CN111589065A - 基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练*** - Google Patents

基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练*** Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，能够对呼吸训练者进行初始状态的肺功能检测，便于医护人员或管理者根据训练者的肺功能生理参数制定合理的训练方式、制定训练目标。便于医护人员或管理者对训练状态和训练效果进行量化评价，提高了呼吸训练的有效性和评价的科学性。而且本公开实施例能够对呼吸管路进行定期消毒，减少训练中交叉使用时的感染风险。

Description

基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***
技术领域
本公开实施例涉及基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，属于临床使用的康复医疗器械，也可制备成为运动员、军人等人群用于肺功能、呼吸肌的训练器材。
背景技术
呼吸训练是指保证呼吸道通畅、提高呼吸肌功能、促进排痰和痰液引流、改善肺和支气管组织血液代谢、加强气体交换效率的训练方法。人在正常吸气时，横膈膜收缩和外肋间肌收缩，当用力吸气时，还需吸气辅助肌，如斜方肌、斜角肌的协助，这些肌肉收缩的结果使得胸阔上举，胸腔空间扩大到极限。临床研究发现，康复病人通过一定周期的呼吸训练，充分调动呼吸肌群参与收缩、舒张运动，强化呼吸肌肌力和耐力，对术后肺功能的恢复有显著的促进效果，能有效改善肺通气功能，促进呼吸功能恢复，降低肺部感染率，对于训练者全面康复起到重要作用。运动员、军人等通过一定周期的呼吸训练，可以增加呼吸的深度和广度，增加呼吸的效率，进一步提升运动的效能。
现有的呼吸训练器材较少，临床上常用的是呼吸训练器（I类医疗器械）通常由咬嘴、吸气容量主体腔、指示球、进气管组成，使用者通过进气管向吸气容量主体腔内吹气，通过目测指示球的漂浮高度测算用力呼气容积，反复吹气训练达到康复或训练目标。这类训练器材的共性缺憾是：功能单一，很多重要训练指标不可量化，训练效果无法客观评价，无法满足临床应用或军人、运动员常规训练的需要。
发明内容
本公开实施例的目的包括，例如，提供一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，以克服现有呼吸训练器材的上述缺陷。
本公开实施例提出的基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，主要由呼吸容量主体腔、控制单元、肺功能监测单元、血氧/脉率监测单元、压力监测单元、张力监测单元、气路通径调节单元、人机交互界面、通讯模块以及防护外壳组成。
呼吸容量主体腔主要由呼吸接口、容量腔以及排气口构成，呼吸训练时，训练者采用一次性呼吸管路、呼吸除菌过滤器与呼吸接口连通，训练者的呼出气体进入容量腔，最后经排气口排出。一次性呼吸管路、呼吸除菌过滤器可以作为本公开实施例的独立组件，也可以选用接口匹配的上市产品。本容量腔是呼出气器的暂存或缓冲容器，根据训练者年龄特征不同，容量腔的容积分为大中小三种。可选地，适用于儿童训练的实施例，容量腔的容积200ml-300ml左右；适用于少年训练的实施例，容量腔的容积300ml-500ml左右；适用于成人训练的实施例，容量腔的容积600ml-1000ml左右。
控制单元是基于核心处理器开发的集成电路，包含信号处理模块、电源管理模块、存储模块等模块，其中核心处理器可以采用中央处理器（Central Processing Unit /Processor，CPU）、微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）或可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中的任意一种。可选地，控制单元中设有嵌入式软件，嵌入式软件中包含控制程序、监测参数算法以及可选择的呼吸训练模式等。控制单元与肺功能监测单元、血氧/脉率监测单元、压力监测单元、张力监测单元、气路通径调节单元、人机交互界面以及通讯模块连通，例如采用集成电路或导线联通，协同工作。
肺功能监测单元主要由流量传感器或流速传感器、信号处理电路构成；流量传感器或流速传感器的测量口设置在呼吸接口与容量腔之间的气体通路中，信号处理电路与控制单元联通。肺功能监测单元通过流量传感器或流速传感器计量单位时间内呼出气体的容积，发送给控制单元计算出呼吸训练过程中的重要参数，肺功能测量模式既可以用于单一生理参数的监测，也可以是多个生理参数的同时监测。监测的生理参数包括且不限于：第1秒用力呼气容积（FEV1）、最大呼气中段流量（MMEF）、用力肺活量（FVC）、每分钟最大通气量(MVV) 、峰值呼气流速(PEF) 。
压力监测单元主要由压力传感器、信号处理电路构成；压力传感器的测压口设置在呼吸接口与容量腔之间的气体通路内，信号处理电路与控制单元联通。压力监测单元用于监测并计算出呼吸训练过程中的压力变化，发送给控制单元计算出多个压力参数，包括且不限于最大吸气压力(MIP）、最大呼气压力、第一秒平静吸气口腔闭合压、气道阻力（Raw）。
血氧/脉率监测单元主要由血氧传感器、血氧计算模块构成；血氧传感器通常制备成指夹式或绑带式（便于固定在训练者手指上），血氧传感器采用导联线、快捷插头与控制单元联通。血氧/脉率监测单元用于动态监测训练者的血氧饱和度（SpO2）、脉率（bpm）以及灌注指数（PI）。如果由于训练方式不当或训练时间较长，训练期间训练者血氧饱和度、脉率生理参数出现偏离时，比如血氧饱和度低于90%、或脉率偏离初始值50%等，控制单元发出信号，并在人机交互界面进行提示，训练者可暂停训练，或者输入医用氧气缓解缺氧状态。
张力监测单元主要由束缚带、张力传感器或拉力传感器、信号处理电路构成，张力监测单元用于监测训练者吸气-呼气过程中胸/腹腔外周的张力值。束缚带采用软质、抗拉不变形的布带制成，张力传感器或拉力传感器设置在束缚带任意一段中，当束缚带被牵拉时，张力传感器或拉力传感器能输出对应的电信号；张力传感器或拉力传感器采用导联线、快捷插头与控制单元联通，束缚带固定在训练者的腹部或者胸腔外周时，能动态监测胸/腹腔外周的张力值。胸/腹腔外周的动态张力值用于判断训练者是否采用正确的训练方法，或者通过张力值的变化趋势判断一个周期的训练效果，这具有重要参考意义，比如，将张力监测单元束缚固定在训练者腹部时，能通过监测训练者腹部的张力值变化，判断该训练者是否采用正确的腹式呼吸；将张力监测单元束缚固定在训练者胸部时，能通过监测胸部的张力值变化，判断该训练者在呼气-吸气过程中呼吸肌是否处于扩张状态；通过对一定周期训练前后胸/腹张力值对比，判断训练效果是否有效。束缚带长度根据训练者的年龄特征不同可自由调节，张力传感器或拉力传感器设置在束缚带的接口处。可选地，束缚带采用宽度50mm-100mm、厚度1mm-2mm的尼龙织带，儿童用的长度400mm-900mm可调节，成人用的长度900mm-1300mm可调节。
气路通径调节单元采用在吸气/呼气管路中设置节流阀方式实现，具体地说，在吸气/呼气管路中设置节流阀，通过节流阀调节吸气/呼气管路内的通径。当吸气/呼气管路内的通径减小时，训练者吸气/呼气的压力负荷增大，所需的呼吸功增加；当吸气/呼气管路内的通径增大时，训练者吸气/呼气的压力负荷减小，所需的呼吸功减小。在呼吸训练的实际应用中，气路通径调节单元与压力监测单元协同工作，可以根据训练者的特征设定合理的呼吸压力阈值进行呼吸负荷训练，达到更好的训练效果。节流阀的结构不限，采用比例阀、流量阀、顶针阀、球阀等均可，节流阀的控制方式手动调节或电动调节均可。优选地，采用电子控制的节流阀，节流阀与控制单元联通工作，压力传感器动态监测吸气/呼气管路内的压力，节流阀根据设定的呼吸压力阈值动态控制吸气/呼气管路内的通径，使设定加载的呼气吸气压力负荷保持稳定状态，也有利于训练中观察每一次呼气/吸气动作是否达到设定的呼吸压力阈值，提高训练效果。
人机交互界面主要采用液晶屏和操作功能键构成。人机交互界面主要用于肺功能监测参数的选择、训练模式的选择、控制参数的设置、监测信息的读出以及其他辅助功能的操作。可供选择肺功能监测参数包括第1秒用力呼气容积（FEV1）、最大呼气中段流量（MMEF）、用力肺活量（FVC）、每分钟最大通气量 (MVV) 、峰值呼气流速(PEF)、胸/腹腔张力、血氧饱和度（SpO2）、脉率（bpm）以及灌注指数（PI）等；控制参数的设置包括训练时长、呼吸压力阈值等；读出的监测信息包括呼吸训练过程中的获取的监测参数值以及控制单元计算形成的图表，控制单元计算形成的图表包括该训练者不同周期的第1秒用力呼气容积的对比图、不同周期用力肺活量（FVC）对比图、胸/腹腔张力变化趋势图、血氧饱和度变化趋势图等。
可选地，控制单元中设有可供选择的呼吸训练模式，可供选择的呼吸训练模式主要包括横膈肌阻力训练、吸气阻力训练、诱发呼吸训练、腹式呼吸训练、胸腔局部呼吸训练五种模式。五种模式呼吸训练模式具体特征是：
（1）横膈肌阻力训练：采用束缚带在腹部增加压力负荷，基于张力监测单元动态监测腹部横膈肌的张力，判断训练中压力负荷耐受状态；以及通过一定周期的训练，横膈肌的张力变化趋势判断训练效果。
（2）吸气阻力训练：采用气路通径调节单元增加呼气或吸气负荷，基于压力监测单元动态监测最大吸气压力、最大呼气压力、第一秒平静吸气口腔闭合压等，判断训练中压力状态，实现量化监测，动态调整呼气或吸气负荷，提高训练效果；以及通过一定周期的训练，比较最大吸气压力、最大呼气压力变化趋势判断训练效果。
（3）诱发呼吸训练：基于流量传感器或流速传感器，动态监测训练者的最大呼气量，自动记录数据并形成趋势图，判断一定周期的训练效果。
（4）腹式呼吸训练：采用束缚带固定在腹部，基于张力监测单元动态监测腹部横膈肌的张力，判断训练中是否采用了正确的腹式呼吸方法；以及通过一定周期的训练，横膈肌的张力变化趋势判断训练效果。
（5）胸腔局部呼吸训练：采用束缚带固定在训练者胸部（肋间呼吸肌）捆扎固定，基于张力监测单元动态监测深吸气时胸腔***的张力变化，判断训练中是否采用了正确的局部呼吸方法；以及通过一定周期的训练，根据肋间肌的张力变化趋势判断是否有效促进胸腔运动，达成训练目的。
可选地，通讯模块用于将本公开实施例的监测信息远程发送到医学监护终端，便于医护人员或管理者远程查看。通讯模块采用传统的有线传输、蓝牙、WiFi、ZigBee、或者RF等技术不限。
可选地，本公开实施例还设有消毒单元，消毒单元与控制单元联通，消毒单元的有效消毒区域应覆盖呼吸接口、容量腔之间的空腔及所连通元器件。消毒单元主要采用臭氧发生器或紫外灯中的其中一种或者两种的组合；优选的技术方案是，消毒单元采用臭氧发生器和臭氧浓度传感器构建，臭氧发生器、臭氧浓度传感器与控制单元联通，臭氧发生器的臭氧输出口与呼吸接口、容量腔连通。实现臭氧消毒时，将呼吸接口与排气口密闭，控制单元按照设定时间启动臭氧发生器工作，产生的臭氧密闭在呼吸接口、容量腔内，臭氧浓度传感器动态监测内部的臭氧浓度，当腔内臭氧浓度达到30mg/m3、并保持15分钟时，控制单元指令臭氧发生器停止工作；臭氧浓度传感器继续动态监测，并在人际交互界面提示实时臭氧浓度；当管路内臭氧浓度解析至安全值后，比如低于0.2mg/m3，界面提示消毒完成。
可选地，呼吸容量主体腔还设有氧气输入接口，在呼吸训练时，从氧气输入接口输入合适流量的医用氧气，提高容量腔内的氧气浓度，缓解呼吸训练时可能诱发的缺氧状态，提高呼吸训练效果，特别是在诱发呼吸训练时尤为需要。
本公开实施例的有益效果，例如，包括：提供了一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，能够对呼吸训练者进行初始状态的肺功能检测，获取训练者肺功能生理参数，便于医护人员或管理者根据训练者的肺功能生理参数制定合理的训练方式、制定训练目标。在呼吸训练期间，本公开实施例能够动态获取训练者肺功能生理参数，并对不同周期的肺功能生理参数形成统计图表，便于医护人员或管理者对训练状态和训练效果进行量化评价，提高了呼吸训练的有效性和评价的科学性。而且本公开实施例能够对呼吸管路进行定期消毒，减少训练中交叉使用时的感染风险。
附图说明
图1是本公开实施例提供的一种典型实施例的结构示意图
图2是本公开实施例的原理框图
图中所示：控制单元（1）、流量传感器或流速传感器（2）、压力传感器（3）、血氧传感器（4）、张力传感器或拉力传感器（5）、节流阀（6）、人机交互界面（7）、防护外壳（8）、呼吸接口（9）、容量腔（10）、排气口（11）、束缚带（12）、臭氧发生器（13）一次性呼吸管路（14）。
具体实施方式
实施例1：本公开实施例的一种典型产品的制备方案
本公开实施例提供的一种典型产品的制备方案的主要部件清单，例如：
控制单元采用ARM微控制器（MCU），型号STM32F415RGT6，生产商：ST意法半导体；控制单元中设有嵌入式软件，进行指令控制、数据运算及信号处理，嵌入式软件还设有五种呼吸训练模式。
肺功能监测单元的流量传感器采用矽翔公司生产的FS1015CL-150SLPM 型气体质量流量传感器，计量精度2.5级。
血氧/脉率监测单元的血氧传感器采用双色的发光二极管PDFE833，发出波长分别是660nm 和940nm，指夹式，血氧饱和度监测范围70%～100%（70%以下无定义），测量误差不大于3%；脉率监测范围45bpm-250bpm，测量误差不大于5bpm。
压力监测单元的压力传感器型号HP107-50GS，量程0～30kPa，计量精度+0.1KPa。
张力监测单元的拉力传感器量程0～50N，计量精度+0.1N。
气路通径调节单元采用电子控制方式，采用转速比1：15的微型步进电机驱动比例阀，控制呼吸管路的通径在0-100%开度之间快速调整。
消毒单元采用微型臭氧发生器，工作方式为管状电晕放电，工作高压2.5Kv，功率30W，产臭氧量600mg/h，工作电压AC220V。
通讯模块采用WiFi模块，型号QCA9377，高通公司生产。
人机交互界面采用12.1寸液晶显示屏、5个功能按键组成.
产品防护外壳采用无毒聚丙烯材料注塑成形。
各部件检验合格后，根据图1所示的结构以及图2所示的工作原理图，应用电子产品通用生产工艺制备PCB，采用贴片、焊接、组装等工序常规技术生产电路板，组装电子流量阀、气路转向开关各部件，加装外壳及控制按钮，将生产完成的嵌入式软件烧录到整装完成的产品中，仪器整装后老化测试。测试全性能，合格通过。
要理解的是，上述主要部件清单仅仅是示例性的，而非强制性的，本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开范围的情况下，可以对其作任何变型或修改。
实施例2：本公开实施例的五种呼吸训练模式应用举例
（1）横膈肌阻力训练：首先在训练者腹部采用束缚带捆扎固定，采用张力监测单元监测捆扎后张力，使张力保持在10N~20N左右，张力必须不防碍膈肌活动及上腹部鼓起为宜。训练时训练者平躺，采用横膈吸气方式，深吸气同时保持上胸廓平静，每次训练15分钟。而后，可根据训练者特征，调整腹部束缚带张力，逐渐延长训练者阻力呼吸时间，到达训练横膈肌的目标。本训练方法的特征是，通过训练增强横膈肌力量，使吸气肌肉耐力及运动能力增加，提高呼吸效率。
（2）吸气阻力训练：采用气路通径调节单元设定调节吸气/呼气管路内的通径，增加训练者吸气负荷，压力传感器动态监测训练者吸气时的负荷值，每天进行阻力吸气数次，动态监测血氧饱和度，以训练者能耐受、血氧饱和度正常为宜。当训练者的吸气肌力/耐力有改善时，采用气路通径调节单元逐渐将吸气/呼气管路内的通径减小，加大吸气阻力继续训练。本训练方法的特征是，通过训练增强吸气肌肉力量、吸气肌肉耐力、运动能力，使呼吸困难和生活质量显著改善。
（3）诱发呼吸训练：训练者仰卧或半坐卧位，放松舒适姿势。让训练者做4次缓慢、轻松的呼吸，让训练者在第4次呼吸时在呼吸接口做最大呼气，控制单元动态监测最大呼气量，并自动记录数据并形成趋势图；然后经由呼吸接口做最大吸气并且持续吸气数秒钟，动态监测最大吸气量，并自动记录数据并形成趋势图。每天重复数次，每次练习5~10下。调取记录的最大呼气量趋势图、最大吸气量趋势图，评价训练效果。本训练方法的特征是，适当增加气道阻力，减轻或防止病变部位小气道在呼气时过早闭合，从而达到改善通气和换气，减少肺内残气量的目的。
（4）腹式呼吸训练：在训练者腹部采用束缚带捆扎固定，采用张力监测单元监测捆扎后张力，使张力保持在1N~2N左右，以束缚带无法在固定位滑落为宜。训练时训练者静坐，采用横膈吸气方式，经鼻腔深吸气并使张力达到20N左右，保持2-3秒后径口缓慢呼气，每次训练15分钟。本训练方法的特征是，强化腹肌与膈肌运动，增加气体交换容量，改善肺底部通气，降低呼吸肌群的能耗，提高呼吸效率。
（5）胸腔局部呼吸训练：在训练者胸部（肋间呼吸肌）采用束缚带捆扎固定，采用张力监测单元监测捆扎后张力，训练者呼气时张力保持在1N~2N左右，以束缚带无法在固定位滑落为宜。训练时训练者静坐，采用胸腔吸气方式，经鼻腔深吸气使胸腔***，并使胸腔张力达到5N-10N左右，保持2-3秒后径口缓慢呼气，每次训练15分钟。本训练方法的特征是，吸气时胸腔扩大，胸腔外周张力明显增加；呼气时胸腔缩小，胸腔外周张力恢复初始状态，该训练方法能有效促进胸腔运动，改善训练者的通气功能。
上述附图及实施例仅用以说明本公开实施例的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本公开实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本公开实施例技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本公开实施例的权利要求范围当中，对本公开实施例的保护范围不构成任何限制。

Claims (10)

1.一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，主要由呼吸容量主体腔、控制单元（1）、肺功能监测单元、血氧/脉率监测单元、压力监测单元、张力监测单元、气路通径调节单元、人机交互界面（7）、通讯模块以及防护外壳（8）组成，控制单元（1）与肺功能监测单元、血氧/脉率监测单元、压力监测单元、张力监测单元、气路通径调节单元、人机交互界面（7）以及通讯模块连通，例如采用集成电路或导线联通，协同工作；血氧传感器采用导联线、快捷插头与控制单元（1）联通，张力传感器或拉力传感器（5）采用导联线、快捷插头与控制单元（1）联通。
2.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：压力传感器（3）的测压口设置在呼吸接口（9）与容量腔（10）之间的气体通路内，信号处理电路与控制单元（1）联通。
3.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：张力监测单元主要由束缚带、张力传感器或拉力传感器（5）、信号处理电路构成，张力监测单元用于监测训练者吸气-呼气过程中胸/腹腔外周的张力值。
4.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：在吸气/呼气管路中设置节流阀（6），通过节流阀（6）调节吸气/呼气管路内的通径；当吸气/呼气管路内的通径减小时，训练者吸气/呼气的压力负荷增大，所需的呼吸功增加；当吸气/呼气管路内的通径增大时，训练者吸气/呼气的压力负荷减小，所需的呼吸功减小。
5.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：采用电子控制的节流阀（6），节流阀（6）与控制单元（1）联通工作，压力传感器（3）动态监测吸气/呼气管路内的压力，节流阀（6）根据设定的呼吸压力阈值动态控制吸气/呼气管路内的通径，使设定加载的呼气吸气压力负荷保持稳定状态。
6.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：控制单元（1）中设有可供选择的呼吸训练模式，可供选择的呼吸训练模式主要包括横膈肌阻力训练、吸气阻力训练、诱发呼吸训练、腹式呼吸训练、胸腔局部呼吸训练五种模式。
7.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：还设有消毒单元，消毒单元与控制单元（1）联通，消毒单元的有效消毒区域应覆盖呼吸接口（9）、容量腔（10）之间的空腔及所连通元器件。
8.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：呼吸容量主体腔还设有氧气输入接口，在呼吸训练时，从氧气输入接口输入合适流量的医用氧气，提高容量腔（10）内的氧气浓度，缓解呼吸训练时可能诱发的缺氧状态。
9.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：训练期间训练者血氧饱和度、脉率生理参数出现偏离时，控制单元发出信号，并在人机交互界面进行提示。
10.根据权利要求1所述的一种基于多个监测单元协同的智能化呼吸训练***，其特征还在于：胸/腹腔外周的动态张力值用于判断训练者是否采用正确的训练方法，或者通过张力值的变化趋势判断一个周期的训练效果。
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