CN114588443A - 一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节*** - Google Patents

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Abstract

一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，包括肺部成像***、PID控制***和模糊控制***；所述模糊控制***包括比较模块和模糊控制器；所述肺部成像***用于实时反馈患者血氧饱和度和呼吸频率；所述比较模块用于将实时接收的血氧饱和度与预设值做差，输出血氧饱和度偏差；所述模糊控制器用于根据所述血氧饱和度偏差和所述呼吸频率进行模糊计算，得到修正系数；所述PID控制***用于将当前控制系数与所述修正系数之和作为新的控制系数，控制空气输出流量和氧气流量的大小；本发明实现了治疗过程中对供氧浓度和流量大小的动态自适应调节，大大提高升了HFNC装备临床治疗效果和患者依从性。

Description

一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***。
背景技术
呼吸衰竭是各种原因引起的肺通气和(或)换气功能严重障碍，以致不能进行有效的气体交换，导致缺氧伴(或不伴)二氧化碳潴留，从而引起一系列生理功能和代谢紊乱的临床综合征。会造成患者呼吸困难、急促，甚至会引发精神神经症状等，并发肺性脑病时，还可有消化道出血,给患者带来极大痛苦，严重时直接危害生命。
经鼻高流量氧疗(High-FlowNasal Cannula Oxygen Therapy，HFNC)是通过无需密封的鼻塞导管直接将一定氧浓度的空氧混合高流量气体输送给患者的一种氧疗方式。经鼻高流量氧疗(HFNC)最初是作为替代经鼻持续正压通气(NCPAP)的呼吸支持手段而广泛应用于新生儿呼吸窘迫综合征(NRDS)，并且取得了肯定的疗效。随着HFNC在成人的应用越来越多，医务人员在使用过程中也认识到它不同于普通氧疗及无创机械通气的独特优势。该技术可同时满足使用者气道湿化、温度和吸入氧气流速的要求，具有氧浓度恒定、良好的温湿化效果、能冲刷鼻咽部死腔、能产生一定气道正压、舒适性耐受性好等优点。因而受到临床医生和护理人员的普遍欢迎。目前在临床上广泛用于纠正低血氧症和高碳酸症，HFNC呼吸机由一个封闭***组成，在这个***中，空气和氧气的混合物可以在可变的气体流量下产生。这些气体加热至接近体温，加湿后通过鼻插管输送给忠者。但目前国内外HFNC呼吸机还不具备智能化，人机协调性不够，临床上无法实现患者的个体化精准氧疗。
因此，如何提供一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，来实现治疗过程中对供氧浓度和流量大小的动态自适应调节，提升装备智能化与人机协调性是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，实现了治疗过程中对供氧浓度和流量大小的动态自适应调节，提升了装备智能化与人机协调性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，包括肺部成像***、PID控制***和模糊控制***；所述模糊控制***包括比较模块和模糊控制器；
所述肺部成像模块用于实时反馈患者血氧饱和度和呼吸频率；
所述比较模块用于将实时接收的血氧饱和度与预设值做差，输出血氧饱和度偏差；
所述模糊控制器用于根据所述血氧饱和度偏差和所述呼吸频率进行模糊计算，得到修正系数；
所述PID控制***用于将当前控制系数与所述修正系数之和作为新的控制系数，控制空气输出流量和氧气流量的大小。
进一步的，所述肺部成像模块用于采用电阻抗成像算法通过分析电阻抗周期变化的规律计算呼吸频率，并通过分析电阻抗的阻值分布，计算患者血氧饱和度。
进一步的，所述模糊控制器采用二输入六输出的工作模式，以所述血氧饱和度偏差和所述呼吸频率为输入，六个PID修正系数作为输出；所述六个PID修正系数分别为，空气比例调节系数、空气积分调节系数、空气微分调节系数、氧气比例调节系数、氧气积分调节系数和氧气微分调节系数。
进一步的，，所述模糊控制器还用于对所述血氧饱和度偏差、所述呼吸频率以及所述PID修正系数分别进行模糊化。
进一步的，所述模糊控制器还用于设置模糊规则，并根据所述血氧饱和度偏差等级和所述呼吸频率等级之间不同的相对关系，以及所述模糊规则确认所述PID修正系数的等级。
进一步的，所述模糊控制器还用于根据所述修正系数的等级解模糊化，输出修正系数。
进一步的，所述PID控制***包括空气流量PID控制器、氧气流量PID控制器、空气流量比例阀、氧气流量比例阀和混合输出装置；
所述空气流量PID控制器用于发出空气流量控制信号，并控制所述空气流量比例阀输出空气流量的大小；
所述氧气流量PID控制器用于发出氧气流量控制信号，并控制所述氧气流量比例阀输出氧气流量的大小；
所述混合输出装置用于将所述空气流量比例阀输出的空气与所述氧气流量比例阀输出的氧气混合后进行输出。
进一步的，所述PID控制***还包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器与所述空气流量PID控制器连接，用于对所述空气流量控制信号进行放大处理；
所述第二运算放大器与所述氧气流量PID控制器连接，用于对所述氧气流量控制信号进行放大处理。
本发明的有益效果：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，实现了治疗过程中对供氧浓度和流量大小的动态自适应调节，解决了目前国内外装备智能化缺失，人机协调性不够的问题，大大提高升了HFNC装备临床治疗效果和患者依从性。同时采用肺部电阻抗成像技术，可对患者的呼吸频率和血氧饱和度进行实时长期的检测，实时反馈给模糊控制***，且电阻抗成像技术具有非侵入性、无放射无创伤、设备简单易于操作、成本低廉等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***结构示意图；
图2附图为本发明中血氧饱和度偏差隶属度函数图；
图3附图为本发明中呼吸频率隶属度函数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，包括肺部成像***、PID控制***和模糊控制***；模糊控制***包括比较模块和模糊控制器；
肺部成像***用于实时反馈患者血氧饱和度和呼吸频率；
比较模块用于将实时接收的血氧饱和度与预设值做差，输出血氧饱和度偏差；
模糊控制器用于根据血氧饱和度偏差和呼吸频率进行模糊计算，得到修正系数；
PID控制***用于将当前控制系数与修正系数之和作为新的控制系数，控制空气输出流量和氧气流量的大小。
本发明的具体执行步骤包括：
给定正常的血氧饱和度(设为100％)，被控量为患者的血氧饱和度，反馈信号为患者的血氧饱和度和呼吸频率，控制器为模糊PID控制器，执行器为空气流量比例阀和氧气流量比例阀。控制过程为：通过肺部电阻抗成像技实时反馈患者血氧饱和度和呼吸频率，将测得血氧饱和度和给定正常血氧饱和度做差得到血氧饱和度偏差，血氧饱和度偏差和呼吸频率共同作为模糊控制器的输入，利用事先根据专家经验设定好的模糊规则进行模糊推理，查询模糊规则表并进行解模糊化得到空气流量PID控制器和氧气流量PID控制器对应的P、I、D的修正参数Δkp空、Δki空、Δkd空、Δkp氧、Δki氧、Δkd氧，从而修正事先已经设定好PID控制器系数Kp空、Ki空、Kd空、Kp氧、Ki氧、Kd氧，即对应相加，系数变为Kp空+Δkp空等，从而实现了不同时刻的血氧饱和度偏差和呼吸频率对PID参数的自适应调整。接着将空气流量PID控制器和氧气流量PID控制器的输出信号进行放大运算，分别对空气流量阀和氧气流量阀进行控制，从而实现对输出空气流量和氧气流量的大小的协同控制。然后再将输出空气和输出氧气进行混合，并通过鼻塞导管经鼻输送给人体。其中反馈回路即通过肺部电阻抗成像技术获得患者的实时血氧饱和度和呼吸频率，这样就构成了一个能对供氧浓度和流量大小进行动态自适应调节的基于肺部电阻抗成像技术的经鼻高流量氧疗闭环控制***。
在另一实施例中，肺部成像模块用于采用电阻抗成像算法通过分析电阻抗周期变化的规律计算呼吸频率以及通过分析电阻抗的阻值分布，计算患者血氧饱和度。
在另一实施例中，模糊控制器采用二输入六输出的工作模式，以血氧饱和度偏差和呼吸频率为输入，六个PID修正系数作为输出；六个PID修正系数分别为，空气比例调节系数，空气积分调节系数、空气微分调节系数、氧气比例调节系数，氧气积分调节系数和氧气微分调节系数。
在另一实施例中，模糊控制器还用于对血氧饱和度偏差、呼吸频率以及PID修正系数进行等级划分。
图2为血氧饱和度偏差隶属度函数图，其中血氧饱和度偏差取值范围为[-100％,0]，在取值范围内定义三个模糊集合，并将其命名为“很大”、“较大”、“正常”，其取值范围如表1所示，三个模糊集合的隶属度函数分别为(隶属度(y)表示某一元素(x)属于模糊集合的程度，y的取值范围为[0,1])：
(1)模糊集合“很大”的隶属度函数：
Figure BDA0003539291520000061
(2)模糊集合“较大”的隶属度函数：
Figure BDA0003539291520000062
(3)模糊集合“正常”的隶属度函数：
y＝＝1,-5％＜x＜0。
图3为呼吸频率隶属度函数图，呼吸频率取值范围为[0,40]，在取值范围内同样定义三个模糊集合，并将其命名为“低”、“正常”、“高”，其取值范围如表2所示，三个模糊集合的隶属度函数分别为：
(1)模糊集合“低”的隶属度函数：
Figure BDA0003539291520000063
(2)模糊集合“正常”的隶属度函数：
Figure BDA0003539291520000064
(3)模糊集合“高”的隶属度函数：
Figure BDA0003539291520000071
在本实施例中，通过等级划分将血氧饱和度偏差和呼吸频率进行模糊化；定义六个PID修正系数变化范围为怕[-2，2]，并将其分为五个等级{-2，-1,0,1,2}，取相应论域上的语言值为负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)和正大(PB)，输出变量的隶属度函数采用三角隶属度函数。其中，血氧饱和度偏差模糊化表如表1：
表1血氧饱和度偏差模糊化表
Figure BDA0003539291520000072
呼吸频率模糊化表如表2：
表2呼吸频率模糊化表
Figure BDA0003539291520000073
在另一实施例中，模糊控制器还用于设置模糊规则并根据血氧饱和度偏差等级和呼吸频率等级之间不同的相对关系，以及模糊规则确认PID修正参数的等级。
在本实施例中，输出的供氧浓度是由输出的空气流量和氧气流量的相对大小决定的，而流量大小则由空气流量和氧气流量大小共同决定。当血氧饱和度偏差较大时，说明患者气体交换效率低，此时应该增大建议的供氧浓度，即增大氧气流量，而空气流量相对减小，当血氧饱和度偏差较小时，血氧饱和度正常，此时应减小建议的供氧浓度即增大空气流量，而氧气流量相对减小；当呼吸频率较低时，应该降低建议流量大小，即同时减小空气流量和氧气流量，当呼吸频率较高时，应该增大建立流量大小，即同时增大空气流量和氧气流量。其模糊规则表如表3所示。
表3模糊规则表
Figure BDA0003539291520000081
此外，还包括模糊推理，模糊控制器模仿人类下判断时的模糊概念，根据输入、模糊规则表和输入输出隶属度函数得出六个修正系数Δkp空、Δki空、Δkd空、Δkp氧、Δki氧、Δkd氧的模糊值。
在另一实施例中，模糊控制器还用于根据修正系数的等级解模糊化，输出修正系数。
在本实施例中，将模糊推理所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为***的输出值。根据模糊推理得到的输出模糊值和输入隶属度函数，将输出模糊值进行解模糊化，得到输出的准确值。本发明采用以输入隶属度为权重，计算相对应的输出结果的隶属度，即输出隶属度＝输入1(血氧饱和度偏差)的隶属度×输入2(呼吸频率)的隶属度。得到输出结果的隶属度后，再将同一输出(共有六种输出Δkp空、Δki空、Δkd空、Δkp氧、Δki氧、Δkd氧)的模糊推理结果，即模糊等级(共六种：负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)和正大(PB))分别乘以其对应的输出隶属度，然后再求和，即可得到模糊推理的最终输出值。
在另一实施例中，PID控制***包括空气流量PID控制器、氧气流量PID控制器、空气流量比例阀、氧气流量比例阀和混合输出装置；
空气流量PID控制器用于发出空气流量控制信号，控制空气流量的大小，空气流量比例阀用于执行空气的输出；
氧气流量PID控制器用于发出氧气流量控制信号，控制氧气流量的大小，氧气流量比例阀用于执行氧气的输出；
混合输出装置用于将空气流量比例阀输出的空气与氧气流量比例阀输出的氧气混合后进行输出。
在另一实施例中，PID控制***还包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器与空气流量PID控制器连接，用于对空气流量控制信号进行放大处理；
第二运算放大器与氧气流量PID控制器连接，用于对氧气流量控制信号进行放大处理。
本发明用一个模糊控制器和两个PID控制器设计了一个能对供氧浓度和流量大小进行动态自适应调节的基于肺部电阻抗成像技术的经鼻高流量氧疗闭环控制***。利用呼吸过程中的空气含量变化以及血流灌注变化导致的肺部组织电导率的明显变化，对肺部电阻抗进行重构成像，得到实时的肺部电阻抗分布，通过分析电阻抗周期变化的规律即能得到实时的呼吸频率，通过分析电阻抗的阻值与分布即能得到当前的血氧饱和度。再将测得呼吸频率与血氧饱和度作为反馈信号，通过模糊PID算法实现对氧气流量和空气流量大小的协同控制，从而实现了治疗过程中对供氧浓度和流量大小的动态自适应调节，解决目前国内外装备智能化缺失，人机协调性不够的问题，大大提高升了HFNC装备临床治疗效果和患者依从性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，包括肺部成像***、PID控制***和模糊控制***；所述模糊控制***包括比较模块和模糊控制器；
所述肺部成像***用于实时反馈患者血氧饱和度和呼吸频率；
所述比较模块用于将实时接收的血氧饱和度与预设值做差，输出血氧饱和度偏差；
所述模糊控制器用于根据所述血氧饱和度偏差和所述呼吸频率进行模糊计算，得到修正系数；
所述PID控制***用于将当前控制系数与所述修正系数之和作为新的控制系数，控制空气输出流量和氧气流量的大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述肺部成像模块用于采用电阻抗成像算法通过分析电阻抗周期变化的规律计算呼吸频率，并通过分析电阻抗的阻值分布，计算患者血氧饱和度。
3.根据权利要求1所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述模糊控制器采用二输入六输出的工作模式，以所述血氧饱和度偏差和所述呼吸频率为输入，六个PID修正系数作为输出；所述六个PID修正系数分别为，空气比例调节系数、空气积分调节系数、空气微分调节系数、氧气比例调节系数、氧气积分调节系数和氧气微分调节系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述模糊控制器还用于对所述血氧饱和度偏差、所述呼吸频率以及所述PID修正系数分别进行模糊化。
5.根据权利要求4所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述模糊控制器还用于设置模糊规则，并根据所述血氧饱和度偏差等级和所述呼吸频率等级之间不同的相对关系，以及所述模糊规则确认所述PID修正系数的等级。
6.根据权利要求5所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述模糊控制器还用于根据所述修正系数的等级解模糊化，输出修正系数。
7.根据权利要求1所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述PID控制***包括空气流量PID控制器、氧气流量PID控制器、空气流量比例阀、氧气流量比例阀和混合输出装置；
所述空气流量PID控制器用于发出空气流量控制信号，并控制所述空气流量比例阀输出空气流量的大小；
所述氧气流量PID控制器用于发出氧气流量控制信号，并控制所述氧气流量比例阀输出氧气流量的大小；
所述混合输出装置用于将所述空气流量比例阀输出的空气与所述氧气流量比例阀输出的氧气混合后进行输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于肺部成像的经鼻高流量氧疗智能调节***，其特征在于，所述PID控制***还包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器与所述空气流量PID控制器连接，用于对所述空气流量控制信号进行放大处理；
所述第二运算放大器与所述氧气流量PID控制器连接，用于对所述氧气流量控制信号进行放大处理。
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CN115487388A (zh) * 2022-09-15 2022-12-20 北京理工大学 一种基于血氧饱和度反馈的闭环供氧调节***

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