一种快速响应式自动呼吸控制器的制作方法

1.本发明属于医疗保健技术领域，涉及定量、定压、定频率和快速响应无延迟的呼吸器控制技术与设备，具体涉及一种快速响应式自动呼吸控制器。


背景技术：

2.随着医疗技术不断提高，呼吸器产品功能不再局限于急救或抢救两方面，同时负担起相关治疗的功能，对于这类产品质量要求逐渐提高，因此我国呼吸器产品需求呈现持续上升趋势。我国家用呼吸器出现的比较晚，多数用于不能正常呼吸的患者，肺部功能衰竭及气道阻塞。使用家用呼吸器通常情况还有睡眠呼吸暂停综合征包括打鼾并且暂停的患者，和严重肺心病及肺气肿、慢阻肺或二型呼衰且二氧化碳偏高的病人呼吸问题严重时通常需用制氧机配套使用。有数据显示，目前国内打鼾患者数量达2亿人，需要用家用呼吸器进行治疗的患者接近1亿人，但就诊诊断病人数量较低，确诊后接受家用呼吸器患者有限。
3.根据家用呼吸器市场供应与需求情况，据灵核网发布的《2019-2024年中国家用呼吸机行业现状深度分析及投资分析预测报告》报告显示，2014年家庭呼吸器市场供应量为12.9万台，同比增长达22.85％，市场需求量为14.4万台，同比增长22.03％，到2018年家庭呼吸器市场供应量超25万台，同比增长超15％，市场需求量超27万台，同比增长超15％。
4.由此可见，使用家用呼吸器，已经成为存在呼吸功能障碍或呼吸暂停的人群中及其家人中得到广泛共识。近年已发展出多种类型的家用呼吸器，如中国授权发明专利《呼吸机风机的稳压方法》(zl201711350792.5)，该发明通过建立和优化风机等转速线簇，然后结合控制算法得到最终呼吸机风机要调整的目标转速rd，最后，通过转速-电流公式，将转速转换成电流，实现对风机进行稳压控制。
5.但现有的呼吸器存在以下问题：(1)参数可调节能力差：现有的家用呼吸器输出的气体流量、压力基本处于生产厂家设定好的状态，参数固定化、同质化严重，但由于使用者身体条件的不同，对呼吸器输出的气体流量、压力需求存在很大的差异，整体上广泛存在使用效果不好、耐受程度差等问题。(2)气体流量、压力稳定性差：现有的家用呼吸器产品绝大部分均采用气体泵直接供气模式，在有间歇供气需求的使用条件下，供气启停滞后明显，流量和压力波动很大，尤其是在需要较高频率间歇供气时，现有设备实际供气流量和压力水平距离仪器设定参数偏差明显，导致使用者体验感和效果变差。(3)气体净化能力差：由于空气污染广泛存在，空气中存在较多的可入肺颗粒物，大量细菌病毒会附着在可入肺颗粒物表面进入人体呼吸系统。需要使用家用呼吸器的人群中大多数均存在或轻或重的慢性疾病，身体素质较差，更容易被吸入的污染物和细菌病毒所伤害，进而引发更严重的呼吸系统疾病，现有家用呼吸器对气体净化能力有限，使用中存在呼吸系统感染的风险。(4)功能单一化严重：需要使用家用呼吸器的人群中很大一部分比例同时有使用其他医疗保健手段的需求，如进行呼吸保健的同时可能需要雾化治疗，呼吸功能衰竭的患者会需要纯氧吸入，现有的产品均不具有与其他医疗保健技术衔接的功能。
6.因此，需要开发一种新型的具有快速响应功能的自动呼吸控制器，提高家用呼吸
器的技术水平，提升使用者体验，进而从整体上综合提升呼吸障碍人群的生存质量，具有重要意义。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有的技术和设备的不足，提供一种基于流体力学、物理化学理论优化、具有高精度、大范围气体流量、压力调节、设备启停快速响应和安全净化的多功能自动呼吸控制器。
8.为了实现本发明目的，本发明提供的一种快速响应式自动呼吸控制器，包括除尘过滤器、活性炭过滤器、可调节流量气泵、稳压气罐、可调节减压阀、电磁阀、气体质量流量计、程序控制电源、加湿器和正压式单向阀呼吸面罩。
9.除尘过滤器、活性炭过滤器、可调节流量气泵、稳压气罐、可调节减压阀、电磁阀、气体质量流量计、加湿器和正压式单向阀呼吸面罩依次设置，程序控制电源用于控制电磁阀的通断。
10.空气通过除尘过滤器和活性炭过滤器后，通过可调节流量气泵加压。可调节流量气泵根据呼吸控制器工作参数要求将气体加压并输送至稳压气罐。稳压气罐保持气体流量稳定并根据使用情况控制可调节流量气泵启停。可调节减压阀根据自动呼吸控制器工作要求将稳压气罐输出的气体调节至不同压力，通过具有程序控制电源的电磁阀按一定频率和周期控制气体通断。气体在气体质量流量计中对压力和流量进一步精密控制调节后，进入加湿器与湿气按照预设的比例混合后通过正压式单向阀呼吸面罩将气体定量、定压、定频率输送给使用者。
11.进一步地，除尘过滤器的外形为长方体形或圆柱形，内部包括1-3个串联的过滤单元，过滤单元包括熔喷布和固定框两部分，熔喷布折叠成波浪形，波峰间距为2-10毫米，幅值为1-20厘米，外部采用固定框固定，使用一定时间后直接更换过滤单元。优选地，固定框呈矩形。
12.进一步地，活性炭过滤器外形为长方体形或圆柱形，内部充填颗粒活性炭，颗粒活性炭为柱状炭或无定形碳，比表面积在800-2500m2/g，活性炭吸附饱和后整体更换。
13.进一步地，可调节流量气泵包含变频控制器，可根据需要调节气泵的转速。气泵采用静音、流量压力输出稳定的涡轮泵，涡轮采用医用级不锈钢(sus304)或聚四氟乙烯材质，涡轮叶片采用小倾角设计，倾角大小在10-30
°
之间，用于实现气体流量压力精确控制。涡轮泵轴密封组件采用医用硅胶环，外壳采用医用级不锈钢(sus304)或聚四氟乙烯材质。气体流量可调节范围为5000-20000ml/min(以1atm计)。
14.进一步地，稳压气罐包含内外两层结构，外层采用刚性的塑料或不锈钢材质，内层采用可伸缩的弹性硅胶膜，内层最大膨胀体积不超过外层容积，弹性硅胶膜用于保持气体压力稳定。
15.进一步地，可调节减压阀内部包含楔形活塞、弹簧和压力调节组件，通过压力调节组件调节楔形活塞两端的接触面积比，实现对气体压力定比例减压，减压比例范围为10:1-40:1。进一步地，电磁阀为快速通断阀，通过程序控制电源，根据设定值实现快速通断切换，通断切换周期为：开启时间1-5s，关闭时间1-5s，周期循环，时间调节精度为0.1-0.5s。
16.进一步地，气体质量流量计内部包含可绕中心轴旋转的气体定量输送装置，通过
控制该装置的转速实现对气体流量的精确控制，气体流量可调节范围为5000-20000ml/min(以1atm计)。
17.进一步地，加湿器内部为射流雾化结构，加湿器内部充满纯净水，气体在加湿器内部破碎成大量小气泡，根据控制加湿器内纯净水的量进而控制输入的空气与湿气配比关系，气体湿气比可调节范围为90:10-50:50。
18.进一步地，正压式单向阀呼吸面罩内部压力相比周围大气压略高，呼吸面罩上设有单向阀，气体可通过单向阀从呼吸面罩内部扩散至外部，保证不出现外部未净化气体渗入呼吸面罩内部。
19.进一步地，自动呼吸控制器可根据使用者需要提供供气量为5000-20000ml/min(以1atm计)、供气压力为0-100cmh2o、气体通断切换周期为2-10s的供气需求。
20.与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
21.(1)功能灵活，适用范围宽：本发明所述自动式呼吸控制器输出的气体流量、压力、通断气控制参数均灵活多变，可根据使用者需求任意调节，自动式呼吸控制器可以根据使用者情况进行有针对性的匹配，使用效果好，容易耐受。
22.(2)气体参数控制稳定性好：无论是连续供气还是按一定频率间歇供气，甚至在较高频率快速切换通断气，本发明所属技术设备均可以保证输出气体流量压力稳定性，从而实现更好的保健治疗效果。
23.(3)气体净化能力强：空气中污染广泛存在的颗粒物、有机污染气体和致病微生物均可以被自动呼吸控制器内各组件高效去除，从源头防止了有毒有害物质进入使用者呼吸系统的可能，杜绝了呼吸系统感染的风险。
24.(4)功能多样化：本发明所述自动式呼吸控制器除了利用空气作为气源外，还可以利用高氧气体和纯氧，设备同时具备雾化治疗等功能，可以满足更加复杂的使用需求。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的一种快速响应式自动呼吸控制器的连接示意图。
26.图2是本发明其中一个实施例中的气体流量、压力变化曲线示意图。
27.图3是本发明另一实施例中的气体流量、压力变化曲线示意图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
29.在存在呼吸功能障碍人群中，由于患者自身肺部换气功能不足，导致身体缺氧、血氧饱和指数偏低，进而伤害到身体各主要器官功能，患者由于身体缺氧产生的一系列不适反应，严重降低生活质量。现有家用呼吸辅助仪器主要包括家用呼吸机或吸氧机，在一定程度上可以缓解呼吸功能障碍人群的症状，但由于现有技术上缺陷，导致供气量和供气压力存在稳定性差、气体输送延迟长、存在湿气量不足和真菌感染的风险。为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种快速响应式自动呼吸控制器，属于非医学专用领域的
人工辅助呼吸支持设备。
30.请参阅图1，本发明提供的一种快速响应式自动呼吸控制器，属于非医学专用领域的人工辅助呼吸支持设备,包括除尘过滤器1、活性炭过滤器2、可调节流量气泵3、稳压气罐4、可调节减压阀5、电磁阀7、气体质量流量计8、程序控制电源6、加湿器9和正压式单向阀呼吸面罩10。除尘过滤器1、活性炭过滤器2、可调节流量气泵3、稳压气罐4、可调节减压阀5、电磁阀7、气体质量流量计8、加湿器9和正压式单向阀呼吸面罩10依次设置，程序控制电源6用于控制电磁阀7的通断。
31.自动呼吸控制器进气根据使用者需要可使用空气、高氧空气或纯氧。气体首先进入除尘过滤器1内，在本发明其中一些实施例中，除尘过滤器1外形为长方体形或圆柱形，外壳采用硬质塑料或医用级不锈钢(sus304)材质，由于进气中含有一定的水蒸气，尤其是在南方地区使用，水蒸气含量会偏高甚至达到饱和，气体进入除尘过滤器1后，会导致过滤器外壳内壁出现湿润，腐蚀风险增加，而且湿润的外壳内壁容易粘附气体中的颗粒物和细菌病毒等，长时间使用后会导致微生物大量滋生。因此外壳采用光滑、耐腐蚀、不易被微生物粘附的材质，确保除尘过滤器内部不会形成二次污染。除尘过滤器1的核心组件是过滤单元，过滤单元外形为矩形，垂直于气体流动方向固定安装于除尘过滤器外壳内壁的卡位上，根据使用环境不同，过滤单元可采用单级式，也可以采用不超过三个的三级串联式。在本发明其中一个实施例中，过滤单元包括熔喷布和固定框两部分，熔喷布折叠成波浪形，波峰间距为2-10毫米，幅值为1-20厘米，外部采用边框固定。其中，固定框呈矩形。过滤单元属于耗材，经过一定时间使用后，由于熔喷布表面拦截了大量污染物，会导致过滤单元通气效率显著降低，熔喷布表面可能会滋生细菌，此时即需要更换过滤单元，恢复除尘过滤器的使用效率和安全性。
32.在本发明其中一个实施例中，活性炭过滤器2的外壳与除尘过滤器相似，但内部结构不同，活性炭过滤器内部充填颗粒活性炭，颗粒活性炭包括柱状炭或无定形碳，比表面积在800-2500m2/g，可采用市售椰壳活性炭、果壳活性炭和木质活性炭等等，为保证吸附过滤效果和安全性，需要对活性炭颗粒进行预处理，预处理包括首先将活性炭颗粒多次充分浸泡、洗涤，去除其表面已经吸附的气体和污染物，然后在120℃以上高温条件下烘干，获得净化的活性炭颗粒加入到活性炭过滤器内部。活性炭材料为耗材，主要用于吸附去除除尘过滤器未能去除的有机气体、细小颗粒物和微生物。活性炭吸附饱和后整体更换。
33.空气通过除尘过滤器1和活性炭过滤器2后，需要通过气泵加压，本发明选用可调节流量气泵3，该设备包含变频控制器，通过调整供电电流频率，实现对气泵电机转速的调节，最终调节气泵输出气体的压力和流量大小。在在本发明的一些实施例中，由于本发明所述设备为医疗保健设备，使用环境对噪声敏感度高，所以采用静音效果良好的涡轮式气泵。气泵中核心部件为涡轮，采用医用级不锈钢(sus304)或聚四氟乙烯材质，涡轮叶片倾角决定了涡轮每旋转一圈输出气体流量的大小，由于本发明所述设备对气体流量控制要求高，气体流量可调节范围为5000-20000ml/min(以1atm计)，因此涡轮需采用小倾角设计，倾角大小在10-30
°
，风机属于中高转速类型，由于运行中气泵会根据使用情况频繁启停，因此采用本发明所述方案可保证气泵启动后在尽量小的延迟时间内达到供气流量压力要求。此外，采用本发明所述方案，可保证同时保证较大的供气量调节范围和调节精度。涡轮泵轴密封组件采用医用硅胶环材质，密封减震效果良好。外壳采用医用级不锈钢(sus304)或聚四
氟乙烯材质，保证可调节气泵使用安全性和耐久性。
34.气体经可调节流量气泵3加压后进入稳压气罐4中，设置稳压气罐4是本发明所述技术设备与现有设备最大不同之一。采用气泵直接供气，会在气泵启动的瞬间，导致设备输出气体的压力和流量产生较大的延迟，需要一定时间后，气体流量和压力才能达到额定数值，如果用户方有较高频率启停操作时，会直接导致呼吸器输出气体流量压力严重不足。本发明所属技术设备在气泵后面增加一个可变容积稳压气罐。稳压气罐4包含压力传感器，压力传感器在线读取稳压气罐内的压力数值，当压力低于设定值后，启动前端的可调节气泵3，增大稳压气罐4内的气体压力。当压力达到设定值时，停止可调节气泵3运行。稳压气罐4向后端输出气体时，位于后端的电磁阀7打开的一瞬间，稳压气罐4立刻输出气体，由于稳压气罐4内部包含一层弹性硅胶膜，稳压气罐4充满气体时，弹性硅胶膜处于膨胀状态，由于稳压气罐4内气体流出，压力会有减小的倾向，弹性硅胶膜会立刻收缩，抵消因为稳压气罐4出气对气体压力带来的影响，从而实现对气体压力的稳定控制。
35.为保证输出气体压力和流量的稳定性，稳压气罐4内采用较大的压强，压强范围在0.1-0.2mpa，该压力不适用于直接用于供给使用者呼吸，因此采用可调节减压阀5降低压力至使用压力，在本发明其中一个实施例中，采用可调节减压阀5将气体压力从0.1-0.2mpa降低至0.005-0.01mpa(0-100cmh2o)。
36.在本发明其中一个实施例中，根据使用安全性和操作简易性，可事先设定好稳压气罐4内压力，使用过程中不需再改变压力设定值，因此需要通过调节减压阀5的减压比例实现对释出气体压力的控制。可调节减压阀5内部包含楔形活塞、弹簧和压力调节组件，未开启状态下，由于弹簧的作用，楔形活塞被紧紧的顶住，可调节减压阀5处于关闭状态，使用过程中通过调节压力调节组件改变楔形活塞的位置，从而改变活塞高压气体端和低压气体端的面积比，根据单位面积压力与接触面积乘积恒定的原理，减压阀前后气体压力比与楔形活塞两端面积比成反比关系，从而实现对气体压力定比例减压，减压比例范围为10:1-40:1。
37.自动呼吸器输出气体启闭控制通过电磁阀7实现，在本发明的一些实施例中，采用的电磁阀7为快速电磁通断阀，通电时阀门100％幅度开启，断电时阀门0％幅度开启，即完全关闭。因此可以通过程序控制电源控制电磁阀通断电实现阀门快速通断。程序控制电源可对参数通电时间、断电时间和循环周期进行设定，已设定程序自动保存在程序控制组件内，使用设备时可调整控制参数，从而实现气体输出按照一定频率通断。通断切换周期为：开启时间1-5s，关闭时间1-5s，周期循环，时间调节精度为0.1-0.5s。
38.前述各组件从功能上已经具备自动呼吸器供气流量、压力和通断频率的控制，但是控制精度距离使用要求仍具有一定差距，因此本发明在后端增加气体质量流量计8，提高控制精度。气体质量流量计8内部包含可绕中心轴旋转的气体定量输送装置，该装置每旋转一圈，可定量输出一定量的气体，通过控制该装置的转速实现对气体流量的精确控制，气体流量可调节范围为5000-20000ml/min(以1atm计)。
39.需要人工辅助呼吸的使用者对吸入的气体除了成分方面的要求外，还需要呼入的气体中含有一定比例的湿气，即雾化的水汽，减少气体对呼吸道黏膜的刺激。因此自动式呼吸控制器输出的定量定压气体要进入加湿器9中与湿气混合，达到要求后方可被使用。加湿器9内部为射流雾化结构，加湿器9内部充满纯净水，气体在加湿器9内部破碎成大量小气
泡，根据控制加湿器内纯净水的量进而控制输入的空气与湿气配比关系，气体湿气比可调节范围为90:10-50:50。此外，加湿器9也可用作雾化器，使用人员遵医嘱向加湿器内注入一定量的药物，适当提高自动式呼吸控制器可调节减压阀减压比例，增大输出气体压强，使注入的药物充分雾化，实现对使用者的雾化治疗。
40.使用者通过正压式单向阀呼吸面罩10直接吸入自动式呼吸控制器输送的气体，呼吸面罩内部压力相比周围大气压略高，同时在呼吸面罩表面装有单向阀，避免外界空气未经过自动式呼吸控制器处理而进入使用者呼吸道，同时可确保自动式呼吸控制器控制稳定性。使用者呼出的气体通过单向阀扩散到呼吸面罩外部，保证废气及时排出，也避免了使用者呼气对自动式呼吸控制器工作的影响。
41.本发明实施例还提供一种快速响应式自动呼吸控制器的控制方法，包括以下步骤：
42.气体从外部进入除尘过滤器1进行过滤除尘后继续进入活性炭过滤器2过滤，获得纯净的气体；
43.可调节流量气泵3将纯净的气体加压后输送至稳压气罐4；
44.稳压气罐4罐保持气体流量稳定，设置在稳压气罐4上的压力传感器读取稳压气罐4内的压力数值，当压力低于设定值后，启动可调节流量气泵3增大稳压气罐4内的气体压力，当压力达到设定值时，停止可调节流量气泵3运行；
45.可调节减压阀5根据自动呼吸控制器工作要求将稳压气罐4输出的气体调节至供使用者使用的压力；
46.通过程序控制电源6控制电磁阀7按照预设的频率和周期通断，气体经气体质量流量计8进入加湿器9，并与加湿器9中的湿气混合后通过正压式单向阀呼吸面罩10将气体定量、定压、定频率输送给使用者。
47.本实施例中的自动呼吸控制器可以提供供气量为5000-20000ml/min、供气压力为0-100cmh2o、气体通断切换周期为2-10s的供气需求。
48.在本发明其中一个实施例中，基于前述实施例提供的自动呼吸控制器构建试验样机，样机工作参数如下：通气流量500ml/min，气体压力为2000pa，采用间歇供气运行方式，运行周期为4s，其中通气2s，断气2s。对自动式呼吸器样机供气压力和流量变化数据进行采集，获得气体流量压力变化曲线如图2所示：由图2数据可知，各周期中自动式呼吸控制器启动到气体流量、压力达到设定值需要的时间约为0.1s左右，即滞后时间约为0.1s，显著小于现有设备的0.5-1s。设备启动周期内，气体流量、压力稳定性好，波动幅度均不超过0.5％，优于现有设备的0.5cmh2o(50pa)。自动呼吸器停止工作到气体流量、压力降为0,需要的时间约为0.2-0.3s，明显小于现有设备的0.5-1s。整体上来说，本发明所述自动式呼吸控制器灵敏度、操作精度和稳定性均显著优于现有产品。
49.在本发明另一个实施例中，样机工作参数改变如下：通气流量800ml/min，气体压力为2500pa，采用间歇供气运行方式，运行周期为7s，其中通气4s，断气3s。对自动式呼吸器样机供气压力和流量变化数据进行采集，获得气体流量压力变化曲线如图3所示。
50.由图2和图3气体流量压力变化曲线可知，本发明设备可以根据需要在范围内任意调节气体流量、气体压力和气体通断时间间隔，经过多个运行周期后，通气瞬间的延迟、通气过程中的压力流量波动幅度和停止通气后气体压力流量归零的延迟和稳定性均保持高
度稳定性，说明本发明设备技术指标先进、安全性高。
51.综上,本发明实施例提供的自动呼吸控制器,空气首先通过精密过滤器将空气中可能含有的全部的粉尘颗粒、大部分的真菌、孢子和细菌过滤去除，然后进入活性炭过滤器，将除尘后空气中含有的有机物吸附净化，获得纯净的空气；采用气罐稳压方式，气罐内设压力监测器和泄压阀，压力传感器将气罐内压力信号实时传输给可调节流量气泵，控制可调节流量气泵启停运行。气管出口连接可调节减压阀，根据使用压力需求，调节可调节减压阀减压比例。气体流量通过高精度的气体质量流量计实时精确控制气体质量和流量。气体间歇通断采用程序控制电源来控制电磁阀的通断，反应灵敏、时滞性小，对设备快速间歇通气可实现快速响应,最后加湿器按照需要的配比向气体中定量加入湿气，达到用户使用需求。本发明具有类似于医用级仪器的功能，简单便携通用性强。
52.以上本发明未提及部分均为现有技术。
53.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。