CN118793600B - 呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器及其发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器及其发生方法，属于呼吸支持设备技术领域，包括：气缸，与所述气缸相连的动力组件，与所述气缸相连的输出管，设于所述输出管上的反馈组件，与所述反馈组件电性连接的主控板，所述主控板还与所述动力组件相连；所述反馈组件包括：流量传感器，所述流量传感器设于所述输出管上，用于实时获取输出管中气流的流量；所述主控板用于根据所述流量传感器反馈的流量值调节动力组件的输出功率。本发明解决了实际输出的波形气流与标准的波形气流之间存在较大误差的技术问题，实现了降低实际输出的波形气流与标准的波形气流之间误差的技术效果。

Description

呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器及其发生方法

技术领域

本发明涉及呼吸支持设备技术领域，具体涉及一种呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器及其发生方法。

背景技术

呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器能够产生流量大小随时间变化呈现正弦波状的正弦波形气流，这种设备能够按照特定的频率和幅度，模拟患者呼吸时气流的周期性变化。

现有技术中，通常是通过活塞在气缸中往复运动来产生正弦波形气流，但实际输出的波形气流与标准的波形气流之间存在较大的误差，可能会导致呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器用于测试呼吸机和麻醉系统时，如果输出波形与标准不符，可能导致测试结果不准确，从而无法准确评估设备性能。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种正弦气流发生方法，基于呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，包括以下步骤：

预设第一气流参数序列，

所述第一气流参数序列为标准正弦气流的潮气量按时间顺序进行排列得到的序列；

发生正弦气流；

基于至少一个时刻的第二气流参数，确定目标气流的第二气流参数序列；

第二气流参数为呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器发生正弦气流时的气流参数；

基于第二气流参数序列、第一气流参数序列以及动态阈值集，确定至少一个时间点的气流调节信息，

动态阈值集为用于判断呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器是否需要调节潮气量的阈值集合。

在一些实施例中，所述呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，包括：

气缸，与所述气缸相连的动力组件，与所述气缸相连的输出管，设于所述输出管上的反馈组件，与所述反馈组件电性连接的主控板，所述主控板还与所述动力组件相连；

所述反馈组件包括：流量传感器，所述流量传感器设于所述输出管上，用于实时获取输出管中气流的流量；

所述主控板用于根据所述流量传感器反馈的流量值调节动力组件的输出功率。

在一些实施例中，所述动力组件包括线性电机，与所述线性电机相连的连接件；

其中，所述连接件还与气缸的活塞相连。

在一些实施例中，所述动力组件还包括滑台，所述滑台与连接件滑动连接，用于辅助连接件进行往复运动。

在一些实施例中，所述呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器还包括箱体，以及设于所述箱体中的固定架；其中，所述气缸、动力组件、输出管以及反馈组件均设于所述箱体中，所述输出管远离气缸的一端与所述箱体的外部相连通，所述固定架设于箱体底部，所述固定架与气缸相连，用于固定气缸。

在一些实施例中，所述确定至少一个时间点的气流调节信息包括：

基于第一气流参数确定第一气缸行程；

通过潮气量确定气缸行程，其中，所述潮气量的计算方式为：；

其中，所述为潮气量，R为气缸半径，为气缸行程；

基于第二气流参数确定第二气缸行程；

基于第一气缸行程与第二气缸行程确定气缸行程差；

基于气缸行程差以及动态阈值集生成电机调节信息；

基于电机调节信息调节，确定电机转速。

在一些实施例中，所述基于气缸行程差以及动态阈值集生成电机调节信息包括：

当气缸行程差小于第一调节阈值时，生成第一电机转速调节信息；

当气缸行程差大于第一调节阈值时，生成第二电机转速调节信息。

在一些实施例中，所述生成第一电机转速调节信息包括：

计算第一PID输出行程；

其中，所述第一PID输出行程的计算方式为：

；

其中，为第一PID输出行程，为第k次输入的行程差，为第k-1次输入的行程差，KP为比例系数，KD为微分系数；为采样周期。

在一些实施例中，所述生成第二电机转速调节信息包括：

计算第二PID输出行程；

其中，所述第二PID输出行程的计算方式为：

；

其中，为第二PID输出行程，为第k次输入的行程差，为第k-1次输入的行程差，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数；为采样周期。

在一些实施例中，所述电机转速的计算方式为：

；

其中，为电机转速；

；；；

其中，为呼吸频率，T为呼吸周期，L为第一PID输出行程或第二PID输出行程。

通过采用上述技术方案，本发明主要具有以下技术效果：

通过将流量传感器测试的流量值反馈至主控板，通过主控板调节电机转速实现稳定的潮气量输出，解决了实际输出的波形气流与标准的波形气流之间存在较大误差的技术问题，实现了降低实际输出的波形气流与标准的波形气流之间误差的技术效果。

附图说明

图1为本发明一种呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器的（内部）结构示意图；

图2为本发明一种呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器的结构示意图；

图3为本发明一种正弦气流发生方法的流程图。

其中，附图标记的含义如下：

1、气缸；

2、动力组件；21、线性电机；22、连接件；23、滑台；

3、输出管；

4、反馈组件；41、流量传感器；

5、主控板；

6、箱体；61、散热孔；

7、固定架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明中的说明书附图，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作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。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

实施例一：请参阅图1-图2，本发明第一方面提供了一种呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，所述呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器在实际应用时，为设于呼吸机或者麻醉系统中，用于模拟患者呼吸时产生的气流。其包括气缸1，与所述气缸1相连的动力组件2，与所述气缸1相连的输出管3，设于所述输出管3上的反馈组件4，与所述反馈组件4电性连接的主控板5，所述主控板5还与所述动力组件2相连。

在一些实施例中，所述气缸1用于产生气流，本领域技术人员可以理解的是，气缸1的内部设有一个可以往复运动的活塞，活塞在气缸1中进行往复运动可以实现周期性吸气排气，从而产生正弦气流。

进一步地，所述动力组件2与气缸1相连，用于传动活塞在气缸1中进行往复运动，通过设置动力组件2，一方面利用动力组件2提供动力，传动活塞在气缸1中进行往复运动，从而在气缸1中产生气流；另一方面，还可以通过调节动力组件2的输出功率，起到调节气流流量的作用，具体地调节过程将在下文进一步说明。

在一些实施例中，所述动力组件2包括线性电机21，与所述线性电机21相连的连接件22，其中，所述连接件22还与气缸1的活塞相连。进一步地，所述线性电机21是一种能够将电能转换成直线运动机械能的传动装置，通过线性电机21工作，从而带动与线性电机21输出端相连的连接件22进行往复运动，进而利用连接件22传动气缸1的活塞进行往复运动，产生正弦气流。当然，通过调整线性电机21的输出功率，即可调节连接件22的移动速度及方向，从而调节活塞在气缸1中的运动速度及方向，实现调节气缸1输出气流的流量调节。

进一步地，所述动力组件2还包括滑台23，所述滑台23与连接件22滑动连接，用于辅助连接件22进行往复运动，具体地，通过将连接件22与滑台23滑动连接，一方面固定连接件22，另一方面还可以使连接件22的往复运动更加顺畅，进而使活塞在气缸1中的往复运动更加顺畅。

进一步地，所述输出管3的一端与气缸1相连，用于输出所述气缸1产生的气流，在一些实施例中，所述反馈组件4包括：流量传感器41，所述流量传感器41设于所述输出管3上，用于获取输出管3中气流的流量，并将数据反馈至主控板5。

在一些实施例中，所述主控板5还用于跟据所述流量传感器41反馈的流量值调节所述动力组件2的输出功率，具体地，当所述流量传感器41获取的实时流量不满足正弦波气流时，可通过主控板5发出指令，增大或降低线性电机21的输出功率，调节活塞在气缸1中的运动速度，使得呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器产生的流量大小随时间变化而呈现正弦波状，按照特定的频率和幅度，模拟患者呼吸时气流的周期性变化。示例性的，当流量传感器41获取的流量值过大时，可通过降低线性电机21输出功率的方式，降低气缸1产生气流的流量，从而降低实际输出的波形气流与标准的波形气流之间误差的技术效果。

进一步地，所述呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器还包括箱体6，以及设于所述箱体6中的固定架7；其中，所述气缸1、动力组件2、输出管3以及反馈组件4均设于所述箱体6中，所述输出管3远离气缸1的一端与所述箱体6的外部相连通，从而将产生的正弦气流输出至外部，且所述箱体6具有一定的刚度和硬度，一方面用于固定设于箱体6中的零部件，另一方面还可以防止机械碰撞损伤内部的零部件，起到一点的防护作用；所述固定架7设于箱体6底部，所述固定架7还与气缸1相连，用于固定气缸1，在一些实施例中，所述固定架7为框架中空结构，所述固定架7的中空处与气缸1相连，从而通过固定架7将气缸1固定在箱体6中。

在一些实施例中，所述箱体6上还设有多组条形的散热孔61，用于及时将正弦流量发生器内部产生的热量散发至箱体6以外，一方面有助于维持设备在一个稳定的温度范围内工作，从而减少温度变化对流量传感器41测量结果的影响，另一方面，还可以防止设备过热，确保其正常运行。

实施例二：请参阅图3，本发明第二方面提供了一种正弦气流发生方法，基于实施例一中所述的呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，包括以下步骤：

S1、预设第一气流参数序列；

所述第一气流参数序列为至少一个时刻的第一气流参数按时间顺序进行排列得到的序列。

在一些实施例中，所述第一气流参数可以是表征目标气流在某一时间段的发生量的参数；在一些实施例中，所述第一气流参数包括潮气量；其中，所述潮气量是表征单次呼吸时每次吸入或呼出气量的参数。

在一些实施例中，所述第一气流参数序列可以是潮气量按时间顺序进行排列得到的序列。其中，时间顺序可以是时间顺序或时间倒序。

在一些实施例中，所述第一气流参数序列为标准正弦气流的潮气量按时间顺序进行排列得到的序列。

S2、发生正弦气流；

此步骤中，可以基于实施例一中所述的呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，通过活塞在气缸中进行往复运动实现周期性吸气排气，发生正弦气流。

S3、基于至少一个时刻的第二气流参数，确定目标气流的第二气流参数序列；

第二气流参数可以是呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器发生正弦气流时的气流参数，第二气流参数在呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器发生正弦气流时，至少一个时刻的第二气流参数按照时间顺序进行排列得到的序列。例如，第二气流参数序列包括呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器发生正弦气流时的第二气流参数1、第二气流参数2、第二气流参数N…等等。在一些实施例中，第二气流参数序列可以通过数学拟合、人工智能等方式对至少一个时刻的第二气流参数进行处理得到。

S4、基于第二气流参数序列、第一气流参数序列以及动态阈值集，确定至少一个时间点的气流调节信息；

动态阈值集是指用于判断呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器是否需要调节潮气量的阈值集合。在一些实施例中，动态阈值集可基于精度要求进行设置，示例性的，在正弦气流精度要求更高的应用场景，动态阈值更小。在一些实施例中，所述动态阈值集包括潮气量阈值。

在一些实施例中，所述调节信息可以通过将第二气流参数序列、第一气流参数序列进行比对，确定相同气流发生时刻，第二气流参数与第一气流参数之间的偏差值，并将偏差值与动态阈值集中的潮气量阈值进行对比，当存在一个或以上数据超出动态阈值集中的阈值，则生成气流调节信息。

在一些实施例中，所述确定至少一个时间点的气流调节信息包括：

S401、基于第一气流参数确定第一气缸行程；

在一些实施例中，可以通过潮气量来确定气缸行程；其中，潮气量与气缸体积变化相关，所述潮气量的计算方式为：

；

其中，所述为潮气量，R为气缸半径，为气缸行程。

S402、基于第二气流参数确定第二气缸行程；

可以通过流量传感器获取潮气量，然后计算该时间点的气缸的行程。

S403、基于第一气缸行程与第二气缸行程确定气缸行程差；

在一些实施例中，可以通过第一气缸行程减去第二气缸行程来确定气缸行程差。

S404、基于气缸行程差以及动态阈值集生成电机调节信息：

在一些实施例中，当气缸行程差超过动态阈值集中的阈值时，则生成电机调节信息。

其中，所述基于气缸行程差以及动态阈值集生成电机调节信息包括：

当气缸行程差小于第一调节阈值时，生成第一电机转速调节信息；

当气缸行程差大于第一调节阈值时，生成第二电机转速调节信息；

在一些实施例中，所述生成第一电机转速调节信息包括：

计算第一PID输出行程，其中，所述第一PID输出行程的计算方式为：

；

其中，为第一PID输出行程，为第k次输入的行程差，为第k-1次输入的行程差，KP为比例系数，KD为微分系数；为采样周期；

所述生成第二电机转速调节信息包括：

计算第二PID输出行程，其中，所述第二PID输出行程的计算方式为：

；

其中，为第二PID输出行程，为第k次输入的行程差，为第k-1次输入的行程差，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数；为采样周期；

如上原因在于：根据误差的大小决定是否引入积分项，可以提高控制系统的性能，具体地，当误差较大时，通过取消积分作用，避免由于积分积累导致的超调和振荡；当误差较小，接近设定值时，引入积分控制，以消除静差并提高控制精度，从而提高对电机的控制精度，进而提高呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器的正弦气流发生精度。

S405、基于电机调节信息调节，确定电机转速；

其中，所述电机转速的计算方式为：

；

其中，为电机转速；

；

；

；

其中，为呼吸频率，T为呼吸周期，L为第一PID输出行程或第二PID输出行程。

S406、基于电机转速调节电机；

在一些实施例中，在获取电机调节信息以后，可以根据通过磁场定向控制（FOC）算法，通过将电机的三相电流转换为两个正交的直流分量（即d-q轴电流），实现对电机转矩和磁通的独立控制，通过调节电机转速实现稳定的潮气量输出。

最后应说明的是：本发明实施例公开的仅为本发明较佳实施例而已，仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各项实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种正弦气流发生方法，其特征在于，基于呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，包括以下步骤：

预设第一气流参数序列，

所述第一气流参数序列为标准正弦气流的潮气量按时间顺序进行排列得到的序列；

发生正弦气流；

基于至少一个时刻的第二气流参数，确定目标气流的第二气流参数序列；

第二气流参数为呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器发生正弦气流时的气流参数；

基于第二气流参数序列、第一气流参数序列以及动态阈值集，确定至少一个时间点的气流调节信息，

动态阈值集为用于判断呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器是否需要调节潮气量的阈值集合；

所述呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器，包括：

气缸，与所述气缸相连的动力组件，与所述气缸相连的输出管，设于所述输出管上的反馈组件，与所述反馈组件电性连接的主控板，所述主控板还与所述动力组件相连；

所述反馈组件包括：流量传感器，所述流量传感器设于所述输出管上，用于实时获取输出管中气流的流量；

所述主控板用于根据所述流量传感器反馈的流量值调节动力组件的输出功率；

所述确定至少一个时间点的气流调节信息包括：

基于第一气流参数确定第一气缸行程；

通过潮气量确定气缸行程，其中，所述潮气量的计算方式为：

，

其中，所述为潮气量，R为气缸半径，为气缸行程；

基于第二气流参数确定第二气缸行程；

基于第一气缸行程与第二气缸行程确定气缸行程差；

基于气缸行程差以及动态阈值集生成电机调节信息；

基于电机调节信息调节，确定电机转速。

2.根据权利要求1所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述动力组件包括线性电机，与所述线性电机相连的连接件；

其中，所述连接件还与气缸的活塞相连。

3.根据权利要求2所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述动力组件还包括滑台，所述滑台与连接件滑动连接，用于辅助连接件进行往复运动。

4.根据权利要求1所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述呼吸机和麻醉系统测试用正弦气流发生器还包括箱体，以及设于所述箱体中的固定架；其中，所述气缸、动力组件、输出管以及反馈组件均设于所述箱体中，所述输出管远离气缸的一端与所述箱体的外部相连通；所述固定架设于箱体底部，所述固定架与气缸相连，用于固定气缸。

5.根据权利要求1所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述基于气缸行程差以及动态阈值集生成电机调节信息包括：

当气缸行程差小于第一调节阈值时，生成第一电机转速调节信息；

当气缸行程差大于第一调节阈值时，生成第二电机转速调节信息。

6.根据权利要求5所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述生成第一电机转速调节信息包括：

计算第一PID输出行程；

其中，所述第一PID输出行程的计算方式为：

，

其中，为第一PID输出行程，为第k次输入的行程差，为第k-1次输入的行程差，KP为比例系数，KD为微分系数；为采样周期。

7.根据权利要求6所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述生成第二电机转速调节信息包括：

计算第二PID输出行程；

其中，所述第二PID输出行程的计算方式为：

，

其中，为第二PID输出行程，为第k次输入的行程差，为第k-1次输入的行程差，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数；为采样周期。

8.根据权利要求7所述的一种正弦气流发生方法，其特征在于，所述电机转速的计算方式为：

；

其中，为电机转速；

，

，

；

其中，为呼吸频率，T为呼吸周期，L为第一PID输出行程或第二PID输出行程。