从饱和立即恢复。这种非线性控制措施允许鼓风机在电流限制允许的情况下尽可能快地加速，而不会出现过冲或失控。根据实施例，速度回路反馈信号能够由组合的用于高速度的X6霍尔转速计信号与用于低速且一直到零的基于模型的估计器来提供，提供了1kHz的采样速率，没有混叠相位波动。中间回路流量反馈控制器有助于剔除压力控制回路中的流量干扰，并有助于为压力回路控制提供额外的阻尼作用。

根据实施例，压力的动态与从动混合控制在它们管理的负载方面紧密交织，并且必须在功能上被一起考虑以实现所要求的稳定性和性能，但是两个控制器在拓扑上彼此分离并因此能够被分开描述。请注意，图5和图6图示了控制器部件的一般结构以及它们之间的连接。然而，下文将进一步详细讨论级联控制的每个部件、压力补偿器、流量补偿器和速度补偿器。

无创通气压力补偿器

参考图6，在一个实施例中，图6是鼓风机压力控制回路补偿器600的示意图。虽然机器压力关于控制中的稳定性提供了最佳压力度量，但是用于控制的预期参考系是更远的近侧患者连接件。但是，在近侧患者连接件处的流动致动与压力测量(“prox”或“P_prox”)之间的距离的较大分离导致反馈回路中的显著运送延迟。该延迟通常需要较低的回路增益才能实现稳定的运行，因此预计会降低性能(上升时间、过冲等)。在prox压力参考系中操作可能是一个要求，并且为了恢复稳定性和性能，能够使用互补滤波器将两个压力混合在一起作为单个压力测量结果。压力轨迹与近侧压力之间的跟踪误差在稳态下(以及在某种程度上对较低的频率)最为重要，针对稳定裕量的交越频率通常出现在较高的频率范围。因此，近侧压力与机器压力均能由滤波器来处理，这些滤波器将信息隔离在单独的频带上，然而，这些单独的频带组合在一起能够为反馈控制提供比独立进行时更有效的全频带。

根据实施例，使用广义滤波器的构造来实现互补滤波器，以充当用于反馈压力P_fdbk的P_prox分量的低通滤波器和用于P_mach分量的带通滤波器。互补滤波器的规格要求定义交越频率ω_x，其中，低通滤波器与带通滤波器的幅值频率响应相交：

Prox线路断开或阻塞能够由断开和阻塞算法(在本公开内容中未描述)来确定。对于F_LP(n)，可以利用以下设置来使用广义滤波器：a＝0；b＝ω_x＝6.28rad/sec(1Hz)；c＝1；d＝ω_x；ΔT＝0.001sec；广义滤波器输入在x(n)＝P_prox(n)处；并且广义滤波器输出在y(n)＝F_LP(n)处。对于F_BP(n)，可以利用于以下设置来使用带通滤波器：ω_low＝ω_x；ω_high＝2513.3rad/sec(400Hz)；ΔT＝0.001sec；并设定带通滤波器输入u(n)＝P_mach(n)；并且设定带通滤波器输出v(n)＝F_BP(n)。根据实施例，压力控制器伺服误差ε_p(n)是压力轨迹P_traj(n)与测得的(原始)压力P_fdbk(n)之差：

ε_p(n)＝P_traj(n)-P_fdbk(n) (公式2)

压力回路PDF补偿器

根据实施例，压力回路补偿器的基本结构使用伪微分反馈结构。该结构实现了与使用PID补偿器时相同的闭环动态，但是PDF结构消除了PID中引入的零点，因此消除了控制器本身引入的任何过冲。图6图示了通过对来自速度控制器和压力控制器的抗饱和反馈分量和积分增益K_iP与压力伺服误差ε_p(k)之积求和来计算积分器的输入Q_{i_in}(n)：

Q_{i_in}(n)＝K_aPII_{b_sat}(n)+K_aPQ_{b_sat}(n)+K_iPε_p(n) (公式3)

根据实施例，能够使用以下增益：K_iP＝300lpm/cm H₂O；K_aP＝10sec^-1；以及K_aPI＝10sec^-1。积分是在离散时间中通过前向差来近似的。将积分器输出Q_{i_out}(n)计算如下：

并且初始条件Q_{i_in}(0)＝0。积分器在启动后永远不会被重置。

压力的反馈分量包括经滤波的机器压力Q_p(n)和压力变化时间速率Q_d(n)的缩放值，后者通过经滤波的机器压力的导数来估计。根据实施例，可以利用本文描述的方法通过替换以下分配的变量和参数来计算这些分量。对于反馈压力P_{fdbk_f}(n)的导数，使用下面的导数。

原始流量控制命令Q_sum(n)然后被计算为积分器输出分量和反馈分量的和与差：

其中，K_dP＝0.15lpm-sec/cm H₂O；并且K_pP＝12lpm/cm H₂O。压力补偿器的输出(即，鼓风机流量轨迹)Q_{b_traj}(n)受流量限制约束：

Q_{b_traj}(n)＝min{Q_{b_trajMax},max{Q_{b_trajMin},Q_sum(n)}} (公式7)

其中：Q_{b_trajMax}＝250lpm并且

最后，计算饱和差来完成由流量限制引起的压力抗饱和的回路：

Q_{b_sat}(n)＝Q_{b_traj}(n)-Q_sum(n) (公式8)

无创通气鼓风机流量补偿器

根据实施例，流量控制器被设计为耦合压力和鼓风机速度控制回路并基于流量响应的方式为压力控制提供一些调控。这种调控提供了对压力控制的阻尼，并且还提供了压力控制对流量干扰的更大抗扰。参考图7，在一个实施例中，图7是基于PDF结构的流量回路补偿器700的示意图。

在使用反馈来计算流量伺服误差之前，能够首先使用二阶低通滤波器对原始鼓风机流量测量结果Q_b(n)进行滤波以降低高频噪声。为了获得经滤波的鼓风机流量测量结果Q_bf(n)，能够使用以下信号替换和参数设置：x(n)＝Q_b(n)；y(n)＝Q_bf(n)；ω_o＝3000rad/sec；ζ＝0.707；并且ΔT＝0.001sec。如图7所图示的，流量控制器伺服误差ε_Q(k)能够被计算为鼓风机流量轨迹Q_{b_traj}(n)与缩放的经滤波的鼓风机流量测量结果Q_bf(n)之差：

ε_Q(n)＝Q_{b_traj}(n)-Q_bf(n) (公式9)

图7示出了到积分器的输入，ω_{i_in}(n)是通过对抗饱和反馈和积分增益K_iQ与流量伺服误差ε_Q(n)之积求和来计算的：

ω_{i_in}(n)＝K_aQω_{b_sat}(n)+K_iQε_Q(n) (公式10)

其中，使用以下增益：K_aQ＝10sec^-1；并且K_iQ＝2000rpm/lpm-sec。积分是在离散时间中通过前向差来近似的。将积分器输出ω_{i_out}(n)计算如下：

并且初始条件ω_{i_in}(0)＝0并且ω_{i_out}(0)＝2000。根据实施例，积分器在启动后不被重置。

如图7所示，流量的反馈分量包括经滤波的鼓风机流量Q_{b_f}(n)和经滤波的流量导数的缩放值。能够使用以下分配的变量和参数。对于经滤波的鼓风机流量Q_{b_f}(n)；x(n)＝Q_b(n)；y(n)＝Q_{b_f}(n)；ω_o＝1500rad/sec；ζ＝0.707；ΔT＝0.001sec。对于经滤波的鼓风机流量的导数x(n)＝Q_b(n)；ω_o＝1500rad/sec；ζ＝0.707；ΔT＝0.001sec。原始速度控制命令ω_sum(n)然后能够被计算为积分器输出分量和反馈分量的和与差以及压力误差前馈的和：

其中，K_dQ＝0.15rpm-sec/lpm；并且K_pQ＝0.0rpm/lpm。鼓风机流量补偿器的输出(即，鼓风机速度轨迹)ω_traj(n)受速度限制约束：

ω_traj(n)＝min{ω_trajMax,max{ω_trajMin,ω_sum(n)}} (公式13)

其中，ω_trajMax＝50000rpm；并且ω_trajMin＝2000rpm。注意，速度控制器能够控制在2000rpm以下，但是根据实施例，该下限被选择为在饱和后对恢复提供最佳响应。最后，计算饱和差来完成由速度限制引起的流量抗饱和的回路：

ω_{b_sat}(n)＝ω_traj(n)-ω_sum(n) (公式14)

鼓风机速度控制器

根据实施例，鼓风机速度控制提供用于强流节流的鼓风机速度的控制，而且有助于减少由超速状况导致电动机电流放大器关闭的几率。例如，这能够通过严格遵循速度轨迹，提供零过冲和快速饱和恢复来实现。速度控制器能够使用例如鼓风机速度测量的混合方法，其中，在高速度处使用改进的X6转速计读数，并且在较低速度处使用基于模型的估计器。该混合方法提供了低噪声速度信号，该低噪声速度信号在1kHz更新的完整范围内做出响应，包括准确的速度估计，该速度估计操作下降到零速度附近。如果转速计被其自身所使用，那么在6个霍尔转换上的采样速率只能达到大约200Hz。通过利用从电流和电压估计的速度，将电动机速度的1kHz采样一直维持在接近零速度。通过不使用大于10000rpm的通过电流和电压估计的速度而仅使用转速计信号，能够防止反馈信号受混叠电动机谐波(特别是电动机齿轮啮合，也被称为转矩脉动)影响。速度控制的较低范围提供了对气道正压呼气(“EPAP”)的压力瞬变的改进的控制。

根据实施例，控制器能够包括作为用于速度轨迹跟踪准确度的补偿器的部分的积分器以及与速度控制中的局部积分器和压力控制器中的积分器两者通信的积极的抗饱和控制。抗饱和设计允许控制器在鼓风机加速期间以饱和状态操作，以使上升时间最小化并在线性控制下提供立即恢复以准确跟踪速度轨迹。根据实施例，控制器不能跟踪轨迹的唯一时间是在快速减速期间。为了快速减速，电动机两象限电流控制器通过使用被存储在电容器中的有限电源来制动或以其他方式减慢电动机速度。但是一旦电流控制器从制动状态恢复，速度控制器及其硬抗饱和机制就会提供将锁定到速度轨迹上的最佳锁定机会。

鼓风机速度补偿器

参考图8，在一个实施例中，图8是鼓风机速度补偿器800的框图。根据实施例，速度误差ε_ω(n)被计算为速度轨迹ω_traj(n)与经滤波的速度估计值之差：

通过利用二阶低通滤波器计算对原始速度估计值进行滤波并且通过使用以下信号替换和参数值，能够获得经滤波的速度估计值： ω_o＝1800rad/sec；ζ＝0.707；并且ΔT＝0.001。在描述如何确定原始速度估计值之前，首先描述鼓风机速度补偿器计算。

根据实施例，鼓风机速度补偿器800基本上是具有固定增益和抗饱和补偿的比例积分控制，其他机制也是可能的。通常，积分增益决定了控制中的速度(又称为硬度)，并且比例增益增大了阻尼并有助于减少过冲。鼓风机(开放回路)线性频率响应的带宽相对较慢，因此在几分之一秒内达到高压下的流量/压力轨迹在很大程度上取决于是否允许鼓风机速度饱和。速度控制允许鼓风机以其最大速度饱和并且还包括当伺服误差改变符号时立即从饱和快速恢复也同样重要。在速度控制器中检测到的饱和度差Ι_{b_sat}(n)也能够被传回控制器级联中的外部压力回路，以辅助压力控制器积分器在鼓风机饱和期间倾倒误差。

积分器输入I_{i_in}(n)被计算为经缩放的速度误差ε_ω(n)与经缩放的饱和差的和：

I_{i_in}(n)＝K_iωε_ω(n)+K_aωI_{b_sat}(n) (公式16)

I_{b_sat}(n)＝I_{b_traj}(n)-I_sum(n) (公式17)

电流控制的比例分量I_p(n)能够被计算为速度补偿器比例增益K_pω与速度控制伺服误差之积：

I_p(n)＝K_pωε_ω(n) (公式18)

积分是在离散时间中通过前向差来近似的。能够将积分器输出I_{i_out}(n)计算如下：

I_{i_out}(n)＝ΔTI_{i_in}(n-1)+I_{i_out}(n-1) (公式19)

其中，初始条件为I_{i_in}(0)＝0并且无限制的控制Ι_sum(n)只是积分控制分量与比例控制分量的和：

I_sum(n)＝I_{i_out}(n)+I_p(n) (公式20)

速度控制的输出(即，鼓风机电动机电流轨迹)I_{b_traj}(n)能够被计算为控制，并受电流限制约束：

I_{b_traj}(n)＝min{I_{b_targMax},max{I_{b_targMinFilt}(n),I_sum(n)}} (公式21)

其中，并且个计数。

根据实施例，被初始化为零，如果阶段是呼气并且那么被锁存到1，并且在吸气开始时，被重置为零。根据实施例，使用被配置为一阶滞后的广义滤波器并使用以下替换来计算x(n)＝I_{b_targMin}(n)， a＝0，b＝1，c＝τ_speedswitch＝0.02sec，d＝1，ΔT＝0.001，y(0)＝2000个计数，并且： 并且K_aω＝1000/sec。

根据实施例，较低电流界限的滤波切换允许速度在呼气的第一部分期间接近较低值，并因此降低阻力和呼吸功。

鼓风机速度估计器

从建模的角度来看，三相无刷电动机看起来类似于直流电动机，其电流与转矩以及电压与转速之间呈线性关系。因此，直流电动机模型能够充当针对速度的准确估计器。因此，计算速度估计值的离散时间估计器能够通过包括缩放因子30/π以rpm为单位导出：

其中，计算常数为：R＝0.21欧姆；L＝0.000045亨利；K_T＝0.0065N-m/A；并且I_m(0)被初始化为零。

无创通气O₂混合控制器

对于有创通气，对递送的气体的氧气浓度(混合)的控制通常由总流量目标的简单比例分配来管理。这适用于体积循环通气或压力循环通气，并且由于O₂阀和空气阀通常是匹配的，或者就其静态灵敏度和动态响应而言足够接近，因此通常不需要校正混合来满足规定的准确度。对空气和O₂使用流量反馈控制进一步提高了流量控制的准确度，从而加强了这一假设。但是对于一些无创通气混合控制，鼓风机与O₂阀流量响应之间可能存在动态错误匹配。这种错误匹配，更不用说输出的混合气体返回到鼓风机流动通路，使得比例式方法即使可能实现也会很难实现，导致压力控制不稳定和大的混合误差。要管理混合控制，能够在O₂流量伺服遵循总流量响应时使用不同的方法。如上所述，这被称为“从动”或“从动控制”。对于这种架构，相对于O₂流量测量发生正反馈回路。稳定性是唯一可能的，这是因为对于整个压力控制***(其包含混合控制)，负压反馈回路仍占优势。从动方法提供了相当一致的压力响应和适用于整个设置范围和预期患者负载的混合准确度。图9仅图示了用于该方法的控制器部件的总体结构900以及这些部件之间的连接。下面提供了这种方法的更完整的细节。

对于混合控制，一些计算在规则控制间隔ΔT内进行，并且这些计算由变量n＝1、2、3……进行索引。其他计算在吸气开始或呼气开始时在每次呼吸循环仅更新一次。这些计算具有可变的时间间隔(取决于设定的呼吸速率或触发间隔)，并且由变量k＝1、2、3……进行索引。

混合的呼吸到呼吸的控制设定固有的采样速率，该固有的采样速率通过设定的呼吸速率或者在患者触发的呼吸的情况下通过根据最后的呼吸间隔而变化测得的比率来固定。根据香农采样定理，如果采样发生的速率低于预期控制的最高频率的一半，那么不能期望恢复和利用信息。由于呼吸速率变化，因此控制器结构必须利用一致的瞬态响应来维持稳定的闭环控制。这就在***能够对设定点的变化做出响应而仅用于反馈的时间上产生了一个问题，因此前馈部件也需要使增益<1.0才能使混合控制立即在正确的方向上移动。接下来是闭环控制的较慢响应。

根据实施例，通过极点配置的方法来导出闭环混合控制；一种直接合成的方法，其中，所期望的闭环***动力学被假定为设计目标——就其闭环极点而言。在这种设计方法中，连续时间(混合)***被假定为时间常数为10秒的一阶响应。假设零阶保持并且这两个元素的组合被转换为等效的离散时间***。然后使用离散时间配置和所期望的闭环***来计算控制器的结构和增益。

混合校正

例如能够使用基于混合估计器的反馈控制而不是直接测量氧气浓度的任何手段来执行混合校正。估计使用鼓风机和流量测量结果以及流路假设。在一口呼吸的基础上更新校正，并且将该校正作为减少氧气流量分量的因子来应用。通常需要进行混合校正来管理重复呼吸的问题，但是混合校正也能够校正鼓风机与压缩氧气阀气体递送之间的动态差异。混合校正控制器在每一次呼吸开始时计算混合校正因子。重复呼吸的氧气的影响越大，该因子越小。接近1的因子表示很少或没有重复呼吸。

首先通过计算针对每次呼吸的混合误差ε_M(k)来开始混合校正，混合误差是由混合轨迹M_tarj(k)与估计的混合百分比之差来确定的：

根据实施例，UserMixSetting(n)是由用户设定的混合的值，以ΔT秒进行更新：

M_SET(0)＝21.0

M_traj(0)＝21.0

根据实施例，能够利用滤波器来创建平滑的轨迹以便到鼓风机流的输入遵循滤波器。M_SETfilt(n)能够通过代入内容来计算：x(n)＝M_SET(n)，y(n)＝M_SETfilt(n)，a＝0，b＝1，c＝0.1sec，d＝1，ΔT＝0.001sec，并且y(0)＝21.0。

将混合补偿器积分器输入M_{i_in}(k)计算如下：

M_{i_in}(k)＝β_mix(k)[ε_M(k)-α_mix(k)ε_M(k-1)] (公式26)

其中，ε_M(0)＝0.0。为了维持一致的采样响应，不依赖呼吸速率设置，α、β和增益是在呼吸到呼吸的基础上计算出的，是直接从合成中导出的，因为极点和零点以指数形式被表达为：

β_mix(k)＝20.0τ_mix(1-α_mix(k)) (公式28)

其中，T_B(k)是以秒为单位的呼吸间隔，T_B(0）＝1.0，并且τ_mix＝2sec。

根据实施例，积分输出是通过简单的后向差来计算出的，但是由最小校正因子和最大校正因子夹住为：

其中，初始条件为

为使鼓风机流量的抗饱和遵循滤波器，将混合差M_sat(n)计算如下：

根据实施例，控制器在两个条件下进行重置：(1)设定混合为21％(在这种情况下，只要设定混合为21％，控制器就对所有呼吸保持重置)或者(2)混合轨迹发生了变化(在这种情况下，控制器只能重置到针对该一次呼吸的重置值)：

M_reset(n)＝{M_traj(k)≠M_traj(k-1)}或者{M_set(n)＝21％} (公式31)

其中，M_traj(0)＝21。

与用户混合设置变化有关的时序逻辑，它们立即产生的影响以及呼吸状态或事件如何约束特定变化由本文中的逻辑语句正确指定。混合中的即时变化只能在呼气期间发生，并由BFF和CPC滤波器部件执行。但是闭环混合控制器的动作更加延迟，仅在呼吸开始时启动，并且受到重置条件的进一步约束。

在计算了氧气参考流量之后，能够应用经校正的混合因子来以标准控制速率(每1ms)根据总滤波流量计算氧气流量伺服轨迹：

Q_{O2_traj}(n)＝min{Q_O2max,max{0,M_{i_out}(k)*Q_O2ref(n)}} (公式32)

Q_O2ref(n)包括两个分量：即，经滤波的鼓风机流量跟随分量Q_O2refB(n)以及互补经滤波的压力误差分量Q_O2refP(n)：

Q_O2ref(n)＝Q_O2refB(n)+K_PQmixQ_O2refP(n) (公式33)

其中，K_PQmix＝4.0。

对于每个经滤波的分量，在每个时间步长处计算缩放因子K_f(n)和滤波器极点α_f(n)：

其中，τ_PQ＝0.02。根据实施例，τ_PQ是调节因子，对于高混合设置，该调节因子在鼓风机与氧气流之间的跟踪硬度与噪声耦合之间做出权衡。小的τ_PQ提供了硬跟踪，但是氧气流量噪音更大。

根据实施例，使用作用于混合的经校正的鼓风机流量测量结果的低通滤波器来计算经滤波的鼓风机流量分量：

Q_O2refB(n)＝K_f(n)y(n) (公式36)

y(n)＝ΔT[K_afM_sat(n-1)+Q_bO2corr(n-1)]+(1-ΔTα_f(n-1))y(n-1) (公式37)

其中，K_af＝1.0，M_sat(0)＝0.0，α_f(0)＝0.0，Q_bO2corr(0)＝0.0，并且y(0)＝0.0。

根据实施例，互补的经滤波的压力误差分量被计算为与作用于压力误差的低通滤波器(净效应：带通)串联的高通滤波器：

Q_O2refP(n)＝[1-ΔTα_f(n-1)]Q_O2refP(n-1)+ΔTα_f(n-1)y(n-1) (公式38)

z(n)＝ΔTε_P(n-1)+[1-ΔTα_f(n-1)]z(n-1) (公式40)

其中，ε_P(0)＝0.0，y(0)＝0.0，z(n)＝0.0，并且Q_O2refP(0)＝0.0。

混合估计器

根据实施例，混合估计器能够用于为混合控制器的O₂校正部分提供反馈估计。混合估计器设计背后的目标例如是：(1)提供多次呼吸中递送的混合的平均估计值；(2)对逆流行为进行建模并校正在开始呼吸时富含O₂的空气的估计值。最简单的形式的瞬时氧气浓度(混合)(假设没有反向代谢产物或来自先前呼吸的混合气体)能够通过流量的氧气分数与总气体流量的比率来确定。

参考图10，在一个实施例中，图10是混合控制器混合估计器1000的示意图。鼓风机混合因子K_{b_O2}(n)能够根据重复呼吸窗口的状态W_R(n)来选择：

其中，是采样的瞬时估计混合分数(在e(n)的下降沿采样)。W_R(n)是窗口，其为真时指示在鼓风机通路内包含富集空气。W_R(n)也被称为“重复呼吸窗口”，其在控制循环中更新并在下面通过状态图表被进一步定义。当W_R(n)为真时，其指示来自先前呼吸的富含O₂的空气保留在鼓风机通路中，并且最后采样的瞬时估计混合分数应当用于确定鼓风机供应的气体的氧气分数，当W_R(n)清零时，鼓风机供应的气体被假定为21％。

例如，图10图示了存在能够连续维持的三个单独的平均值：(i)平均的总鼓风机流量(ii)来自O₂阀的平均有效氧气流量以及(iii)为纯O₂的鼓风机流量的平均分数

根据实施例，由于鼓风机流量传感器总是被设定为测量空气，因此针对根据用户设定混合M_set(n)的期望气体组分将Qb(n)校正为Q_bO2corr(n)，并且将Q_bO2corr(n)限制为正流量，这是因为正流量是估计器所关心的。还要注意，K_{b_O2}(n)是根据瞬时混合估计并且在e(n)的下降沿进行锁存的。这些特定信号和定时对于提供针对高呼吸速率、中等到高体积，高设定合条件(其中，重复呼吸效应变得显著)的准确混合估计至关重要。

为了估计平均值，混合估计器能够使用根据鼓风机状态提供锁存能力的特殊一阶滞后(滤波器)。根据实施例，在应用变量和参数的以下替换时需要三个实例，并且针对三个滤波器中的每个的使能逻辑由歧管中的流动方向来确定。只是针对流向患者的流量估计混合。负流不允许进入滤波器e(n)＝(Q_blower(n)＞0)。

首先，鼓风机和氧气流量得到校正。针对鼓风机流量传感器中的当前混合校正鼓风机流量：

并且氧气流量被削减为零：

Q_O2corr(n)＝max{0,Q_O2(n)} (公式43)

净流量是鼓风机流量和氧气流量的和。鼓风机流量与压缩气体流量之间的物理差异在于鼓风机能够吸收流量并为其提供源。压缩的氧气只能为流提供源。在呼吸递送期间，流向患者的气流Q_net的组成和大小将受到鼓风机流量Q_b的方向和相对于氧气流量Q_O2的大小的流量的大小影响。这些条件定义了独特的流动状态，其能够用作用于估计更准确混合的基础。例如，第一流动状态和第二流动状态能够定义流向患者的净流量。第三流动状态能够定义呼气。在流动状态1中，鼓风机气体和氧气气体均流向患者。在流动状态2中，鼓风机流量逆转，但是由于鼓风机流量小于氧气流量，因此净流量是差值，并且由纯氧组成。流量状态4考虑鼓风机流量与氧气流量相等且相反的情况；氧气气体全部流出鼓风机，并且流向患者的净流量为零。这组互斥歧管状态如下：

对于Q_bO2corr(n)≥0，FlowState(n)＝1

对于Q_bO2corr(n)＜0且Q_O2corr(n)＞-Q_bO2corr(n)，FlowState(n)＝2

对于Q_bO2corr(n)＜0且Q_O2corr(n)＜-Q_bO2corr(n)，FlowState(n)＝3

对于Q_bO2corr(n)＜0且Q_O2corr(n)＝＝-Q_bO2corr(n)，FlowState(n)＝4

(公式44)

估计器滤波器使得e(n)能够变为：

e(n)＝({FlowState(n)＝＝1}或者{FlowState＝＝2}) (公式45)

其中，以下定义了混合估计器中的三个滤波器的其他输入和输出：α＝0.004并且

(1)对于鼓风机流量的氧气成分：x(n)＝K_{b_O2}(n）·max；{0,Q_bO2corr(n)}；ΔT＝0.001秒；并且y_o＝0.21(假设空气最初在回路中)。

(2)对于总鼓风机流量：x(n)＝max{0,Q_bO2corr(n)}；τ＝τ_M；ΔT＝0.001秒；并且y_o＝1.0(针对该滤波器的初始条件避免在启动时除以零)。

(3)对于来自压缩氧气阀的流量：

其中，τ＝τ_M；ΔT＝0.001秒；并且y_o＝0.0。

在每个控制步长n处，能够将瞬时混合分数估计值计算如下：

在每次吸气开始时，能够对估计值的呼吸平均混合分数进行采样，提供最后一次呼吸的平均值

并且计算用于在混合控制器中使用的百分比混合估计值

为了完成混合估计器，当净流量变为负值时，能够对来自先前递送的呼吸的估计的混合分数进行采样：

重复呼吸窗口状态逻辑

参考图11，在一个实施例中，图11是示出重复呼吸时序逻辑1100的框图。重复呼吸逻辑确定重复呼吸窗口的状态W_R(n)，当其为真时，指示来自先前呼吸的富氧气体的一些部分已经在呼气期间进入歧管的鼓风机肢。因此，它向混合估计器提供指示信号，用于在呼气期间恢复偏流时或在随后的呼吸开始吸气期间富集鼓风机进气口气体的O₂浓度。该逻辑检测并计算这种富集气体的体积并应用其(达到假定的死空间限制)以激活信号。

请注意，重复呼吸窗口定时与IE信号无关，仅取决于鼓风机流量的过零点。这是重要的设计特征，因为在高呼吸速率下，IE信号与Q_b信号之间存在显著的相移：

V_R(n)＝1000[max{min{V_∑(n),V_Rmax},V_Rmin}] (公式52)

V_Rmin＝-V_Rmax (公式56)

V_D＝155mL (公式57)

SR_FlipFlop函数以与数字设定-重置触发器或锁存器相同的方式来操作。是“设定”输入，是重置输入，表中的C表示与n的增量一致的时钟的(上升)沿。触发器输入被定义如下：

R_L(n)＝呼气开始或V_R(n)＞V_ε (公式61)

其中，V_ε＝1mL，Q_ε＝1lpm：

对于前面定义的Q_bO2corr(n)，这是经混合校正的测得的鼓风机传感器流量，单位为lpm。正向流从鼓风机流向安全阀和患者端口。V_D是有效的死空间体积。

如本文所定义和使用的所有定义应当被理解为控制字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。

除非有明确的相反指示，否则本文在说明书和权利要求书中使用的词语“一”和“一个”应当被理解为意指“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当被理解为意指如此连接的元素的“任一个或两者”，即，这些元素在一些情况下联合存在，而在其他情况下单独存在。用“和/或”列出的多个元素应当以相同的方式来解释，即，如此连接的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”从句明确标识的元素之外，其他元素能够任选地存在，不管与具体标识的元素相关还是不相关。

如本文在说明书和权利要求中所使用的“或”应当被理解为具有与以上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应当被解读为包含性的，即，包含至少一个，但也包含多个元素或元素列表中的多于一个的元素，并且任选地包括额外的未列出的项目。只有做出明确相反指示的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求中使用“由……组成”时，将指包含多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，如本文使用的术语“或”应当仅被解读为在排他性项目之前指示排他性替代物(即，“一个或另一个，但不是两者”)，例如，“任一”、“中的一个”、“中的仅一个”或”中的恰好一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的参考一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应当被理解为意指选自元素列表中的元素中的任何一个或多个元素的至少一个元素，但不一定包括在元素列表内具体列出的每一个元素中的至少一个元素，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许除了在短语“至少一个”所指的元素列表内具体标识的元素之外的元素可以任选地存在，不管与具体标识的那些元素相关还是不相关。

还应当理解，除非明确做出相反指示，否则在本文所要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不一定限于记载该方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求以及上述说明书中，所有过渡性短语(例如，“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“涵盖”等)应当被理解为是开放式的，即，意味着包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别应当是封闭式或半封闭式过渡性短语。

虽然本文已经描述和图示了本发明的若干实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文描述的功能并且/或者获得本文描述的结果和/或优点中的一个或多个的各种其他手段和/或结构，并且这些变化和/或修改中的每种都被认为是在本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置都是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的一个或多个特定应用。本领域技术人员将认识到或仅仅使用常规实验就能够确定本文描述的具体发明实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅以范例的方式呈现，并且在权利要求及其等同方案的范围内，可以以与具体描述和要求保护的方式不同的方式来实践发明实施例。本公开内容的发明实施例针对本文描述的每个独立的特征、***、物品、材料、套件和/或方法。另外，如果这样的特征、***、物品、材料、套件和/或方法不是相互不一致的，那么两个或更多个这样的特征、***、物品、材料、套件和/或方法的任何组合都被包括在本公开内容的发明范围内。

Claims (15)

1.一种被配置为控制针对空气流的压力和气体混合的通气机(100)，所述通气机包括：

气体源(220)；

比例阀(210)，其被配置为控制来自所述气体源的气体流率；

混合控制器(170)，其与所述比例阀通信，其中，所述混合控制器被配置为监测通过鼓风机的气体的流量，并且还被配置为控制输出流中的氧气的百分比；

鼓风机电动机(160)；以及

鼓风机电动机控制器(162)，其被配置为使用鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制所述鼓风机电动机的速度。

2.根据权利要求1所述的通气机，其中，所述混合控制器和所述鼓风机控制器被配置为协作地控制所述输出流。

3.根据权利要求1所述的通气机，其中，所述鼓风机速度反馈回路被配置为使对所述鼓风机电动机的所述速度的控制线性化并维持速度限制。

4.根据权利要求1所述的通气机，其中，所述流量反馈回路被配置为使所述通气机中的空气流压力的干扰最小化。

5.根据权利要求1所述的通气机，其中，所述压力反馈回路被配置为跟踪施加的压力轨迹。

6.根据权利要求1所述的通气机，其中，所述鼓风机电动机控制器包括互补滤波器，所述互补滤波器被配置为将机器压力信号与近侧压力信号混合成到所述鼓风机压力控制器的单个反馈信号。

7.根据权利要求1所述的通气机，还包括速度控制器，所述速度控制器被配置为监测所述鼓风机电动机的所述速度。

8.一种通气机(100)，包括：

鼓风机电动机控制器(162)，其被配置为使用电流反馈回路、鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制鼓风机电动机(160)的速度，并且还包括互补滤波器，所述互补滤波器被配置为将机器压力信号与近侧压力信号混合成到鼓风机压力控制器的单个反馈信号；

混合控制器(170)，其被配置为监测通过鼓风机的气体的流量，并且还被配置为控制输出流中的氧气的百分比；以及

速度控制器，所述速度控制器被配置为控制所述鼓风机电动机的所述速度。

9.根据权利要求8所述的通气机，还包括伪微分反馈补偿器。

10.根据权利要求8所述的通气机，其中，所述鼓风机速度反馈回路被配置为使对所述鼓风机电动机的所述速度的控制线性化并维持速度限制。

11.根据权利要求8所述的通气机，其中，所述流量反馈回路被配置为使所述通气机中的鼓风机气流压力相对于期望的流动轨迹的干扰最小化。

12.根据权利要求8所述的通气机，其中，所述压力反馈回路被配置为跟踪施加的压力轨迹。

13.一种用于控制针对空气流的压力和气体混合的方法(400)，所述方法包括以下步骤：

提供(410)通气机(100)，所述通气机包括：气体源(220)；比例阀(210)，其被配置为控制来自所述气体源的气体流率；混合控制器(170)，其与所述比例阀和鼓风机流量传感器通信；鼓风机电动机(160)；以及压力控制器，其包括流量控制器和速度控制器；

启动(420)所述鼓风机电动机并打开所述比例阀，以在所述通气机中创建流动压力并进行混合；

由所述鼓风机电动机控制器使用鼓风机速度反馈回路、流量反馈回路和压力反馈回路来控制(430)所述鼓风机电动机的速度；

由所述混合控制器(170)监测(440)通过所述鼓风机的流量；并且

使用所述混合控制器来调节(440)所述比例阀流量以提供混合控制。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

使用速度控制器来监测(450)所述鼓风机电动机的速度；并且

使用所述速度控制器来调节(450)所述鼓风机电动机的所述速度。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述通气机还包括互补滤波器，所述互补滤波器被配置为将机器压力信号与近侧压力信号混合成到所述压力控制器的单个反馈信号。