CN1799501A - 基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法和装置，所述方法包括步骤：设置与呼吸通道(1)连通的第1三通阀(60)、第2三通阀(70)、第一压差传感器(90)、第二压差传感器(80)、第1放大电路(10)和第2放大电路(20)，并由微处理器(100)将压差值和气道压力值分别与对应的零点数据进行比较，同时结合流体、波形识别方法和呼吸力学相关计算方法进行运算，得到人体呼吸力学相关的参数；实施本发明，可以降低呼吸力学测量电路的复杂性，并提高可靠性，还消除了器件本身存在的零点偏移的影响和流速压差传感器、压力传感器以及电路增益的离散性，大大提高了检测精度。
Description
技术领域 本发明涉及人体呼吸相关的流量和呼吸力学参数的测量，特别涉及利用压差式传感器对流量的测量，尤其涉及基于压差流量传感器监测人体呼吸力学相关参数的方法和装置。
背景技术 人体的自主呼吸节律或机械呼吸是平缓的，正常节律一般是每分钟10-30次(Resp/Min)，一般的设计要求呼吸力学监测的压力放大电路的频率范围为8-120Resp/Min，相当于呼吸压力波信号的放大电路的通频带在0.125-4Hz的范围内，因此上述呼吸力学监测电路的通频带一般要求是0.12-5Hz，而气道内的压力变化范围为-20～+100cmH2O。
由于呼吸力学的监测将分成自主呼吸和机械呼吸，其中自主呼吸时气道内的压力变化较小，而在机械呼吸时是依靠气道内的压力强迫人体胸腔产生收缩和舒张，气道内压力变化较大，可以通过气路内压力变化范围的大小和气道流速方向来实现自主呼吸和机械通气的识别。
现有技术的缺陷有以下几点：
1.呼吸力学测量和控制电路复杂。
2.由于监测呼吸通路压力的压差传感器和信号放大电路都可能存在零点偏移，呼吸力学的压力测量电路需要精确的校零操作，否则将影响气路内压力的准确监测，从而影响呼吸力学参数的准确计算。
3.由于流速压差传感器以及电路的增益都存在一定的离散性，从而产生流速与压差对应关系的误差，根据测量出压差值来推算流速将出现偏差，气道压力监测也存在类似的问题。
发明内容 本发明要解决的技术问题是避免上述现有技术的不足之处而提出一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法和装置。本发明设置了串接在人体呼吸通路中的压差传感器，感应因气路中流体运动所产生的压差和气路中压力变化，得到上述压差/气道压力以及时间等直接测量参数，并通过软件和相关的算法来计算出相关的呼吸力学相关的间接参数，如潮气量/容积/呼吸率/气道顺应性/吸入呼出比/呼吸环等，可以向医护人员提供实时呼吸波形和相应的诊断数据，为评价病人的呼吸状态和呼吸机的工作状态提供客观参考依据。
本发明通过采用以下的技术方案来实现：
实施一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法，基于微处理器和A/D转换器，并在微处理器中固化监控程序；所述方法包括步骤：
a.设置与呼吸通道连通的第1三通阀、第2三通阀、第一压差传感器、第二压差传感器、第1放大电路和第2放大电路，并将第1三通阀的长通口连接第一压差传感器的第1口，将压差传感器的输出信号接第1放大电路的输入；还将第2三通阀的长通口连接第二压差传感器和第一压差传感器的第2口，将第二压差传感器的输出信号接第2放大电路的输入；
b.将第1放大电路和第2放大电路的输出接入A/D转换器，将A/D转换器的输出及控制端连接微处理器的I/O端口；
c.通电运行后，微处理器控制第1三通阀和第2三通阀的长通口与大气口接通，使第一压差传感器和第二压差传感器感应大气压力，使第1放大电路和第2放大电路得到稳定的***偏差输出；并通过A/D转换器和微处理器将上述***偏差数据暂存，作为后续压差值和气道内压力计算的零点校准值。
d.进行人体呼吸检测时，微处理器控制第1三通阀和第2三通阀的长通口与呼吸通道口接通，使第一压差传感器感应呼吸通道内气流的方向和压差，得到与流量关联的压差以及与气流方向关联的呼吸模式，使第二压差传感器感应呼吸通道内相对大气压的压力，得到气道内压力；第1放大电路和第2放大电路分别输出压差值和气道压力值，通过A/D转换器的转换，微处理器获得这两个值的数据；
e.微处理器将压差值和气道压力值分别与对应的零点数据进行比较，同时结合流体、波形识别方法和呼吸力学相关计算方法进行运算，得到人体呼吸力学相关的参数，具体参数包含：气道压力、流量、潮气量、容积、呼吸率、吸入/呼吸时间比、气道顺应性、各时段的压力等。
所述第1三通阀、第2三通阀的长通口与大气口接通或与呼吸通道口的接通是微处理器通过阀驱动电路的驱动来实现的。
本发明还可以通过以下的技术方案进一步得到实施：
设计制造一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，包括呼吸通道、微处理器、电源和A/D转换器，微处理器中固化有监控程序；尤其是还包括第1三通阀、第2三通阀、第一压差传感器、第二压差传感器、第1放大电路、第2放大电路和阀驱动电路，所述第1三通阀的长通口连接第一压差传感器的第1口，所述第一压差传感器的输出连接第1放大电路的输入；所述第2三通阀的长通口连接第二压差传感器和第一压差传感器的第2口，第二压差传感器的输出连接第2放大电路的输入；所述阀驱动电路的输出连接第1三通阀和第2三通阀，阀驱动电路的输入连接微处理器的I/O端口。
所述第1放大电路和第2放大电路的输出接入A/D转换器，A/D转换器的输出及控制端连接微处理器的I/O端口。
所述第1放大电路包括运算放大器U2-1、U2-2、U3-1和U3-2，所述运算放大器U2-1、U2-2接成同相差分输入形式，运算放大器U3-2接成同相跟随器形式，其输出通过一只电阻接在运算放大器U2-2的反相输入端，运算放大器U3-2的同相输入端接基准电压VREF2。
所述基准电压VREF2为+2.5V。
所述第2放大电路包括运算放大器U4-1、U4-2、U5-1和U5-2，所述运算放大器U4-1、U4-2接成同相差分输入形式，运算放大器U5-2接成同相跟随器形式，其输出通过电阻R10接在运算放大器U4-2的反相输入端，运算放大器U5-2的同相输入端接基准电压VREF3。
所述基准电压VREF3为+1.25V。
与现有技术相比较，本发明的测量方法借助于串接在人体呼吸气路中的压差流量传感器，感应呼吸气路中因流体运动在这个压差流量传感器上所产生的压力差以及气路内相对外界的压力变化，通过第一、第二压差传感器将上述的压力差和相对大气压的压力变化传送给后续的压力放大电路，并通过滤波、模数转换等获得上述监测量的数字值，再通过相关的算法，包含波形识别方法、流体和呼吸力学的计算方法，进一步得到实时呼吸波形和相关的呼吸力学相关的参数，包含呼吸率/潮气量/容积/吸入呼出比/气道顺应性/压力-容积环/流量-容积环等，大大提高了检测精度。实施本发明，可以降低呼吸力学测量电路的复杂性，并提高可靠性，还消除了器件本身存在的零点偏移的影响和流速压差传感器、压力传感器以及电路增益的离散性。
附图说明 图1是本发明基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法和装置构成方框图；
图2是本发明所述装置中微处理器的工作流程图；
图3是本发明所述装置中放大电路的电原理图。
具体实施方式 下面结合附图及最佳实施例对本发明作进一步详尽的描述。
如图1所示：实施一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法，基于微处理器100和A/D转换器130，并在微处理器100中固化监控程序；所述方法包括步骤：
a.设置与呼吸通道1连通的第1三通阀60、第2三通阀70、第一压差传感器90、第二压差传感器80、第1放大电路10和第2放大电路20，并将第1三通阀60的长通口62连接第一压差传感器90的第1口91，将第一压差传感器90的输出信号接第1放大电路10的输入；还将第2三通阀70的长通口72连接第二压差传感器80和第一压差传感器90的第2口92，将第二压传感器80的输出信号接第2放大电路20的输入；
b.将第1放大电路10和第2放大电路20的输出接入A/D转换器130，将A/D转换器130的输出及控制端连接微处理器100的I/O端口；
c.通电运行后，微处理器100控制第1三通阀60和第2三通阀70的长通口62、72与大气口63、73接通，使第一压差传感器90和第二压差传感器80感应大气压力，使得第1放大电路10和第2放大电路20得到稳定的***偏差；通过A/D转换器130的转换，微处理器100将上述的***偏差作为零点校准数据暂存；
d.进行人体呼吸力学参数的检测时，微处理器100控制第1三通阀60和第2三通阀70的长通口62、72与呼吸通道口61、71接通，使第一压差传感器90感应呼吸通道内气流的方向和压差，使第二压差传感器80感应呼吸通道内相对大气压的压力；第1放大电路10和第2放大电路20分别输出压差值和气道压力值，通过A/D转换器130的转换，微处理器100输入这两个值的数据；
e.微处理器100将压差值和气道压力值分别与对应的零点数据进行比较，同时结合流体、波形识别方法和呼吸力学相关计算方法进行运算，得到人体呼吸力学相关的参数，具体参数包含：气道压力、流量、潮气量、容积、呼吸率、吸入/呼吸时间比、气道顺应性、各时段的压力等。
所述第1三通阀60、第2三通阀70的长通口62、72与大气口63、73接通或与呼吸通道口61、71的接通是微处理器100通过阀驱动电路120的驱动来实现的。
本发明还可以通过以下的技术方案进一步得到实施：
如图1、3所示：设计制造一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，包括呼吸通道1、微处理器100、电源150和A/D转换器130，微处理器(100)中固化有监控程序；尤其是还包括第1三通阀60、第2三通阀70、第一压差传感器90、第二压差传感器80、第1放大电路10、第2放大电路20和阀驱动电路120，所述第1三通阀60的长通口62连接第一压差传感器90的第1口91，所述第一压差传感器90的输出连接第1放大电路10的输入；所述第2三通阀70的长通口72连接第二压差传感器80和第一压差传感器90的第2口92，第二压差传感器80的输出连接第2放大电路20的输入；所述阀驱动电路120的输出连接第1三通阀60和第2三通阀70，阀驱动电路120的输入连接微处理器100的I/O端口。
所述第1放大电路10和第2放大电路20的输出接入A/D转换器130，A/D转换器130的输出及控制端连接微处理器100的I/O端口。
如图3所示：所述第1放大电路10包括运算放大器U2-1、U2-2、U3-1和U3-2，所述运算放大器U2-1、U2-2接成同相差分输入形式，运算放大器U3-2接成同相跟随器形式，其输出通过电阻R4接在运算放大器U2-2的反相输入端，运算放大器U3-2的同相输入端接基准电压VREF2。
在最佳实施例中，所述基准电压VREF2为+2.5V。在其他实施例中，可以选择不同的基准电压。
所述第2放大电路20包括运算放大器U4-1、U4-2、U5-1和U5-2，所述运算放大器U4-1、U4-2也接成同相差分输入形式，运算放大器U5-2也接成同相跟随器形式，其输出通过电阻R10接在运算放大器U4-2的反相输入端，运算放大器U5-2的同相输入端接基准电压VREF3。
在最佳实施例中，所述基准电压VREF3为+1.25V。在其他实施例中，可以选择不同的基准电压。
如图2所示，微处理器100的工作流程为：***上电自检后～先对***进行一次数据采集和预处理，看有无异常情况～如果有，就将故障情况传输给上位机，并终止***运行～如果没有，就进入检测模式设置～这时可以进行零点校准，并将零点数据暂存～进行正式的人体呼吸检测，取回检测数据～进行波形识别和参数计算～转换成通讯数据～将数据传输到上位机。
本发明对两路压力信号进行放大：一路是对限流式流量压差传感器90传递来的压差信号进行放大，以实现-120～120L/Min不同流向的流量实时监测；另一路是对气路内传递来的相对大气的压力信号进行放大，这个传感器的测量范围是-40～+100cmH2O，用于气路内相对大气的压力监测；对上述二个压力放大电路，采用了双运放组成的同相差分输入的放大电路形式，并在同相输入端的原本接地端分别与一个具有一定电位的同相跟随器输出相连以实现一个正向电位输入(前者大约为2.5V的直流电压输入，后者大约为1.25V的直流电压输入)，使得在没有信号输入的情况下：确保第一放大电路10的输出为“2.5V”，保证对正向和负向流速的监测，第二放大电路20的输出为”1.25V”，一则是克服压力传感器“零”点电压的偏离，二则是监测气路内可能出现负向压力，三则是通过基准参考点的设置实现正负流量的实时监测，在这个压力的监测中需要考虑压力监测范围与增益的控制，为了确保在低气道压力监测有足够分辨率，这里在后级电路中设置了2倍的增益，同时考虑了直流偏置的输入，而在高气道压力监测时，则在后级设置1倍增益，确保有足够压力监测范围，上述的过程需要借助于软件的方法完成零点压力校准和负向压力测量的实现。
本发明的设计中与现有技术相比增加了两个微型三通阀和相关的控制电路，使得限流式压差传感器与表压传感器间的气路连接通过这两个微型三通阀的转接来完成，在正常工作条件下下，上述两个传感器间是通过三通阀来实现对通的，在最佳实施方式的一种工作模式中，此时的微型三通电磁阀没有加电，当处在零点压力校准时，这两个微型三通阀同时加电，使得这两个微型三通阀的长通端口转向大气端口，确保两个压力传感器不再与当前的气路发生连通，而与外界的大气直接连通，保证零点压力校准值的准确物理获取，当校准完成后，再次切断对这两个微型三通阀的供电，恢复上述传感器再次与监测气路连通，确保气路参数的继续监测。上述零点压力校准工作可以随时在呼吸力学监测过程中实现，整个过程也只需要3-4秒钟，而不影响当前的呼吸力学参数的监测。
完成准确的零压力参考点的获取之后，对当前气道压力计算时仅需将当前的气道压力采样值减去这个零参压力参考值即可完成实际气道压力的监测；而对压差传感器的压差计算中也只需将当前的压力值减去上述这个零压差参考值即可获得实际的压差值。
关于呼吸模式的自动识别可以依据下列原则进行，根据压差式流量传感器的使用规定，连接好上述传感器，即可根据第二压差传感器所监测到气道内的压力变化来确认当前的呼吸模式：如气道内压力一直保持是正向的即为机械辅助呼吸模式；如气道内出现周期性的交替正向和负向压力，则为自主呼吸模式。
由于呼吸力学的测量是依赖于压力传感器的直接测量，由于在放大电路中固定了电路的增益，但电路的器件离散性总不能确保电路的增益完全一致，影响气道压力和压差的监测精度，本发明通过增加软件校准功能来解决电路的一致性和气道压力的校准问题，即通过恒定流速控制器产生一恒定流量通入压差式流量传感器，并串接一个数字流量计得到当前的流量，再将这个流量通过测试软件输入呼吸力学模块的微处理器，并储存，用于呼吸力学参数监测过程中的电路增益的校准，这样将增强上述监测参数的准确性。
实践证明，本发明的测量方法借助于串接在人体呼吸气路中的压差传感器，感应呼吸气路中因流体运动在这个压差传感器上所产生的压力差以及气路内相对外界的压力变化，通过压力传感器将上述的压力差和相对压力变化传送给后续的压力放大电路，并通过滤波、模数转换等获得上述监测量的数字值，再通过相关的算法进一步得到实时呼吸波形和相关的呼吸环，包含呼吸率/潮气量/容积/吸入呼出比/气道顺应性/压力-容积环/流量-容积环等，大大提高了检测精度。实施本发明，可以降低呼吸力学测量电路的复杂性，并提高可靠性，还消除了器件本身存在的零点偏移的影响和流速压差传感器、压力传感器以及电路增益的离散性。
Claims (8)
1.一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法，所述方法基于微处理器(100)和A/D转换器(130)，并在微处理器(100)中固化监控程序；其特征在于，所述方法包括步骤：
a.设置与呼吸通道(1)连通的第1三通阀(60)、第2三通阀(70)、第一压差传感器(90)、第二压差传感器(80)、第1放大电路(10)和第2放大电路(20)，并将第1三通阀(60)的长通口(62)连接第一压差传感器(90)的第1口(91)，将压差传感器(90)的输出信号接第1放大电路(10)的输入；还将第2三通阀(70)的长通口(72)连接第二压差传感器(80)和第一压差传感器(90)的第2口(92)，将第二压差传感器(80)的输出信号接第2放大电路(20)的输入；
b.将第1放大电路(10)和第2放大电路(20)的输出接入A/D转换器(130)，将A/D转换器(130)的输出及控制端连接微处理器(100)的I/O端口；
c.通电运行后，微处理器(100)控制第1三通阀(60)和第2三通阀(70)的长通口(62)、(72)与大气口(63)、(73)接通，使第一压差传感器(90)和第二压差传感器(80)感应大气压力，使得第1放大电路(10)和第2放大电路(20)得到稳定的***偏差输出；通过A/D转换器(130)的转换，微处理器(100)将上述***偏差数据暂存，作为后续计算的零点校准值；
d.进行人体呼吸检测时，微处理器(100)控制第1三通阀(60)和第2三通阀(70)的长通口(62)、(72)与呼吸通道口(61)、(71)接通，使第一压差传感器(90)感应呼吸通道内气流的方向和压差，使第二压差传感器(80)感应呼吸通道内相对大气压的压力；第1放大电路(10)和第2放大电路(20)分别输出压差值和气道压力值，通过A/D转换器(130)的转换，微处理器(100)输入这两个值的数据；
e.微处理器(100)将压差值和气道压力值分别与对应的零点数据进行比较，同时结合流体、波形识别方法和呼吸力学相关计算方法进行运算，得到人体呼吸力学相关的参数。
2.根据权利要求1所述的基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的方法，其特征在于：所述第1三通阀(60)、第2三通阀(70)的长通口(62)、(72)与大气口(63)、(73)接通或与呼吸通道口(61)、(71)的接通是微处理器(100)通过阀驱动电路(120)的驱动来实现的。
3.一种基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，包括呼吸通道(1)、微处理器(100)、电源(150)和A/D转换器(130)，微处理器(100)中固化有监控程序；其特征在于：还包括第1三通阀(60)、第2三通阀(70)、第一压差传感器(90)、第二传感器(80)、第1放大电路(10)、第2放大电路(20)和阀驱动电路(120)，所述第1三通阀(60)的长通口(62)连接压差传感器(90)的第1口(91)，所述第一压差传感器(90)的输出连接第1放大电路(10)的输入；所述第2三通阀(70)的长通口(72)连接第二压差传感器(80)和第一压差传感器(90)的第2口(92)，第二压差传感器(80)的输出连接第2放大电路(20)的输入；所述阀驱动电路(120)的输出连接第1三通阀(60)和第2三通阀(70)，阀驱动电路(120)的输入连接微处理器(100)的I/O端口。
4.根据权利要求3所述的基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，其特征在于：
所述第1放大电路(10)和第2放大电路(20)的输出接入A/D转换器(130)，A/D转换器(130)的输出及控制端连接微处理器(100)的I/O端口。
5.根据权利要求3所述的基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，其特征在于：所述第1放大电路(10)包括运算放大器U2-1、U2-2、U3-1和U3-2，所述运算放大器U2-1、U2-2接成同相差分输入形式，运算放大器U3-2接成同相跟随器形式，其输出通过电阻R4接在运算放大器U2-2的反相输入端，运算放大器U3-2的同相输入端接基准电压VREF2。
6.根据权利要求5所述的基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，其特征在于：所述基准电压VREF2为+2.5V。
7.根据权利要求3所述的基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，其特征在于：所述第2放大电路(20)包括运算放大器U4-1、U4-2、U5-1和U5-2，所述运算放大器U4-1、U4-2接成同相差分输入形式，运算放大器U5-2接成同相跟随器形式，其输出通过电阻R10接在运算放大器U4-2的反相输入端，运算放大器U5-2的同相输入端接基准电压VREF3。
8.根据权利要求7所述的基于压差流量传感器监测人体呼吸力学参数的装置，其特征在于：所述基准电压VREF3为+1.25V。
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