CN108267183A - 一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置及方法，装置包括：超声流量传感器子单元、中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元、环境条件测试单元、驱动控制与信号处理单元、信号传输单元、电源单元。方法包括：运用超声流量传感器子单元测量顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb；利用中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元采集的实时红外辐射强度信号；利用驱动控制与信号处理单元计算呼吸气体的流量、实时二氧化碳的含量C。本发明方法在同一个集成传感器中实施同步地测量肺功能的通气功能和换气功能，极大提高诊断效率，通过无线数据传输实现在远程医疗中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及呼吸气体流量和成分测量领域，具体的说是一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置及方法。
背景技术
肺功能检查包括通气功能、换气功能、呼吸调节功能及肺循环功能等。呼吸流量测量被广泛应用在肺功能检查领域。基本肺功能检查是一种物理检查方法，通过简单呼吸流量测量可以得到一些基本肺功能参数如：容量指标、通气指标、气道阻力等通气功能指标。肺功能检查可以筛查常见慢性肺部疾病如：肺气肿，哮喘、慢性阻塞性肺疾病。这种测量只能检查通气功能。
大部分肺功能仪流量测量是采用涡轮、热线或压差传感器进行测量，其精度、可靠性、稳定和重复性、安全性、使用成本都不能满足临床对肺功能检查仪器性能的要求。超声气体流量测量技术则可克服如上缺点，并具有如下特点：精度高；无移动部件，可靠长寿；流量测量结果受环境参数如气体组分，压力，温度，湿度影响小，重复性好；稳定性好，免去经常校对的麻烦；容易消毒避免交叉感染。
对换气功能检查所需测量的弥散功能指标则必须使用复杂昂贵的具有弥散测试功能的专用仪器。这就限制了换气功能检查的广泛应用。市场急需一种可供先进的更多组合功能的肺功能仪使用的传感技术：能方便，可靠和低成本的可同时测量流量和主要气体成分的传感器。借助于这种传感技术所建立的肺功能仪使在一次检查中同时得到通气功能、换气功能数据成为可能，极大提高筛查和诊断效率，降低医患成本。
中红外吸收测量呼末二氧化碳(ETCO2)目前已广泛应用于急症领域，如：麻醉机和呼吸机的安全应用、各类呼吸功能不全、心肺复苏、严重休克、心力衰竭和肺梗死、确定全麻气管内插管的位置。除此之外ETCO2的实时检测性能和取得的非常有价值的参数可实现快速，准确，安全，无创的换气功能的检查，结合通气功能检查，对于门诊诊断提供了更先进，准确和快速的工具。但目前尚无此类门诊仪器和应用。
鉴于超声呼吸流量测量和ETCO2都属于非侵入形式实时精确测量手段并分别提供最有诊断参考价值的通气功能、换气功能的信息，二者有机结合则可开辟全新的诊断研究邻域和实用方法。
由于呼吸通气和换气是在呼吸循环中同步和相继发生的，两者时间关联性极强，信息丰富。深入研究带有时间相关的信息可预期推断出比单独使用任何一种方法更多和可靠的诊断信息。同时这对于传感器提出了更高的要求：两种传感器必须在同一装置内，测量数据采样必须时间高分辨，测量数据采样必须同时发生，互不干扰，采集到的数据必须实时处理，处理后的两组实时数据必须以固定和最小的时间差以最简单方式向中心处理部分传输。
目前尚无个人，机构或公司有能满足以上要求的技术或产品出现。本发明提供了有效的解决方案和方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置及方法，采用超声流量传感和中红外二氧化碳传感集成结构，时间交叉同步采样处理和传输的方法得到高时间分辨率和高精度的呼吸气体流量和二氧化碳成分实时同步信息，实现多于一种主要肺功能的统一测量。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置及方法。
一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，包括：
超声流量传感器单元，连接驱动控制与信号处理单元，用于测量顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb，并输出给驱动控制与信号处理单元；
中红外呼吸末二氧化碳传感器单元，连接驱动控制与信号处理单元，用于实时采集呼吸末二氧化碳红外辐射强度信号，并输出给驱动控制与信号处理单元；
环境条件测试单元，连接驱动控制与信号处理单元，用于测量温度、压力、湿度信号，并输出给驱动控制与信号处理单元；
驱动控制与信号处理单元，连接超声流量传感器子单元、中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元、环境条件测试单元、信号传输单元，用于驱动和控制上述单元工作、接收上述单元输出的信号和数据；还用于运用接收的顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb计算呼吸气体的流量、以及根据接收的红外辐射强度信号计算实时二氧化碳的含量C；再将呼吸气体的流量、以及实时二氧化碳的含量C输出给信号传输单元；
信号传输单元，连接驱动控制与信号处理单元，采用时间区交错编码打包方法转发呼吸气体的流量、以及实时二氧化碳的含量C给肺功能仪主机或因特网数据中心；
电源单元，连接上述单元，用于为上述单元提供工作电源。
所述超声流量传感器子单元，包括：
被测气体测量通道，用于引导被测呼吸气体；
两个超声传感器，斜向置于测量气流通道的两端，之间距离为Lu，且超声传感器的轴线与被测气体测量通道的轴线夹角为θ，用于发射超声波信号、接收超声波回波信号；所述两个超声传感器交替发射和接收超声波信号；
功率驱动单元，连接驱动控制与信号处理单元、两个超声传感器、计时单元；用于在驱动控制与信号处理单元的控制下，交替控制两个超声传感器发射或者接收超生波信号，同时输出脉冲信号驱动计时单元工作；
信号初步调理单元，连接两个超声传感器；对超声传感器输出的超声信号进行滤波，整形和平均处理，然后输出给电平甄别单元；
电平甄别单元，连接信号调理单元；对信号调理单元输出的信号进行域值检测，当信号达到预设阈值时触发计时模块停止计时；
计时单元，连接电平甄别单元；用于记录超声脉冲顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb，并输出给接口单元；
接口单元，连接驱动控制与信号处理单元、计时单元；用于输出顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb给驱动控制与信号处理单元；
所述中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元，包括：
中红外发射器，开孔安装固定于被测气体测量通道外壁，且其发射窗口面暴露在呼吸气体中；用于向被测气体发射脉冲调制的红外辐射信号；
红外探测器，开孔安装固定于被测气体测量通道外壁，且其接收窗口面暴露在呼吸气体中，并与中红外发射器相对放置；用于实时采集被测气体中的红外辐射强度信号；
功率驱动单元，连接驱动控制与信号处理单元、中红外发射器、锁相放大模块；用于在驱动控制与信号处理单元的控制下，发射脉冲信号驱动中红外发射器工作，同时输出同步控制信号给锁相放大单元；
锁相放大单元，连接红外探测器；用于对接收的红外辐射强度信号进行放大处理；
信号初步调理单元，连接锁相放大单元；用于对红外辐射强度放大信号进行积分和平均处理，然后输出给电平甄别单元；
电平甄别单元，连接信号初步调理单元；用于对接收的信号进行电平检测，然后定时输出实时红外辐射强度信号给接口单元；
接口单元，连接驱动控制与信号处理单元；用于转发实时红外辐射强度信号给驱动控制与信号处理单元；
所述环境条件测试单元包括：温度传感器，压力传感器，湿度传感器；所述每个传感器内部都有驱动与信号调理单元；用于采集、调理温度信号、压力信号、湿度信号并送往驱动控制与信号处理单元中的控制与数字信号中心处理单元，所述调理包括放大、滤波、零点稳定。
所述驱动控制与信号处理单元包括：
超声流量传感器驱动单元，用于向是超声传感器提供脉冲驱动信号；
中红外呼吸末二氧化碳传感器驱动单元，用于向中红外发射器提供脉冲驱动信号；
超声流量传感器接口单元，用于转发顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb给中心处理单元；
中红外呼吸末二氧化碳传感器接口单元，对接收的实时红外辐射强度信号进行模拟预处理，再输出给中心处理单元；所述模拟预处理包括放大、滤波、零点稳定，用于实现模数转换；
时钟单元，向整个装置提供同步操作信号；
中心处理单元，为带有数字与模拟接口的微处理器，用于对接收的顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb计算呼吸气体的流量、以及根据接收的实时红外辐射强度信号计算实时二氧化碳的含量C；
环境条件测试接口单元，用于采用多点标定的方法对温度信号、压力信号、湿度信号进行计算补偿并输出给中心处理单元；
通讯接口单元，连接信号传输单元；用于输出呼吸气体的流量和实时二氧化碳的含量C给信号传输单元；
电源接口单元，用于为上述单元提供工作电源。
所述信号传输单元包括：
有线信号传输单元，用于实现与肺功能仪主机的有线数据传输和索取电源供给；
无线信号传输单元，用于实现与肺功能仪主机或因特网的无线数据交换和无线控制。
所述电源单元包括：
本地供电单元，为可充电池及其充电电路；
外来有线供电单元，包括外电侦测、调理和保护电路；用于连接外部电源；
电源管理单元，用于对本地供电单元和外来有线供电单元进行管理。
一种同步测量呼吸气体流量和成分的方法，包括以下步骤：
通过超声流量传感器单元测量超声波顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb，并输出给驱动控制与信号处理单元用于计算呼吸气体的流量；
通过中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元测量红外辐射强度信号，并输出给驱动控制与信号处理单元用于计算实时二氧化碳的含量C；
所述驱动控制与信号处理单元计算呼吸气体的流量，包括以下步骤：
S1：将超声波信号在呼吸气体中传播时的顺流传播时间Tf，逆流传播时间Tb代入公式(1)计算呼吸气体声速Sr：
S2：根据超声波在呼吸气体中传输的时间差、声速，按照公式(2)可得呼吸气体流速u：
S3：根据呼吸气体流速u和测量管路截面积A，按照公式(3)可得呼吸气体流量Q：
Q＝u×A (3)
其中，顺流传播时间Tf为超声波信号传播方向与气流方向一致时超声波在两个超生传感器之间传播的时间，逆流传播时间Tb为超声波信号传播方向与气流方向相反时超声波在两个超生传感器之间传播的时间；超声波测量距离即两个超声传感器之间距离Lu为定值，超声波传感器轴线与被测气体测量通道轴线夹角为θ。
所述驱动控制与信号处理单元计算实时二氧化碳的含量C包括以下步骤：
根据红外光谱理论，以及郎伯-比尔定律：
I＝I0exp(-KCLR) (4)
其中，I红外光通过测试通道后的光强，I0为红外光进入测试通道前的光强，C为呼吸气体中二氧化碳的含量，LR为透射光路的长度，K为气体吸收系数，且K与温度、压力、湿度信号相关。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明在同一个集成传感器中实施同步的测量两个肺功能的主要功能参数类别即通气功能和换气功能，极大提高诊断效率，降低医疗成本并且能实现无线数据传输进行移动或远程医疗。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明系统中的超声流量传感器子单元结构示意图；
图3为本发明系统中的中红外呼吸末二氧化碳传感器单元结构示意图；
图4(a)为本发明系统中的集成的超声流量和中红外呼吸末二氧化碳传感器探测部分机构原理示意图；
图4(b)为本发明系统中的包含集成的超声流量和中红外呼吸末二氧化碳传感器探测部分机构实际示意图，超声与红外测量在同一平面发生；
图4(c)为本发明系统中的包含集成的超声流量和中红外呼吸末二氧化碳传感器探测部分机构实际示意图，超声与红外测量在正交平面发生；
图5为本发明系统中的驱动控制与信号处理子单元结构示意图；
图6为本发明系统中的信号传输单元结构示意图；
图7为本发明系统中的信号传输单元采用的数据编码传输结构示意图；
图8为本发明系统中的电源单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，包括超声流量传感器单元，中红外呼吸末二氧化碳传感器单元，环境条件测试单元，驱动控制与信号处理单元，信号传输单元，电源单元。超声流量传感器单元，用于测量顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb；中红外呼吸末二氧化碳传感器单元，用于采集实时红外辐射强度信号；环境条件测试单元，用于测量温度、压力、湿度信号；驱动控制与信号处理单元，用于驱动和控制上述单元工作、接收上述单元输出的信号和数据；还用于运用接收的顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb计算呼吸气体的流量、以及根据接收的红外辐射强度信号计算实时二氧化碳的含量C；再将呼吸气体的流量、以及实时二氧化碳的含量C输出给信号传输单元；信号传输单元，采用时间区交错编码打包方法转发呼吸气体的流量、以及实时二氧化碳的含量C给肺功能仪主机或因特网数据中心；电源单元，用于为上述单元提供工作电源。
如图2所示，本发明中的驱动控制与信号处理单元与超声流量传感器子单元相连控制其中的驱动单元交替控制超声波传感器1和超声波传感器2发射超声波信号，超声传感器1发射超生波信号时超声传感器2接收超声传感器1的发射信号，超声传感器2发射超生波信号时超声传感器1接收超声传感器2的发射信号，在驱动单元控制超声波传感器发射超声波信号的同时开启计时单元，电平甄别单元将经过信号调理单元改善后的信号进行域值检测，信号达到预设值时触发计时单元停止计时，产生中断信号经接口单元送往驱动控制与信号处理单元中的中心处理单元进行数据处理。通过测量超声波信号顺流与逆流的传播时间差来测得呼吸气体的流速，从而计算出流量。
超声波信号传播方向与气流方向一致为顺流传输，如图2和图4(a)所示，超声传感器2发射超生波信号时超声传感器1接收信号为顺流传输。
超声波信号传播方向与气流方向相反为逆流传输，如图2和图4(a)所示，超声传感器1发射超生波信号时超声传感器2接收信号为逆流传输。
流量的测量方法包括以下步骤：
测量所测呼吸气体的声速和流速：
设超声波信号在呼吸气体传播时顺流方向传播时间为Tf，逆流方向传播时间为Tb，呼吸气体的声速为Sr，流速为u，超声波测量距离Lu为定值，超声波传感器轴线与管道轴线夹角为θ，则：
顺流方向传播时间：Tf＝Lucosθ/(Sr+u)
逆流方向传播时间：Tb＝Lucosθ/(Sr-u)
进行简单运算可得：
超声波信号在呼吸气体传播的时间和为：Tf+Tb＝2Lucosθ/(Sr-u)
超声波信号在呼吸气体传播的时间差为：Tb-Tf＝2Lucosθ/(Sr-u)
忽略掉远小于声速的呼吸气体流速，(Sr-u)近似等于呼吸气体声速Sr
根据超声波在呼吸气体中传输的时间和公式可得呼吸气体声速
根据超声波在呼吸气体中传输的时间差公式可得呼吸气体流速
根据呼吸气体流速u和测量管路截面积A可得呼吸气体流量Q
Q＝u×A
对呼吸气体瞬间流量积分可得呼吸气体的容量V
V＝∫Qdt
因为声速测量值正比于测量气道长度Lu，测量灵敏度也与之成正比关系。本发明采用了大于通常同类传感器的测量管道宽度，较小的θ角以提高等效测量气道长度Lu。测量管道截面为矩型宽度大于60毫米。同时为了减小涡流对于测量精度的影响，进气口采用圆滑过渡的截面形状并尽量采用大截面较低低流速区域进行测量。
如图3所示，本发明中的驱动控制与信号处理单元与中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元相连，控制其中的驱动单元以脉冲形式驱动中红外发射器，在驱动单元控制中红外发射器发射信号的同时也向锁相放大单元提供同步信号，信号调理单元将放大后的信号进行积分和平均处理，电平甄别单元将经过信号调理单元改善后的信号进行电平检测，定时产生中断信号经接口单元送往驱动控制与信号处理单元中的信号处理单元进行数据处理。通过测量红外信号得到呼出二氧化碳的强度差，来测得呼吸气体的特征峰吸收率，从而计算出呼出二氧化碳含量随时间变化的谱图。
如图4(b)所示，为本发明的系统包含的集成的超声流量和中红外呼吸末二氧化碳含量传感器探测部分机构实际示意图。对于红外吸收率较大，信号过弱的情况，可以采用如图4(c)所示的结构以减少吸收路径长度。
如图5所示，本发明中的驱动控制与信号处理单元分时，交错的发出超声和中红外驱动控制信号；分时，交错的接收和处理超声流量传感器子单元和中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元的信号；处理后的各单元信号以数字编码，时间区载荷分配方式打包，加密后经信号传输单元传给上位机或因特网。为实现这种同步的时间分辨率和测量的数值分辨率，超声流量传感器子单元和中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元的信号刷新频率需要在1千赫兹以上。超声流量传感器子单元中的计时器精度需要优于50nS.
环境条件单元：根据红外光谱理论，不同分子对其特定波长的红外光有明显吸收作用。根据郎伯-比尔定律：
I＝I0exp(-KCLR)
其中I0红外光通过测试通道后的光强，I红外光进入测试通道前的光强，K为气体吸收系数，C为待测气体浓度，LR为透射光路的长度；以上公式指出，透射光路的长度和气体吸收系数确定时，可以通过I/I0比值来计算被测气体的浓度。实际应用中，由于红外测量结果会受多种因素影响如温度，气压，湿度等而降低精度。环境条件测试单元含有温度传感器，压力传感器，湿度传感器，所测动态信息可用来通过多点标定的方法对环境条件变化影响进行计算补偿来恢复测试结果精度。补偿计算方法为公知信息。
如图6所示，信号传输单元负责把驱动，控制与信号处理单元经本地接口单元进行编码，打包，加密处理后经有线或无线接口单元传给上位机或因特网结点。为保证超声流量与红外呼末二氧化碳实时采样的数据在传输过程中保持最小同步时间差和信息时间分辨率，流量数据和二氧化碳浓度数据采用16位格式编码，交替分时，连续小数具包定时一毫秒间隔传送，如图7所示。接收端收到后再进行数据间隔时间恢复。无线接口单元可以是WIFI,蓝牙或其他近距离无线通讯手段。
如图8所示，电源采用有线或无线供电方式。在有交流电源的场合，本传感器可通过与通讯线合并的电缆例如USB等在电源控制单元管控下供电并可向电池单元提供充电能量，充电单元进行充电控制和管理。在需要无线操作时，由内配电池单元供电，电源控制单元进行放电管理。电源控制单元同时也肩负着外电源调理，系统保护作用。
Claims (10)
1.一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，包括：
超声流量传感器单元，连接驱动控制与信号处理单元，用于测量顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb，并输出给驱动控制与信号处理单元；
中红外呼吸末二氧化碳传感器单元，连接驱动控制与信号处理单元，用于实时采集呼吸末二氧化碳红外辐射强度信号，并输出给驱动控制与信号处理单元；
环境条件测试单元，连接驱动控制与信号处理单元，用于测量温度、压力、湿度信号，并输出给驱动控制与信号处理单元；
驱动控制与信号处理单元，连接超声流量传感器子单元、中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元、环境条件测试单元、信号传输单元，用于驱动和控制上述单元工作、接收上述单元输出的信号和数据；还用于运用接收的顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb计算呼吸气体的流量、以及根据接收的红外辐射强度信号计算实时二氧化碳的含量C；再将呼吸气体的流量、以及实时二氧化碳的含量C输出给信号传输单元；
信号传输单元，连接驱动控制与信号处理单元，采用时间区交错编码打包方法转发呼吸气体的流量、以及实时二氧化碳的含量C给肺功能仪主机或因特网数据中心；
电源单元，连接上述单元，用于为上述单元提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，所述超声流量传感器子单元，包括：
被测气体测量通道，用于引导被测呼吸气体；
两个超声传感器，斜向置于测量气流通道的两端，之间距离为Lu，且超声传感器的轴线与被测气体测量通道的轴线夹角为θ，用于发射超声波信号、接收超声波回波信号；所述两个超声传感器交替发射和接收超声波信号；
功率驱动单元，连接驱动控制与信号处理单元、两个超声传感器、计时单元；用于在驱动控制与信号处理单元的控制下，交替控制两个超声传感器发射或者接收超生波信号，同时输出脉冲信号驱动计时单元工作；
信号初步调理单元，连接两个超声传感器；对超声传感器输出的超声信号进行滤波，整形和平均处理，然后输出给电平甄别单元；
电平甄别单元，连接信号调理单元；对信号调理单元输出的信号进行域值检测，当信号达到预设阈值时触发计时模块停止计时；
计时单元，连接电平甄别单元；用于记录超声脉冲顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb，并输出给接口单元；
接口单元，连接驱动控制与信号处理单元、计时单元；用于输出顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb给驱动控制与信号处理单元。
3.根据权利要求1所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，所述中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元，包括：
中红外发射器，开孔安装固定于被测气体测量通道外壁，且其发射窗口面暴露在呼吸气体中；用于向被测气体发射脉冲调制的红外辐射信号；
红外探测器，开孔安装固定于被测气体测量通道外壁，且其接收窗口面暴露在呼吸气体中，并与中红外发射器相对放置；用于实时采集被测气体中的红外辐射强度信号；
功率驱动单元，连接驱动控制与信号处理单元、中红外发射器、锁相放大模块；用于在驱动控制与信号处理单元的控制下，发射脉冲信号驱动中红外发射器工作，同时输出同步控制信号给锁相放大单元；
锁相放大单元，连接红外探测器；用于对接收的红外辐射强度信号进行放大处理；
信号初步调理单元，连接锁相放大单元；用于对红外辐射强度放大信号进行积分和平均处理，然后输出给电平甄别单元；
电平甄别单元，连接信号初步调理单元；用于对接收的信号进行电平检测，然后定时输出实时红外辐射强度信号给接口单元；
接口单元，连接驱动控制与信号处理单元；用于转发实时红外辐射强度信号给驱动控制与信号处理单元。
4.根据权利要求1所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，所述环境条件测试单元包括：温度传感器，压力传感器，湿度传感器；所述每个传感器内部都有驱动与信号调理单元；用于采集、调理温度信号、压力信号、湿度信号并送往驱动控制与信号处理单元中的控制与数字信号中心处理单元，所述调理包括放大、滤波、零点稳定。
5.根据权利要求1所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，所述驱动控制与信号处理单元包括：
超声流量传感器驱动单元，用于向是超声传感器提供脉冲驱动信号；
中红外呼吸末二氧化碳传感器驱动单元，用于向中红外发射器提供脉冲驱动信号；
超声流量传感器接口单元，用于转发顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb给中心处理单元；
中红外呼吸末二氧化碳传感器接口单元，对接收的实时红外辐射强度信号进行模拟预处理，再输出给中心处理单元；所述模拟预处理包括放大、滤波、零点稳定，用于实现模数转换；
时钟单元，向整个装置提供同步操作信号；
中心处理单元，为带有数字与模拟接口的微处理器，用于对接收的顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb计算呼吸气体的流量、以及根据接收的实时红外辐射强度信号计算实时二氧化碳的含量C；
环境条件测试接口单元，用于采用多点标定的方法对温度信号、压力信号、湿度信号进行计算补偿并输出给中心处理单元；
通讯接口单元，连接信号传输单元；用于输出呼吸气体的流量和实时二氧化碳的含量C给信号传输单元；
电源接口单元，用于为上述单元提供工作电源。
6.根据权利要求1所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，所述信号传输单元包括：
有线信号传输单元，用于实现与肺功能仪主机的有线数据传输和索取电源供给；
无线信号传输单元，用于实现与肺功能仪主机或因特网的无线数据交换和无线控制。
7.根据权利要求1所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的装置，其特征在于，所述电源单元包括：
本地供电单元，为可充电池及其充电电路；
外来有线供电单元，包括外电侦测、调理和保护电路；用于连接外部电源；
电源管理单元，用于对本地供电单元和外来有线供电单元进行管理。
8.一种同步测量呼吸气体流量和成分的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过超声流量传感器单元测量超声波顺流传播时间Tf和逆流传播时间Tb，并输出给驱动控制与信号处理单元用于计算呼吸气体的流量；
通过中红外呼吸末二氧化碳传感器子单元测量红外辐射强度信号，并输出给驱动控制与信号处理单元用于计算实时二氧化碳的含量C。
9.根据权利要求8所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的方法，其特征在于，所述驱动控制与信号处理单元计算呼吸气体的流量，包括以下步骤：
S1：将超声波信号在呼吸气体中传播时的顺流传播时间Tf，逆流传播时间Tb代入公式(1)计算呼吸气体声速Sr：
S2：根据超声波在呼吸气体中传输的时间差、声速，按照公式(2)可得呼吸气体流速u：
S3：根据呼吸气体流速u和测量管路截面积A，按照公式(3)可得呼吸气体流量Q：
Q＝u×A (3)
其中，顺流传播时间Tf为超声波信号传播方向与气流方向一致时超声波在两个超生传感器之间传播的时间，逆流传播时间Tb为超声波信号传播方向与气流方向相反时超声波在两个超生传感器之间传播的时间；超声波测量距离即两个超声传感器之间距离Lu为定值，超声波传感器轴线与被测气体测量通道轴线夹角为θ。
10.根据权利要求8所述的一种同步测量呼吸气体流量和成分的方法，其特征在于，所述驱动控制与信号处理单元计算实时二氧化碳的含量C包括以下步骤：
根据红外光谱理论，以及郎伯-比尔定律：
I＝I0exp(-KCLR) (4)
其中，I为红外光通过测试通道后的光强，I0为红外光进入测试通道前的光强，C为呼吸气体中二氧化碳的含量，LR为透射光路的长度，K为气体吸收系数，且K与温度、压力、湿度信号相关。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118902500A (zh) * | 2024-07-23 | 2024-11-08 | 民航总医院 | 人体呼出气定量采集和部分组分测量方法、介质及设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050284476A1 (en) * | 2004-06-24 | 2005-12-29 | Blanch Paul B | Method and apparatus for non-invasive prediction of intrinsic positive end-expiratory pressure (PEEPi) in patients receiving ventilator support |
| CN102770070A (zh) * | 2009-12-28 | 2012-11-07 | 佛罗里达大学研究基金会有限公司 | 用于实时评估肺力学的系统和方法 |
| CN103705243A (zh) * | 2013-12-16 | 2014-04-09 | 天津大学 | 主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法 |
| CN103948401A (zh) * | 2014-05-20 | 2014-07-30 | 夏云 | 一种便携式肺功能仪器及肺功能检测方法 |
| CN105105750A (zh) * | 2015-09-15 | 2015-12-02 | 天津大学 | 主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与方法 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050284476A1 (en) * | 2004-06-24 | 2005-12-29 | Blanch Paul B | Method and apparatus for non-invasive prediction of intrinsic positive end-expiratory pressure (PEEPi) in patients receiving ventilator support |
| CN102770070A (zh) * | 2009-12-28 | 2012-11-07 | 佛罗里达大学研究基金会有限公司 | 用于实时评估肺力学的系统和方法 |
| CN103705243A (zh) * | 2013-12-16 | 2014-04-09 | 天津大学 | 主流式呼吸二氧化碳浓度和呼吸流量同步监测方法 |
| CN103948401A (zh) * | 2014-05-20 | 2014-07-30 | 夏云 | 一种便携式肺功能仪器及肺功能检测方法 |
| CN105105750A (zh) * | 2015-09-15 | 2015-12-02 | 天津大学 | 主流式人呼吸流量和二氧化碳浓度同步监测装置与方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 俞俊棠 等: "《生物工艺学（下册）》", 31 May 1992, 华东化工学院出版社 * |
| 王仲生: "《智能检测与控制技术》", 30 September 2002, 西北工业大学出版社 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118902500A (zh) * | 2024-07-23 | 2024-11-08 | 民航总医院 | 人体呼出气定量采集和部分组分测量方法、介质及设备 |
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