主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置：由上位機(jī)、監(jiān)測(cè)模塊和呼吸管道組成，所述上位機(jī)為通用計(jì)算機(jī)或監(jiān)護(hù)儀，所述監(jiān)測(cè)模塊包括差壓式氣壓傳感器、紅外光源和雙通道紅外傳感器三部分，所述呼吸管道中部設(shè)有兩個(gè)取壓孔，差壓式氣壓傳感器置于呼吸管道的兩個(gè)取壓孔之間，呼吸管道中部上方設(shè)有凸出的節(jié)流裝置，節(jié)流裝置下方為監(jiān)測(cè)窗口，紅外光源和雙通道紅外傳感器置于監(jiān)測(cè)窗口兩側(cè)。本實(shí)用新型能夠快捷、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)人呼吸流量和二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)。
【專利說明】
主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度 同步監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 人呼吸流量和二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在醫(yī)療監(jiān)測(cè)中起到了越來越重要的作用。隨 著醫(yī)學(xué)科技和相關(guān)理論的發(fā)展，呼吸流量和二氧化碳濃度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，檢測(cè)方法也 越來越多。呼吸流量的檢測(cè)方法可以分為間接法和直接法。間接檢測(cè)法是通過檢測(cè)呼吸產(chǎn) 生的一些附加現(xiàn)象，來提取呼吸流量信號(hào)。直接檢測(cè)法主要包括仿生微機(jī)器人法和流量壓 力傳感器法，其中流量壓力傳感器法由于測(cè)量準(zhǔn)確且實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單而成為目前研究的熱 點(diǎn)。相對(duì)于間接法，直接法可以提高檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。二氧化碳濃度 監(jiān)測(cè)方式可分為主流式和旁流式。相對(duì)于旁流式，主流式具有響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu) 點(diǎn)。目前雖然有少數(shù)主流式呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了呼吸流監(jiān)測(cè)，但由于呼吸氣流的干擾使監(jiān) 測(cè)結(jié)果誤差較大，而且存在輸出信號(hào)弱等問題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提供一種主流式人呼吸流量和二氧 化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)中主流式呼吸監(jiān)測(cè)參數(shù)比較單一、測(cè)量誤差大的問 題。
[0004] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0005] -種主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置，由上位機(jī)、監(jiān)測(cè)模塊和呼 吸管道組成，所述上位機(jī)為通用計(jì)算機(jī)或監(jiān)護(hù)儀，所述監(jiān)測(cè)模塊包括差壓式氣壓傳感器、紅 外光源和四通道紅外傳感器三部分，所述呼吸管道中部設(shè)有兩個(gè)取壓孔，差壓式氣壓傳感 器置于呼吸管道的兩個(gè)取壓孔之間，呼吸管道中部上方設(shè)有凸出的節(jié)流裝置，節(jié)流裝置下 方為監(jiān)測(cè)窗口，紅外光源和雙通道紅外傳感器置于監(jiān)測(cè)窗口兩側(cè)。
[0006] 所述呼吸管道分進(jìn)氣口、中間段和出氣口三部分，所述進(jìn)氣口和出氣口為圓柱形 結(jié)構(gòu)，中間段為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，所述節(jié)流裝置為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，直角壁為圓倒角。
[0007] -種主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)方法，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè) 上電預(yù)熱過程，預(yù)熱時(shí)間1分鐘，通過微控制器給差壓式氣壓傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定激勵(lì)，微 控制器能夠提供不同的激勵(lì)，為了尋找最佳的差壓式氣壓傳感器激勵(lì)，可以通過提供不同 的激勵(lì)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后通過比較不同激勵(lì)的情況下差壓式氣壓傳感器的輸出采用數(shù)學(xué)統(tǒng) 計(jì)的方法來確定最佳激勵(lì)，選擇差異系數(shù)CV來確定，CV值越小代表傳感器的激勵(lì)選擇越好； 同時(shí)微控制器通過控制光源閃爍使雙通道傳感器輸出周期固定的調(diào)制信號(hào)，當(dāng)該調(diào)制信號(hào) 電壓達(dá)到波峰或波谷時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器獲取紅外傳感器測(cè)量通道電壓D。、紅外傳感器參考 通道電壓D r，并將信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)處理。
[0008] 所述方法包括呼吸流量監(jiān)測(cè)和二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)兩部分，步驟如下：
[0009] (1)在不通入氣流的情況下采集30秒的輸出的電壓數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均 值So,接著通入某一流速的氣流，再采集1分鐘的數(shù)據(jù)……S n，然后通入不同流速的 氣流，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)；
[0010] (2)將上一步驟采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)行二階多項(xiàng)式擬合，首先計(jì)算出A sn = Sn-So,計(jì)算出不同流速下的差值，然后將這些差值和流速通過最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，得到擬 合公式A S = aX2+bX+c，其中a，b，c為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所確定的參數(shù)，X為流速；
[0011] (3)使用該平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)人的呼吸，通過采集人呼吸的數(shù)據(jù)，計(jì)算出與不通入氣流 的情況下采集的數(shù)據(jù)的差值，然后通過標(biāo)定的逆過程求得人呼吸流量；
[0012] (4)根據(jù)呼吸結(jié)果繪制實(shí)時(shí)呼吸氣壓曲線，呼吸流量曲線；
[0013] (5)對(duì)于呼吸二氧化碳監(jiān)測(cè)，利用測(cè)量通道電壓峰值Dhc與谷值Dlc之差提取測(cè)量通 道交流D a。分量，即:Da。= (Dhc；-Di。) /2，同理得到參考通道交流分量Dar分量；
[0014] (6)利用兩通道交流分量差值:Ds = Dac-Dar進(jìn)行三階多項(xiàng)式擬合確定當(dāng)前呼吸二氧 化碳濃度：=/V A'+1^R +凡，其中pLp^phpo為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所確定的參 數(shù)；
[0015] (7)根據(jù)呼吸結(jié)果繪制實(shí)時(shí)呼吸二氧化碳濃度曲線。
[0016] 本實(shí)用新型的有益效果為:本實(shí)用新型提出的主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度 同步監(jiān)測(cè)裝置和方法實(shí)現(xiàn)直接在呼吸管道上對(duì)病人的呼吸流量和二氧化碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 并能從呼吸流量和二氧化碳濃度波形中分析出病人生命體征狀況和相關(guān)信息，給醫(yī)生提供 準(zhǔn)確可靠的信息指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0017] 圖1主流式呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2本實(shí)用新型呼吸流量和二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)方法流程圖；
[0019] 圖3主流式呼吸流量和二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)裝置呼吸電路示意圖；
[0020] 其中：1_取壓孔;2-節(jié)流裝置;3-圓倒角;4-進(jìn)氣口； 5-出氣口；6-監(jiān)測(cè)窗口。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]本實(shí)用新型的主流式呼吸流量和二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)裝置由上位機(jī)、監(jiān)測(cè)模塊和呼 吸管道組成。上位機(jī)為通用計(jì)算機(jī)或監(jiān)護(hù)儀。監(jiān)測(cè)模塊包括差壓式氣壓傳感器、紅外光源和 四通道紅外傳感器三部分，如圖1所示，呼吸管道中呼吸氣流從進(jìn)氣口 4進(jìn)入管道，差壓式壓 力傳感器模塊置于兩個(gè)取壓孔1之間，當(dāng)氣流遇到節(jié)流裝置2時(shí)，在節(jié)流裝置的前后會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)壓差降，可以通過兩個(gè)取壓孔1獲得的壓力求得，最后氣流經(jīng)過出氣口5流出，同時(shí)氣流 通過監(jiān)測(cè)窗口 6和中間管道組成的氣室，穿過光源發(fā)出的光束，氣體中的二氧化碳能夠吸收 相應(yīng)波長(zhǎng)的光。根據(jù)流體力學(xué)原理，當(dāng)氣流遇到直角壁產(chǎn)生渦流的現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影 響，所以為了避免渦流的出現(xiàn)，將節(jié)流裝置的直角壁改成如圖1中所示圓倒角3,使氣流能夠 平穩(wěn)的過渡，為了使呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)窗口6置于節(jié)流裝置的下 面。監(jiān)測(cè)模塊除了呼吸管道還包括呼吸電路，如圖3所示，主要有微控制器電路、放大電路以 及串口通信電路。傳感器的輸出經(jīng)過帶通濾波放大電路濾波放大后進(jìn)入微控制器電路進(jìn)行 處理，最后通過串口通信電路將處理結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。最終在上位機(jī) 上顯示出人呼吸流量和二氧化碳濃度波形。
[0023] 其中，呼吸管道的進(jìn)氣口和出氣口部分是圓柱形結(jié)構(gòu)，而中間部分是長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。 節(jié)流裝置和監(jiān)測(cè)窗口是整個(gè)管道設(shè)計(jì)中的重要部分。在呼吸管道的中間段管道的上部，加 入一個(gè)能夠使節(jié)流孔變小的節(jié)流裝置2如圖1中所示，該節(jié)流裝置和管道是一體的，由于中 間段管道是長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，所以該部件設(shè)計(jì)成為一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮到人的呼吸受阻 情況，如果形成的節(jié)流孔過小，人呼吸會(huì)變的困難。將該節(jié)流裝置的前后直角壁設(shè)計(jì)成圓倒 角的形式，使氣流能夠平穩(wěn)的過渡。當(dāng)氣流通過該節(jié)流裝置時(shí)，氣流流速會(huì)減慢，在前后形 成一個(gè)壓差降。監(jiān)測(cè)窗口 6位于節(jié)流裝置的下方，和管道也是一體的，
[0024] 如圖3所示，壓力傳感器的端口 1和端口 2分別和呼吸管道的兩個(gè)取壓孔1相連，雙 通道紅外傳感器和紅外光源固定在監(jiān)測(cè)窗口 6兩側(cè)。
[0025] 本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)裝置按如下過程獲取呼吸流量和二氧化碳濃度參數(shù)：
[0026] 首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)上電預(yù)熱過程，預(yù)熱時(shí)間1分鐘，通過微控制器給壓力傳 感器提供一個(gè)穩(wěn)定激勵(lì)，微控制器能夠提供不同的激勵(lì)，為了尋找最佳的壓力傳感器激勵(lì)， 可以通過提供不同的激勵(lì)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后通過比較不同激勵(lì)的情況下壓力傳感器的輸出 采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法來確定最佳激勵(lì)，選擇差異系數(shù)CV來確定，CV值越小代表傳感器的激 勵(lì)選擇越好；同時(shí)微控制器通過控制光源閃爍使雙通道傳感器輸出周期固定的調(diào)制信號(hào)， 當(dāng)該調(diào)制信號(hào)電壓達(dá)到波峰或波谷時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器獲取紅外傳感器測(cè)量通道電壓D。、紅 外傳感器參考通道電壓D r。并將信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)處理。
[0027] 對(duì)于呼吸流量監(jiān)測(cè)：
[0028] (1)在不通入氣流的情況下采集30秒的輸出的電壓數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均 值So,接著通入某一流速的氣流，再采集1分鐘的數(shù)據(jù)……S n，然后通入不同流速的 氣流，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)；
[0029] (2)將上一步驟采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)行二階多項(xiàng)式擬合，首先計(jì)算出A Sn = Sn-So,計(jì)算出不同流速下的差值，然后將這些差值和流速通過最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，得到擬 合公式A S = aX2+bX+c，其中a，b，c為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所確定的參數(shù)，X為流速；
[0030] (3)使用該平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)人的呼吸，通過采集人呼吸的數(shù)據(jù)，計(jì)算出與不通入氣流 的情況下采集的數(shù)據(jù)的差值，然后通過標(biāo)定的逆過程求得人呼吸流量；
[0031] (4)根據(jù)呼吸結(jié)果繪制實(shí)時(shí)呼吸氣壓曲線，呼吸流量曲線。
[0032]對(duì)于二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)：
[0033] (5)對(duì)于呼吸二氧化碳監(jiān)測(cè)，利用測(cè)量通道電壓峰值Dh。與谷值Di。之差提取測(cè)量通 道交流Da。分量，即:D a。= (Dhc；-Di。)/2，同理得到參考通道交流分量Dar分量。
[0034] (6)利用兩通道交流分量差值:Ds = Dac-Dar進(jìn)行三階多項(xiàng)式擬合確定當(dāng)前呼吸二氧 化碳濃度：=為+爲(wèi)4 .Ds_ ++pG .，其中p3、P2、pi、p〇為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所確定的參 數(shù)。
[0035] (7)根據(jù)呼吸結(jié)果繪制實(shí)時(shí)呼吸二氧化碳濃度曲線。
[0036] 盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不 局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置，由上位機(jī)、監(jiān)測(cè)模塊和呼吸 管道組成，其特征在于，所述上位機(jī)為通用計(jì)算機(jī)或監(jiān)護(hù)儀，所述監(jiān)測(cè)模塊包括差壓式氣壓 傳感器、紅外光源和雙通道紅外傳感器三部分，所述呼吸管道中部設(shè)有兩個(gè)取壓孔，差壓式 氣壓傳感器置于呼吸管道的兩個(gè)取壓孔之間，呼吸管道中部上方設(shè)有凸出的節(jié)流裝置，節(jié) 流裝置下方為監(jiān)測(cè)窗口，紅外光源和雙通道紅外傳感器置于監(jiān)測(cè)窗口兩側(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述主流式人呼吸流量和二氧化碳濃度同步監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于， 所述節(jié)流裝置為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，直角壁為圓倒角。
【文檔編號(hào)】A61B5/087GK205411181SQ201520717139
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年9月15日
【發(fā)明人】楊嘉琛, 陳波波, 周建雄
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)