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CN103893865B - 一种呼吸机涡轮容量控制通气的方法 - Google Patents

一种呼吸机涡轮容量控制通气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种呼吸机涡轮容量控制通气的方法，该方法通过涡轮电机转速控制、呼气相控制和吸气相控制实现对呼吸机容量控制通气，其主要步骤包括先启动呼吸机，呼吸机内的控制单元向涡轮驱动器发出转速U控制指令，涡轮驱动器驱动涡轮电机，然后控制单元检测患者呼吸状态，若患者需要吸气，进入吸气相控制，若患者需要呼气，进入呼气相控制，吸气相控制是通过控制单元输出驱动电压V1调节吸气阀的开度实现,呼气相控制是通过控制单元输出驱动电压V2调节呼气阀的开度实现。该方法通过将呼吸机的部分运行参数与涡轮电机转速控制结合，实现了涡轮电机的恒流控制及实时同步控制，使得在野外等多种无法提供气源场所可以通过涡轮电机向呼吸机提供气源。

Description

一种呼吸机涡轮容量控制通气的方法
技术领域
本发明涉及容量控制通气领域，更具体的，涉及一种呼吸机涡轮容量控制通气的方法。
背景技术
容量控制通气（VCV）是一种常用于呼吸机基本通气方式。其控制过程大致如下：通过气压设备产生吸气正压，将气体压入患者肺内，靠肺的收缩呼出气体，若患者没有自主呼吸，则按预先设置的频率、潮气量、呼吸比、氧浓度等参数实施呼吸通气，若病人有自主呼吸，则检测患者呼吸的自主呼吸能力，并与患者同步呼吸。
日前，在容量控制通气控制过程中，气源压力通常需要由空气压缩机或其他气源设备提供，这种方式要求呼吸机必须处于气源压力设备不远处，极大限制了呼吸机的移动范围，同时采用气源提供压力的方式无法满足野外环境使用呼吸机的需要。
涡轮电机能够在野外等多种场合提供气源，但在涡轮电机控制中，由于流体旋转时的不稳定性，当电机转速较低时，流体流量难以满足实际需求，易出现流速太低等问题；当电机转速较高时，易出现流量波形抖动，难以实现恒流控制等问题，故通常不考虑采用涡轮电机为呼吸机提供气源。
发明内容
为了克服现有容量控制通气方式中，涡轮运用于呼吸机时难以实现恒流控制、实时控制、同步控制等缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法，通过将呼吸机的部分运行参数与涡轮电机转速控制结合，实现了涡轮电机的恒流控制及实时同步控制，使得在野外等其他无法提供气源场所可以通过涡轮电机向呼吸机提供气源。此外，对呼吸机的吸气阀采用PID控制，有效缩短流速达到稳定性状态的反应时间，更加贴近患者的呼吸实况。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法，按如下步骤实施：
S00：启动呼吸机，所述呼吸机内的控制单元向涡轮驱动器发出转速U控制指令，所述涡轮驱动器驱动与所述涡轮驱动器相连的涡轮电机；
S10：所述控制单元检测患者呼吸状态，若患者需要吸气，进入步骤S20，若患者需要呼气，进入步骤S30；
S20：所述控制单元通过吸气相控制输出驱动电压V1调节吸气阀的开度,所述吸气相控制的运行结束后，进入步骤S30；
S30：所述控制单元通过呼气相控制输出驱动电压V2调节呼气阀的开度,所述呼气相控制的运行结束后，进入步骤S20；
S40：关闭呼吸机，停止给患者供气。
进一步的，步骤S20和S30中，若需要停止给患者供气，进入步骤S40。
进一步的，步骤S20中，所述控制单元通过与所述控制单元相连接的压力传感器实时检测呼吸回路监测压力，若所述监测压力超过警报值/吸气时间已到，所述吸气相控制的运行结束，进入步骤S30。
进一步的，步骤S30中，所述控制单元通过与所述控制单元相连接的压力传感器实时采样患者的气道压力值，若所述气道压力值小于患者的呼吸末正压Peep值与压力触发值之间的差值/呼气时间已到，所述吸气相控制的运行结束，进入步骤S20。
进一步的，步骤S00中，所述涡轮电机的所述转速U的计算公式如下：
U=R_VCV*Qtarget+Ti*Qtarget/C_VCV+PEEP_Set
其中，R_VCV-系统阻力，Qtarget-设定流速，Ti-吸气时间，C_VCV-系统顺应性，PEEP_Set-呼吸末正压设定值。
进一步的，所述设定流速Qtarget的计算公式如下：
Qtarget=TV/T
其中，TV-潮气量设定值，T-吸气时间。
进一步的，所述吸气相控制中所述驱动电压V1的计算公式如下：
其中，TV-潮气量设定值，T-吸气时间，K1-比例系数，T_now-实时时间，lp_C-滤波后肺的顺应性，lp_R-滤波后肺的气道阻力，feedforward_Ctrl-前馈值，kp_F-调试比例系数，lp_F-后馈值。
进一步的，所述比例系数K1为所述吸气阀的流量-电压曲线的斜率。
进一步的，所述呼气相控制中所述驱动电压V2的计算公式如下：
V2=K2*(Peep+DP)+B
其中，Peep-所述呼吸末正压值，DP-呼吸末正压设定值与监测值的差值，K2-系数，B-系数。
进一步的，所述系数K1和系数B为所述呼气阀的气压-电压曲线方程的两个参数，其中系数K1为斜率，系数B为截距。
本发明的有益效果为：本方法通过将呼吸机的系统阻力R_VCV、系统顺应性C_VCV、呼吸末正压设定值PEEP_Set等运行参数与涡轮转速控制结合，实现了涡轮恒流控制及实时同步控制，使得呼吸机适用野外等其他无法提供气源的场合；此外，可依据患者生理状态实时监测数据，得出不同控制转速决策，使得供气量与患者需气量保持一致，更加贴近患者呼吸实际情况；在吸气相控制中，采用PID控制方式对呼吸机的吸气阀进行控制，能有效缩短流速达到稳定性状态的反应时间。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式提供的一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法的吸气控制流程图；
图3是本发明具体实施方式提供的一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法的呼气控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1是本发明具体实施方式提供的一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法的流程图。
一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法，按如下步骤实施：
S00步骤：启动呼吸机，呼吸机内的控制单元向涡轮驱动器发出转速U控制指令，涡轮驱动器驱动与涡轮驱动器相连的涡轮电机。其中，涡轮电机的转速U的计算公式如下：
U=R_VCV*Qtarget+Ti*Qtarget/C_VCV+PEEP_Set
R_VCV-系统阻力，Qtarget-设定流速，Ti-吸气时间，C_VCV-系统顺应性，PEEP_Set-呼吸末正压设定值。
其中，系统阻力R_VCV及系统顺应性C_VCV由呼吸机系统设计参数决定；呼吸末正压设定值PEEP_Set依据患者个体情况设定。
设定流速Qtarget的计算公式如下：
Qtarget=TV/T
TV-潮气量设定值，T-吸气时间。
其中，潮气量TV根据患者的理想体重计算；T吸气时间与患者的吸气时间同步。
通过将呼吸机的系统阻力R_VCV、系统顺应性C_VCV、呼吸末正压设定值PEEP_Set等运行参数与涡轮转速控制结合，实现了涡轮恒流控制及实时同步控制。即可以采用涡轮为呼吸机提供气源，使得呼吸机适用野外等多种无法提供气源的场合。
S10步骤：控制单元检测患者呼吸状态，若患者需要吸气，进入步骤S20，若患者需要呼气，进入步骤S30。患者呼吸状态的检测可以采用多种方式，如采用二氧化碳传感器检测呼吸过程中二氧化碳浓度的变化，或根据二氧化碳呼吸末曲线判断。
S20步骤：吸气相控制。吸气相控制是指控制单元输出驱动电压Vi调节吸气阀的开度的整个控制过程。吸气相控制中驱动电压Vi的计算公式如下：
①
②
TV-潮气量设定值，T-吸气时间，K1-比例系数，T_now-实时时间，lp_C-滤波后肺的顺应性，lp_R-滤波后肺的气道阻力，feedforwad_Ctrl-前馈值，kp_F-调试比例系数，lp_F-后馈值。
其中，滤波后肺的顺应性lp_C及滤波后肺的气道阻力lp_R可通过呼吸流量监测仪及压力传感器采样探头的滤波后检测值计算求得；前馈值feedforwad_Ctrl为一个电压值；后馈值lp_F为流量传感器检测的流量值；kp_F为PID控制的中的比例系数，可以通过调试PID控制器确定，该系数决定达到目标流速的时间，系数太大，会产生抖动，太少会导致达到目标流速的耗时过长；比例系数K1为吸气阀的流量-电压曲线的斜率，通过检验吸气阀得到。
公式①和公式②正好构成一个具有前馈信号和后馈信号的闭环PID控制，采用这种控制方式，能有效缩短流速达到稳定性状态的反应时间，即能迅速达到目标流程，且能有效保持目标流速的稳定。
吸气相控制的运行结束后，进入步骤S30。
S30步骤：呼气相控制。呼气相控制是指控制单元输出驱动电压V2调节呼气阀的开度的整个控制过程,呼气相控制中驱动电压V2的计算公式如下：
V2=K2*(Peep+DP)+B
Peep-呼吸末正压，DP-呼吸末正压设定值与监测值的差值，K2-系数，B-系数。
其中，呼吸末正压Peep+DP构成闭环控制，若上一周期Peep值偏高，DP小于0，若上一周期Peep值偏低，DP大于0，从而使得呼吸末正压Peep趋于稳定，实现呼气过程中气流的稳定呼出，贴近患者呼气实际情况。
此外，由于呼气阀是线性比例阀，其压力-电压曲线近似为直线，该近似直线斜截式的两个参数为系数K1和系数B，其中系数K1为斜率，系数B为截距。
呼气相控制的运行结束后，进入步骤S20。
步骤S20和S30中，若需要停止给患者供气，进入步骤S40
S40步骤：关闭呼吸机，停止给患者供气。
图2是本发明具体实施方式提供的一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法的吸气控制流程图
步骤S10中，控单元检测患者呼吸状态，若患者需要吸气，进入吸气相控制，即步骤S20。同时控制单元通过与控制单元相连接的压力传感器实时检测呼吸回路的监测压力值，若监测压力值超过警报值/吸气的整个过程已完成，即吸气时间到，吸气相控制的运行结束，进入呼气相控制，即步骤S30。
此外，若需要停止给患者供气，进入步骤S40。
图3是本发明具体实施方式提供的一种呼吸机涡轮的容量控制通气方法的呼气控制流程图。
步骤S10中，控制单元检测患者呼吸状态，若患者需要呼气，进入呼气相控制，即步骤S30。控制单元通过与控制单元相连接的压力传感器实时采样患者的气道压力值，若气道压力值小于患者的呼吸末正压Peep值与压力触发值的差值/呼气的整个过程已完成，即呼气时间到，吸气相控制的运行结束，进入吸气相控制，即步骤S20。其中，压力触发值是依据患者呼吸状况预设的设定值，一般为3～20cmH2O。例如，将压力触发值设为3cmH2O，假如此时呼吸末正压Peep值为5cmH2O，则当采样的气道压力值小于5-3=2cmH2O时，认为此时患者想吸气，即达到触发条件，进入吸气相控制。
此外，若需要停止给患者供气，进入步骤S40。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种呼吸机，其特征在于，
呼吸机上设有为所述呼吸机提供气源的涡轮电机，所述呼吸机包括控制单元；
所述控制单元设置在呼吸机内，用于呼吸机启动后向涡轮驱动器发出转速U控制指令，所述涡轮驱动器驱动与所述涡轮驱动器相连的涡轮电机；
所述控制单元还用于检测患者呼吸状态，若患者需要吸气，进行吸气相控制，通过吸气相控制输出驱动电压V1调节吸气阀的开度,所述呼吸机能迅速达到目标流程，且能有效保持目标流速的稳定，若患者需要呼气，进行呼气相控制，通过呼气相控制输出驱动电压V2调节呼气阀的开度,所述呼吸机能实现呼气过程中气流的稳定呼出；
所述吸气相控制中所述驱动电压V1的计算公式如下：
f e e d f o r w a r d _ C t r l = V T T * ( T _ n o w / l p _ C + l p _ R ) * K
V 1 = k p _ F * ( V T T - l p _ F ) + f e e d f o r w a r d _ C t r l
其中，VT-潮气量设定值，T-吸气时间，K-比例系数，T_now-实时时间，lp_C-滤波后肺的顺应性，lp_R-滤波后肺的气道阻力，feedforward_Ctrl-前馈值，kp_F-调试比例系数，lp_F-后馈值。
2.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述控制单元通过与所述控制单元相连接的压力传感器实时检测呼吸回路监测压力，若所述监测压力超过警报值/吸气时间已到，所述吸气相控制的运行结束，进入呼气相控制。
3.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述控制单元通过与所述控制单元相连接的压力传感器实时采样患者的气道压力值，若所述气道压力值小于患者的呼吸末正压Peep值与压力触发值之间的差值/呼气时间已到，所述吸气相控制的运行结束，进入吸气相控制。
4.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述涡轮电机的所述转速U的计算公式如下：
U＝R_VCV*Qtarget+Ti*Qtarget/C_VCV+PEEP_Set
其中，R_VCV-系统阻力，Qtarget-设定流速，Ti-吸气时间，C_VCV-系统顺应性，PEEP_Set-呼吸末正压设定值。
5.根据权利要求4所述的呼吸机，其特征在于，所述设定流速Qtarget的计算公式如下：
Qtarget＝TV/T
其中，TV-潮气量设定值，T-吸气时间。
6.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述比例系数K为所述吸气阀的流量-电压曲线的斜率。
7.根据权利要求1所述的呼吸机，其特征在于，所述呼气相控制中所述驱动电压V2的计算公式如下：
V2＝K2*(Peep+DP)+B
其中，Peep-所述呼吸末正压值，DP-呼吸末正压设定值与监测值的差值，K2-系数，B-系数。
8.根据权利要求7所述的呼吸机，其特征在于，所述系数K2和系数B为所述呼气阀的气压-电压曲线方程的两个参数，其中系数K2为斜率，系数B为截距。
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