呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，所述呼吸機包括渦輪和壓力控制閥，所述通氣流量控制系統(tǒng)包括：用于檢測呼吸機的通氣流量的流量檢測器；用于檢測呼吸機的氣道壓力的壓力檢測器；控制器，控制器根據(jù)呼吸機的通氣流量和氣道壓力調(diào)節(jié)渦輪的電機的轉(zhuǎn)速和壓力控制閥的驅(qū)動電壓以對通氣流量進行控制。根據(jù)本實用新型的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，可以對呼吸機的通氣流量進行控制，并且可以節(jié)省能源。
【專利說明】呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及醫(yī)療設備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著各種相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，基于內(nèi)置渦輪的機械通氣系統(tǒng)在諸如家用通氣護理、急救轉(zhuǎn)運通氣甚至I⑶(Intensive Care Unit,重癥監(jiān)護病房)中對重癥患者進行通氣治療等各種場合中，得到越來越多的應用。
[0003]基于內(nèi)置渦輪的機械通氣系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為渦輪呼吸機，但不同品牌的渦輪呼吸機在氣路結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和壓力/流量控制方法上都存在著或多或少的差異。就氣路結(jié)構(gòu)而言，各種渦輪呼吸機的核心結(jié)構(gòu)大致可以分為三種典型結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)分別如下:
[0004]如圖1所示，為一種結(jié)構(gòu)的渦輪呼吸機，包括渦輪101和呼氣閥102，其流量和壓力控制都是通過直接調(diào)整渦輪101的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此需要有精確、快速反應的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。存在的缺點是:壓力控制目標高時需要的加減速力矩很大、噪音也很大、且渦輪101驅(qū)動電機的壽命會縮短；同時這類呼吸機易于控制壓力，控制流量比較困難，特別是小潮氣量下的小流量精確控制很難實現(xiàn)。
[0005]如圖2所示，為第二種結(jié)構(gòu)的渦輪呼吸機，一般在一次呼吸周期內(nèi)渦輪101的轉(zhuǎn)速保持不變，壓力控制和流量控制主要靠渦輪101下端的節(jié)流閥103調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。這類呼吸機的缺點是:控制流量相對容易但控制壓力比較困難，同時在人體的呼氣相時，渦輪101出口幾乎處于堵死狀態(tài)，渦輪101的電機空轉(zhuǎn)造成能量浪費，并且需要在渦輪101和節(jié)流閥103之間加入氣體降溫裝置。
[0006]另外，如圖3所示，為第三種結(jié)構(gòu)的渦輪呼吸機而言，在一次呼吸周期渦輪101的轉(zhuǎn)速也保持不變，壓力控制通過與渦輪101并聯(lián)的壓力控制閥104來實現(xiàn)。壓力控制閥104采用溢流的方式將渦輪101出口多余的流量回流到渦輪101進氣端，同時保持渦輪101出口的壓力幾乎保持在設定的目標壓力。但是這種結(jié)構(gòu)的呼吸機存在三個明顯的缺陷:(I)在人體的呼氣相時，渦輪101輸出流量很大，相應的轉(zhuǎn)矩電流增大造成能量浪費；(2)在人體的呼氣相時，大部分流量回流到渦輪101進口端反復進行循環(huán)流動，因此氣溫上升較大，需要在渦輪101后端與壓力控制閥104之間加入氣體降溫裝置；(3)此結(jié)構(gòu)的呼吸機控制壓力容易，控制流量非常困難，因此已經(jīng)商品化的此結(jié)構(gòu)的呼吸機都只是通過控制壓力波形實現(xiàn)通氣模式，沒有對流量波形進行直接控制。
[0007]綜上所述，三種渦輪呼吸機結(jié)構(gòu)都存在著各自的優(yōu)缺點，沒有一種結(jié)構(gòu)完美到對另外兩種結(jié)構(gòu)具有壓倒性的優(yōu)勢。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型的目的旨在至少在一定程度上解決上述的技術(shù)問題之一。
[0009]本實用新型主要針對第三種結(jié)構(gòu)的渦輪呼吸機而提出，旨在解決此結(jié)構(gòu)下的通氣流量控制問題，同時克服此結(jié)構(gòu)下呼氣相渦輪高轉(zhuǎn)速造成的明顯能量浪費。
[0010]為此，本實用新型的一個目的在于提出一種呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以對呼吸機的通氣流量進行控制，并且可以節(jié)省能源。
[0011]為達到上述目的，本實用新型提出一種呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，所述呼吸機包括渦輪和壓力控制閥，所述通氣流量控制系統(tǒng)包括:用于檢測所述呼吸機的通氣流量的流量檢測器；用于檢測所述呼吸機的氣道壓力的壓力檢測器；控制器，所述控制器根據(jù)所述呼吸機的通氣流量和氣道壓力調(diào)節(jié)所述渦輪的電機的轉(zhuǎn)速和所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓以對所述通氣流量進行控制。
[0012]根據(jù)本實用新型的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)呼吸機的通氣流量和氣道壓力對渦輪的壓力進行調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)壓力控制閥的驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)對呼吸機的通氣流量的控制。另外，通過調(diào)節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速可以降低通氣過程中的能量損耗，節(jié)約能源。
[0013]其中，所述流量檢測器包括第一流量檢測器和第二流量檢測器，所述第一流檢測器設置于所述呼吸機的吸氣支路上以檢測所述吸氣支路的通氣流量，所述第二流量檢測器設置于所述呼吸機的呼氣支路上以檢測所述呼氣支路的通氣流量；所述壓力檢測器包括第一壓力檢測器和第二壓力檢測器，所述第一壓力檢測器設置于所述呼吸機的吸氣支路上以檢測所述吸氣支路的氣道壓力，所述第二壓力檢測器設置于所述呼吸機的呼氣支路上以檢測所述呼氣支路的氣道壓力。
[0014]進一步地，所述控制器進一步包括:估算模塊，所述估算模塊用于估算人體的呼吸力學參數(shù)和人體吸氣相的氣道壓力；根據(jù)所述吸氣相的氣道壓力調(diào)節(jié)所述渦輪的電機的轉(zhuǎn)速的渦輪轉(zhuǎn)速控制器；用于調(diào)節(jié)所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓的前饋控制器和反饋控制器，其中，所述前饋控制器根據(jù)所述呼吸力學參數(shù)和目標通氣流量調(diào)節(jié)所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓，所述反饋控制器根據(jù)檢測的所述吸氣支路的通氣流量與目標通氣流量的誤差調(diào)節(jié)所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓。
[0015]另外，所述估算模塊還用于根據(jù)檢測的所述呼吸機的呼氣支路的通氣流量和氣道壓力估算所述呼吸力學參數(shù)，以及根據(jù)所述呼吸力學參數(shù)和所述吸氣支路的目標通氣流量估算所述人體吸氣相的氣道壓力。
[0016]優(yōu)選地，上述呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)還可以包括:止回閥，所述止回閥設置于所述呼吸機的吸氣支路上，所述止回閥用于防止患者呼出的氣體返回至所述渦輪。
[0017]其中，在本實用新型中，所述呼吸機處于容量控制通氣VCV模式。
[0018]本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]本實用新型上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0020]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的一種具體結(jié)構(gòu)的呼吸機的示意圖；
[0021]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的另一種具體結(jié)構(gòu)的呼吸機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為現(xiàn)有技術(shù)的有一種具體結(jié)構(gòu)的呼吸機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為根據(jù)本實用新型實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)的示意圖；[0024]圖5為根據(jù)本實用新型的一個實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)的工作流程不意圖；
[0025]圖6為根據(jù)本實用新型的另一個實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)的控制結(jié)果相應參數(shù)的曲線示意圖；
[0026]圖7為根據(jù)本實用新型的一個實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)中的渦輪的特性曲線示意圖；
[0027]圖8為根據(jù)本實用新型的一個具體實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)中的壓力控制閥的參數(shù)的關(guān)系示意圖；
[0028]圖9為根據(jù)本實用新型的另一個具體實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)中的壓力控制閥的參數(shù)的關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。
[0030]下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本實用新型的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本實用新型的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本實用新型。此外，本實用新型可以在不同例子中重復參考數(shù)字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關(guān)系。此外，本實用新型提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0031]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
[0032]下面參照附圖描述根據(jù)本實用新型實施例提出的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)和控制方法。
[0033]如圖4所示，本實用新型實施例的呼吸機包括渦輪10和壓力控制閥20。本實用新型實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)包括流量檢測器、壓力檢測器和控制器(圖中未顯示)。其中，流量檢測器用于檢測呼吸機的通氣流量。壓力檢測器用于檢測呼吸機的氣道壓力。控制器根據(jù)呼吸機的通氣流量和氣道壓力調(diào)節(jié)渦輪10的電機的轉(zhuǎn)速和壓力控制閥20的驅(qū)動電壓以對通氣流量進行控制。
[0034]進一步地，在本實用新型的一個實施例中，如圖4所示，流量檢測器包括第一流量檢測器411和第二流量檢測器412，第一流檢測器411設置于呼吸機的吸氣支路上以檢測吸氣支路的通氣流量，第二流量檢測器412設置于呼吸機的呼氣支路上以檢測呼氣支路的通氣流量。壓力檢測器包括第一壓力檢測器421和第二壓力檢測器422，第一壓力檢測器421設置于呼吸機的吸氣支路上以檢測吸氣支路的氣道壓力，第二壓力檢測器422設置于呼吸機的呼氣支路上以檢測呼氣支路的氣道壓力。
[0035]具體地，如圖4所示，低壓空氣由進氣過濾器50進入呼吸機，到達渦輪10進口端。低壓氣體被旋轉(zhuǎn)的渦輪10加壓后從渦輪10出口端流出。渦輪10出口的一部分流量經(jīng)由吸氣支路通向患者。吸氣支路設置的第一壓力檢測器421例如壓力傳感器和第一流量檢測器411例如流量傳感器分別檢測吸氣端壓力和吸氣流量。優(yōu)選地，本實用新型實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)還可以包括止回閥60，止回閥60設置于呼吸機的吸氣支路上，止回閥60用于防止患者呼出的氣體返回至渦輪10。另外，與渦輪10并聯(lián)的一個壓力控制閥20在流量控制中起主要作用。壓力控制閥20可以理解為一個溢流閥，當渦輪10出口壓力大于壓力控制閥20控制壓力時，壓力控制閥20的閥口打開，渦輪10出口的部分流量經(jīng)由壓力控制閥20所在的回流旁路回流到渦輪10進口端。因此渦輪10出口總流量等于回流流量和患者通氣流量之和。患者呼出的氣體經(jīng)由呼氣支路和呼氣閥70排出到大氣中。呼氣閥70在吸氣相處于關(guān)閉狀態(tài)，在呼氣相處于打開狀態(tài)，對呼氣閥70的控制同時保證設定的PEEP (Positive End Expiratory Pressure,呼氣末氣道正壓)。呼氣支路設置的第二壓力檢測器422例如壓力傳感器和第二流量檢測器412例如流量傳感器分別檢測呼氣端壓力和呼氣流量。
[0036]本實用新型實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)中的呼吸機處于容量控制通氣VCV模式。本實用新型實施例的核心思想是:通過調(diào)節(jié)渦輪10的速度和壓力控制閥20的驅(qū)動電壓，聯(lián)合實現(xiàn)呼吸機在容量控制通氣VCV (Volume Control)模式下的吸/呼氣相的通氣流量控制。VCV模式下吸氣相的目標通氣流量為方波或者是下降波，呼氣相的目標通氣流量為固定的基礎(chǔ)流。
[0037]在本實用新型的另一個實施例中，控制器進一步可以包括:估算模塊、渦輪轉(zhuǎn)速控制器、前饋控制器和反饋控制器。其中，估算模塊用于估算人體的呼吸力學參數(shù)和人體吸氣相的氣道壓力。人體的呼吸力學參數(shù)可以包括氣道阻力R和人體肺順應力。渦輪轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)所述吸氣相的氣道壓力調(diào)節(jié)渦輪的電機的轉(zhuǎn)速，例如，在人體處于吸氣相時控制渦輪10的電機的轉(zhuǎn)速增加，在人體處于呼氣相時控制渦輪10的電機的轉(zhuǎn)速降低，以保證渦輪10的出口流量大于吸/呼氣相的目標通氣流量，因此實現(xiàn)對通氣流量的粗略控制。前饋控制器和反饋控制器用于調(diào)節(jié)壓力控制閥20的驅(qū)動電壓，其中，前饋控制器根據(jù)呼吸力學參數(shù)和目標通氣流量調(diào)節(jié)壓力控制閥20的驅(qū)動電壓，反饋控制器根據(jù)檢測的吸氣支路的通氣流量與目標通氣流量的誤差調(diào)節(jié)壓力控制閥20的驅(qū)動電壓。前饋控制器和反饋控制器的輸出之和作為壓力控制閥20的控制信號。
[0038]具體地，如圖5所示，本實用新型實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)的控制過程為:第二流量檢測器412和第二壓力檢測器422分別檢測呼吸機呼氣支路中的通氣流量和氣道壓力，因為呼吸機的呼氣支路與人體的肺部接觸，可以通過檢測的呼吸機的呼氣支路的通氣流量和容量(為通氣流量的積分)、氣道壓力來估算人體的呼吸力學參數(shù)例如氣道阻力R和肺順應性C。可以通過估算模塊來估算，具體地，估算模塊根據(jù)檢測的呼吸機的呼氣支路的通氣流量和氣道壓力估算呼吸力學參數(shù)，進而根據(jù)呼吸力學參數(shù)和吸氣支路的目標通氣流量估算人體吸氣相的氣道壓力?？梢岳斫獾氖?，估算的人體吸氣相的氣道壓力為從呼吸機的吸氣支路進入人體肺的目標氣道壓力。進而渦輪轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)吸氣相的氣道壓力和吸氣支路的目標通氣流量對渦輪10的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，設定渦輪10的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)電機的驅(qū)動器的輸出電壓和電流以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而電機、渦輪10組合，根據(jù)氣體的慣性特性控制渦輪10出口流量，即實現(xiàn)對吸氣支路通氣流量的粗略控制。另外，前饋控制器根據(jù)呼吸力學參數(shù)和吸氣支路的目標通氣流量輸出相應的控制信號，且反饋控制器根據(jù)檢測的吸氣支路的通氣流量與目標通氣流量的誤差輸出控制信號，前饋控制器和反饋控制器的輸出信號之和成為調(diào)節(jié)壓力控制閥20的控制信號，進而根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)壓力控制閥20的驅(qū)動電壓，以及根據(jù)壓力控制閥20的動態(tài)特性和吸氣支路的通氣流量實現(xiàn)對渦輪10回流的精細控制。所以通過對渦輪10出口流量的粗略控制和對渦輪10回流的精細控制，可以實現(xiàn)對吸氣支路的通氣流量的控制，進而根據(jù)氣路和人體肺的動態(tài)進行工作。
[0039]在本實用新型的實施例中，估計模塊通過采樣的氣道壓力、通氣容量、通氣流量信號估算患者的R和C。估算的R、C結(jié)合目標流量用于估算人體吸氣相的氣道壓力。估算的氣道壓力被前饋控制器和渦輪轉(zhuǎn)速控制器利用。
[0040]其中，估算模塊對人體的呼吸力學參數(shù)和人體吸氣相的氣道壓力的估算過程如下:
[0041]患者的呼吸力學模型一般表示為一個包含集中參數(shù)R和C的線性微分方程，如下方程:
[0042]Paw (t) -PEEP=R X Q (t) +1/C X V (t) (I)
[0043]方程(I)中的Paw表不氣道壓力，PEEP表不呼氣末氣道正壓，Q表不通氣流量，V表示通氣容量(即通氣流量的積分)，R表示氣道阻力，C表示患者肺順應性。如果估算模塊采樣得到多個時刻的氣壓力、通氣流量和通氣容量，將每個采樣時刻的采樣值通過方程
(I)，即得到一組線性方程，求解線性方程組即可得到R和C的估算值。R、C的估算方法一般采用最小二乘法，這里不再累述。
[0044]估算模塊根據(jù)吸氣相的目標流量和估算的R、C即可估算出吸氣相每個時刻的氣道壓力，估算模塊根據(jù)以下方程進行估算:
[0045]Pawe(t)=RXQset(t)+l/CX (V (t-1)+Qset (t) X Ts)+PEEP (2)
[0046]V (O) =0
[0047]方程(2)中的t表示通氣時刻，Pawe表示估算的吸氣相氣道壓力，Qsrt表示吸氣目標流量，V表示通氣容量，O時刻的通氣容量為0，Ts表示采樣間隔。估算模塊以式(2)估算的吸氣相的氣道壓力的示例如圖6所示的波形曲線I所示。
[0048]另外，渦輪轉(zhuǎn)速控制器可以根據(jù)估算模塊估算的人體吸氣相的氣道壓力來計算渦輪10的相應的轉(zhuǎn)速，渦輪轉(zhuǎn)速控制器計算渦輪10轉(zhuǎn)速的過程如下:
[0049]呼吸機采用的渦輪10 —般是指離心式空氣壓縮機，因為離心式空氣壓縮機的工作壓力一般低于15000Pa，所以也稱之為通風機。其工作原理是將渦輪驅(qū)動裝置即電機的輸出能量(力矩和轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)化為氣體的壓能(壓力)和動能(流速)。渦輪10的典型靜態(tài)特性如圖7所示，所謂的靜態(tài)特性是指渦輪轉(zhuǎn)速N、渦輪出口壓力P、渦輪出口通氣流量Q三者之間的數(shù)學關(guān)系。此數(shù)學關(guān)系可以通過渦輪轉(zhuǎn)速控制器采集多個轉(zhuǎn)速、壓力、流量的數(shù)據(jù)點而采用曲線擬合得到。這里假設以渦輪10的出口壓力、出口流量為輸入，以渦輪10的轉(zhuǎn)速為輸出的渦輪靜態(tài)特性為:[0050]N=K(PoutlQout) (3)
[0051]其中，Ptjut為渦輪的出口壓力，Qout為渦輪10的出口流量。
[0052]渦輪轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)公式(3)即可得出粗略控制通氣流量的設置渦輪轉(zhuǎn)速，吸氣相的渦輪轉(zhuǎn)速可以設置為:
[0053]Nins=K (Pawe+Qset X Rinp, Qset+Qconstant)⑷
[0054]式(4)中的K(.，.)函數(shù)即為式(3)所表示的數(shù)學關(guān)系，Pawe表示估計的吸氣相氣道壓力如式(2), Qset表不吸氣目標流量，Rinp表不吸氣支路的氣阻，Qcontant表不一個在設置流量上附加的固定流量以保證渦輪出口流量總大于所需的目標通氣流量。
[0055]同理，呼氣相的渦輪轉(zhuǎn)速可以設置為:
[0056]Nexp=K(PEEP+QbaseXRinp，Q


base+Qconstant)(5)
[0057]式(5)中的Qbase表示呼氣相的基礎(chǔ)流，其它變量如前所述。
[0058]渦輪轉(zhuǎn)速控制器以式⑷和式(5)計算的渦輪轉(zhuǎn)速實例如圖6中的波形曲線3所 /Jn ο
[0059]另外，在本實用新型的一個實施例中，前饋控制器和反饋控制器對壓力控制閥20驅(qū)動電壓的調(diào)節(jié)以控制渦輪10回流的過程如下:
[0060]壓力控制閥20采用溢流的方式控制呼吸氣道內(nèi)的壓力，當渦輪10輸出口的壓力大于壓力控制閥20溢流壓力時就會有部分渦輪10輸出流量回流到渦輪10進口端，從而使渦輪10輸出口壓力幾乎保持與壓力控制閥20溢流壓力相等，因此氣道壓力也幾乎保持與壓力控制閥20溢流壓力相等。所以，壓力控制閥20控制通氣壓力相對而言很容易，但是控制通氣流量就比較困難。在本實用新型的實施例中，壓力控制閥20的靜態(tài)特性如圖8所示。在圖8中，表示當壓力控制閥20的驅(qū)動電壓固定時，控制的溢流壓力會隨回流的增大而略微增高，圖9為壓力控制閥20的控制壓力與其驅(qū)動電壓的關(guān)系圖，表示當回流流量固定時，壓力控制閥20控制的溢流壓力P與驅(qū)動電壓U(或電流)成線性關(guān)系，滿足U=KXP+b，其中，U為驅(qū)動電壓，P為控制壓力，K為系數(shù)，b為偏移量。
[0061]前饋控制器根據(jù)壓力控制閥20的靜態(tài)特性獲取的吸/呼氣相的壓力控制閥20前饋控制量為:
[0062]Ufeedforwardins-kvalve X Pawe+bvalve (6)
[0063]Ufeedforward—exp-kvalve X PEEP+bvalve
[0064]式(6)中的kvaljPbvalve為壓力控制閥20的特性參數(shù)，它們可以通過閥校驗而得到。
[0065]另外，反饋控制器可以為常規(guī)的PID (Proportion IntegrationDifferentiation,比例積分微分)控制器，即通過流量誤差的比例、積分和微分綜合得到控制量，可以形式化為Ufeedbaek=PID(Qm)。實際應用中的PID參數(shù)可以根據(jù)患者呼吸力學R、C參數(shù)進行優(yōu)化處理，如當R大時增大誤差積分常數(shù)，R小時減小誤差積分常數(shù)。
[0066]總的壓力控制控閥20的驅(qū)動電壓為前饋控制器輸出與反饋控制器輸出之和，即
[0067]UvaIve Ufeedforward+Ufeedback (7)
[0068]以式(7)計算的壓力控制閥20的驅(qū)動電壓實例如圖6中的波形曲線4所示。實際的通氣流量控制效果如圖6中的波形曲線2所示。
[0069]需要說明的是，在本實用新型實施例中通過渦輪轉(zhuǎn)速控制器對渦輪10的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)通氣流量的粗略控制，并且同時降低通氣中的能量損耗，但是，實際中在進行小潮量控制或者渦輪10的轉(zhuǎn)速不高時可以不進行渦輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
[0070]另外，實際中當氣道阻力很小或氣道阻力很大或氣道壓力很高等情況時，可能會發(fā)生流量抖動的不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時可以考慮改進壓力控制閥20的機械結(jié)構(gòu)以提高其動態(tài)特性，或者考慮在壓力控制閥20結(jié)構(gòu)中加入一個閥芯速度反饋裝置，將閥芯速度反饋信號加入到控制算法中可以解決極端情況下流量抖動的問題。
[0071]綜上所述，根據(jù)本實用新型實施例的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)呼吸機的通氣流量和氣道壓力對渦輪的壓力進行調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)壓力控制閥的驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)對呼吸機的通氣流量的控制。另外，通過調(diào)節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速可以降低通氣過程中的能量損耗，節(jié)約能源。
[0072]在本實用新型各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中。
[0073]上述提到的存儲介質(zhì)可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。
[0074]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0075]盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
【權(quán)利要求】
1.一種呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述呼吸機包括渦輪和壓力控制閥，所述通氣流量控制系統(tǒng)包括: 用于檢測所述呼吸機的通氣流量的流量檢測器； 用于檢測所述呼吸機的氣道壓力的壓力檢測器； 控制器，所述控制器根據(jù)所述呼吸機的通氣流量和氣道壓力調(diào)節(jié)所述渦輪的電機的轉(zhuǎn)速和所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓以對所述通氣流量進行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述流量檢測器包括第一流量檢測器和第二流量檢測器，所述第一流檢測器設置于所述呼吸機的吸氣支路上以檢測所述吸氣支路的通氣流量，所述第二流量檢測器設置于所述呼吸機的呼氣支路上以檢測所述呼氣支路的通氣流量； 所述壓力檢測器包括第一壓力檢測器和第二壓力檢測器，所述第一壓力檢測器設置于所述呼吸機的吸氣支路上以檢測所述吸氣支路的氣道壓力，所述第二壓力檢測器設置于所述呼吸機的呼氣支路上以檢測所述呼氣支路的氣道壓力。
3.如權(quán)利要求2所述的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器進一步包括: 估算模塊，所述估算模塊用于估算人體的呼吸力學參數(shù)和人體吸氣相的氣道壓力； 根據(jù)所述吸氣相的氣道壓力調(diào)節(jié)所述渦輪的電機的轉(zhuǎn)速的渦輪轉(zhuǎn)速控制器； 用于調(diào)節(jié)所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓的前饋控制器和反饋控制器，其中，所述前饋控制器根據(jù)所述呼吸力學參數(shù)和目標通氣流量調(diào)節(jié)所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓，所述反饋控制器根據(jù)檢測的所述吸氣支路的通氣流量與目標通氣流量的誤差以及調(diào)節(jié)所述壓力控制閥的驅(qū)動電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述估算模塊還用于根據(jù)檢測的所述呼吸機的呼氣支路的通氣流量和氣道壓力估算所述呼吸力學參數(shù)，以及根據(jù)所述呼吸力學參數(shù)和所述吸氣支路的目標通氣流量估算所述人體吸氣相的氣道壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 止回閥，所述止回閥設置于所述呼吸機的吸氣支路上，所述止回閥用于防止患者呼出的氣體返回至所述渦輪。
6.如權(quán)利要求1?5任一項所述的呼吸機的通氣流量的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述呼吸機處于容量控制通氣VCV模式。
【文檔編號】G05D16/20GK203745923SQ201320867866
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】劉慶平 申請人:北京誼安醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司