一种用于便携式呼吸机的空氧混合器及其控制方法

1.本发明属于空氧混合器技术领域，具体涉及一种用于便携式呼吸机的空氧混合器及其控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.呼吸机是医院用于救治患有急、慢性呼吸衰竭和急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ards)患者的重要生命支持类设备，而呼吸机输送给患者的气体的含氧率是一个非常重要的参数。空氧混合器即为呼吸机中控制含氧率这一参数的关键核心部件。对于不同形式或不同档次的呼吸机，在空氧混合器的设计或应用方面也有所不同，从构造上分有集氧流量调节式、机械气动均衡式、步进电机控制式、电磁阀组控制式和比例电磁阀控制式等。对机械气动均衡式空氧混合器，其需要高压氧气和高压空气源，为纯机械结构，属人工手动操作，维修或更换的费用高对步进电机控制式呼吸器为以纯机械结构，需要高压空气源和氧气源，且会被高压空气中的水分影响其比例杆的旋转，且更换和维修成本较高；对电磁阀组控制式空氧混合器，其机械结构和电路结构都很复杂，故障率较高，同时其维修成本较高；对比例电磁阀控制式空氧混合器，其需要高压氧气源和空气源，机械结构和电路结构都为上述所有空氧混合器中最为复杂的，所以其故障率以及维护成本都为最高。
4.综合当前市面常用呼吸机用空氧混合器，发现机械气动均衡式、步进电机控制式、电磁阀组控制式和比例电磁阀控制式空氧混合器都需要高压氧气源和空气源，不满足便携式呼吸机在户外环境下的限制条件。集氧流量调节式虽然满足户外条件下无高压气源的要求，但是其精度相对较低。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种用于便携式呼吸机的空氧混合器及其控制方法，本发明无需外加高压空气源，氧气由便携式氧气瓶提供，且采用气囊混合气体，采用质量流量计和比例控制阀来控制气囊中气体含氧率，使得含氧率控制更加精确，解决了集氧流量调节式空氧混合器的含氧率精度不高的问题。
6.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于便携式呼吸机的空氧混合器，包括气囊、空气进气支路、氧气进气支路、控制器和挤压机构，其中：
8.所述气囊上设置有进气口和出气口，所述空气进气支路、氧气进气支路分别用于向进气口输送空气和氧气，所述空气进气支路、氧气进气支路上均设置有流量计和控制阀，分别用于计量进入的相应流体流量和控制相应支路的通断；
9.所述气囊外侧有能够对气囊施加压力、改变气囊体积的挤压机构；
10.所述控制器用于根据流量计的采集信息，控制所述控制阀的动作，使得气囊内的含氧率到达设定值，并控制挤压机构的动作，使得达到设定值的混合气体从所述出气口以最优速度或流量流出。
11.作为可选择的实施方式，所述控制阀为比例电磁阀，所述比例电磁阀能够控制相应支路的开度。
12.作为可选择的实施方式，所述空气进气支路和氧气进气支路上均还设置有单向阀。
13.作为可选择的实施方式，所述氧气进气支路连接有氧气瓶，由氧气瓶提供氧气来源。
14.作为可选择的实施方式，所述进气口包括两个，一个进气口连接空气进气支路，另一个进气口连接氧气进气支路。
15.作为可选择的实施方式，所述进气口为一个，所述进气口通过连接管路分别连接所述空气进气支路和氧气进气支路。
16.作为可选择的实施方式，所述还包括支持器，所述支持器的容积小于所述气囊的最大容积，大于所述气囊的最小容积，以限制所述气囊被压缩的空间体积。
17.作为可选择的实施方式，所述出气口处设置有用于检测混合气体含氧率的传感器。
18.作为可选择的实施方式，所述挤压机构包括与气囊一端接触的挤压板，所述挤压板与丝杆螺母连接，所述丝杆螺母与丝杆相配合，所述丝杆通过联轴器与驱动电机连接，所述控制器通过控制驱动电机，进而控制挤压板沿丝杆移动，挤压或释放气囊。
19.基于上述用于便携式呼吸机的空氧混合器的控制方法，包括以下步骤：
20.根据流量计的采集信息，控制空气进气支路和氧气进气支路的开度，使得气囊内的含氧率在设定时间内到达设定值；
21.控制挤压机构的动作，使得达到设定值的混合气体从所述出气口以最优速度或流量流出。
22.作为可选择的实施方式，所述最优速度或流量为保持气囊内混合气体流量在安全范围内；
23.或，利用最优相对集算法对挤压机构进行控制。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明预先进行含氧率安全性的考虑，根据在安全范围内的含氧率，进行各进气支路控制阀的控制，以完成预定含氧率的调节。在完成含氧率的控制后再进行流量的控制，先进行流量安全性的判断，再进行合理性的判断并进行电机的控制完成流量的调节，保证气囊的安全性和整个混合器的安全、稳定工作。
26.本发明无需外加高压空气源，氧气由便携式氧气瓶提供，且采用气囊混合气体，采用质量流量计和比例控制阀来控制气囊中气体含氧率，使得含氧率控制更加精确，解决了集氧流量调节式空氧混合器的含氧率精度不高的问题。
27.本发明的气体在气囊中混合并通过滚珠丝杆带动端盖挤压气囊，对气囊内混合气体进行加压，使压力达到预设值，该设备通过压缩气囊来获得呼吸机输送气体的动力，在气体完成混合加压后通过丝杆旋转带动挤压板完成气体的输送，气体的输送速度由丝杆的旋
转速度控制。通过丝杆进步电机控制丝杆的旋转速度，丝杆的导程控制丝杆每旋转一圈气体的排出体积，有利于混合气体的定量输送。
28.本发明使用自带的加压方式摆脱了对高压空气源的需求，使得该空氧混合器可用于非医院环境；同时质量流量计的使用减小系统的复杂性、体积、重量和制造成本，为便携式呼吸机的制造提供了新的参考。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1为本实施例的空氧混合器的结构示意图；
32.图2为本实施例的空氧混合器的原理示意图；
33.图3为本实施例的最优相对集算法的流程图；
34.图4为本实施例控制患者吸气量的电机的控制系统结构图；
35.图5为本实施例的控制方法流程图；
36.其中：其中1为丝杆螺母，2为端盖，3为气囊支持器，4为气囊，5为单向阀，6为比例电磁阀，7为质量流量计，8为氧电池，9为丝杆进步电机，10为联轴器，11为丝杆，a为氧气进气支路，b为空气进气支路。
具体实施方式：
37.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.如图1所示，用于便携式呼吸机的空氧混合器如图1所示，包括气囊4，在本实施例中，气囊4为橡胶材料制作而成，气囊支持器3(在本实施例中为圆柱体)，用于限制气囊4被压缩的空间体积。
41.挤压板，由于气囊支持器3在本实施例中为圆柱体，设置在气囊内侧，与之相配合的，挤压板也设置成圆形，在本实施例中，以端盖的形式出现。当然，在其他实施例中，气囊支持器可以是其他形状，挤压板也可以是其他形状，两者也不一定要配合。
42.在本实施例中，端盖2与气囊4的上端粘连在一起，同时端盖2与丝杆螺母1用螺栓联接(也可作为整体件加工)。
43.丝杆11与螺母1配合，通过丝杆11带动螺母1和端盖2完成对气囊4的压缩。丝杆11通过联轴器10与丝杠进步电机9连接。对于气体进口气路(由于氧气和空气进口气路组成相
同，这里只介绍氧气进口气路)，质量流量计7通过管路与两位两通比例电磁阀6连接。比例电磁阀通过管路与单向阀5相连。单向阀5与气囊4的进气口连接。进口气路用来分配空气和氧气的比例，来获得特定的含氧率，气囊用来混合和加压混合气体，气囊出口处有氧电池8用来检测混合气体的含氧率。
44.控制器控制丝杠进步电机9和比例电磁阀6。
45.当然，在其他实施例中，气囊也可以是其他柔性/弹性材质。同样的，在其他实施例中，挤压机构也可以是其他结构，如两块相对设置的板，通过伸缩机构改变两块板的相对距离，气囊设置于两块板之间等其他结构。
46.如图2所示。空气在气囊扩展时，由于气囊内压力减小，从外界直接吸入到气囊中，控制器只需要控制比例电磁阀的打开和关闭即可，不需要调节空气的质量流量只需要用质量流量计测得空气进口管路质量流量此时预先设定的含氧量作为控制器的给定值。
47.氧气由氧气源经过比例电磁阀和质量流量计进入气囊完成空氧混和，比例电磁阀需要完成对氧气质量流量的调节，比例电磁阀受控制器控制开度来获得预设质量流量。质量流量计测得管路中氧气的实时质量指流量数值实时输入控制器，与给定值进行比较来调节电磁阀。
48.空气和氧气质量流量和混合气体含氧率关系如下。
[0049][0050]
其中为氧气管路质量流量，为空气管路质量流量，ηm为混合器中气体的氧气的质量占比。
[0051]
混合气体的氧气体积占比和质量占比的关系如下。
[0052][0053]
其中ηm为混合器中气体的氧气的质量占比，η为混合器中的气体中氧气的体积占比。
[0054]
综合上式(1)和(2)得到(3)式。
[0055][0056]
其中η为混合器中的气体中氧气的体积占比，为空气管路质量流量比氧气管路质量流量。由式(3)得到在混合器中含氧率为k的函数，在空气气路电磁阀全开时，由于外界环境突变程度较小，可以看做为一定值，k为的函数，及η为的函数如(4)式所示。
[0057]
[0058]
本实施例中控制混合器中混合气体的含氧率是通过控制氧气气路比例电磁阀的开度来控制氧气的质量流量来实现的。图2中k由(3)式得到，将作为给定值与测量值比较，完成对含氧率的控制。
[0059]
值得注意的是随着气囊中气体的增多空气的质量流量会减小，为保证进入气囊气体的含氧率，需要对氧气气路的比例电磁阀实时控制保证k值的不变。
[0060]
控制器还需要对挤压机构的控制，来实现混合气体的定量输送。
[0061]
在本实施例中，如图5所示，分为含氧率和流量的控制，先进行含氧率安全性的判断，再进行合理性的判断并进行电磁阀的控制完成含氧率的调节。在完成含氧率的控制后再进行流量的控制，先进行流量安全性的判断，再进行合理性的判断并进行电机的控制完成流量的调节，必须流量和含氧率都通过时空氧混合器才能正常工作。
[0062]
进行电机的控制完成流量的调节过程中，步进电机将接收到的脉冲信号转化为角位移，从而带动丝杆螺母做直线运动。设步进电机带动丝杆旋转一周需要n个脉冲，及单个脉冲丝杆运动360/n度。选择丝杆导程为p mm，及丝杆每运动一圈丝杆螺母上升或下降p mm。在压缩气囊的过程中，单个脉冲被步进电机接收后丝杆螺母下降p/n mm，在圆柱形气囊底面积为a cm2时，单位脉冲使得气囊排出气体为pa/10n ml。
[0063]
为保证气体的定量控制需要对电机的速度进行控制，在本实施例中，利用最优相对集算法来控制电机速度。如图3所示，该方法需要更少的参数来设置，同时它有助于提高最佳算法的准确性，可以探索更广泛的搜索空间，减少改进收敛到最优解决方案所需的初始集合的规模。
[0064]
该算法分两个步骤：首先初始阶段。该阶段首先初始化一个大小为n的x的随机种群，从而描述了初始解的位置向量。x如(5)式所示。其中i＝1,2,
…
n。
[0065]
xi＝[x
i1
,x
i2
,
…
x
in
]
ꢀꢀ
(5)
[0066]
然后使用相对集学习计算每个解相反方向的解，并生成相反的种群。使用x和的集合，选择最好的n个解决方案。通过式(6)计算得到。
[0067][0068]
其中i＝1,2,
…
n，j＝1,2,
…
n，和u是研究空间的上下限。第一阶段需要对x和的集合选取最优的n个解。
[0069]
第二部分为更新阶段。在选择最优n个解后，确定最佳解决方案x
p
，通过hgso算法更新集合x，同时更新获得然后计算出x和的适应度函数f(x)和最优相对集算法中的下一步是从两个集合中选择n个最佳解决方案。所有的步骤都在重复，直到达到停止状态。所提出的最优相对集算法的流程图如图3所示。
[0070]
所谓hgso算法，是一种全局优化算法，其数学模型被分为八步。
[0071]
第一步：初始化过程，以及参数初始化，初始化随机种群个数为m，初始化过程如(7)式所示。
[0072]
xi(t 1)＝x
min
r(x
max-x
min
)
ꢀꢀ
(7)
[0073]
其中x
max
和x
min
为问题边界。xi为随机种群。r为一随机数在0和1之间，t为迭代时
间。
[0074]
第二步：将所有m个随机种群分为每个随机种群中包含参数个数的数量在本算法中将m个随机种群均分为3个集合。
[0075]
第三步：找到每一个集合中的最优解x
best
。
[0076]
第四步和第五步：更新参数，对于本系统，与电机有关参数完全被固定，所以参数不再改变。
[0077]
第六步：进行种群的迭代,对本系统，种群的迭代通过(8)式获得。
[0078]
xi(t 1)＝xi(t) k(x
best-xi(t))
ꢀꢀ
(8)
[0079]
上式是在三个集合的内部进行，x
best
为集合内部最优解，k为一随机数在0至1之间。
[0080]
第七步：分别选择三个集合中的最优解，在所有随机种群完成迭代后选择迭代后最优的种群。
[0081]
第八步：选择m个迭代后的随机种群中的最优随机种群。
[0082]
对于电机速度控制。对于传统的pid控制，pid传递函数g
pid
(s)如式(9)所示。
[0083][0084]
其中k
p
、ki、kd分别为比例、积分、微分系数。
[0085]
对于电机的开环函数gd(s)可以用式(10)表示。
[0086][0087]
其中la为转子电感、ra为转子电阻、j为电机的惯性转矩、b为摩擦系数、km为电机扭矩、kb为电动势、gd(s)为电机的开环函数。
[0088]
将最优相对集算法与传统的pid控制集成，获得最优的k
p
、ki、kd。其控制方法如图4所示。其中ω
ref
(s)为设定电机转速，ω(s)为控制方案控制的第电机转速。以pid控制为例，在加入最优相对集算法后该控制方案，可以不断地更新系统参数，同时通过计算每次优化算法改变参数后系统的的itae函数的值与未优化的系统的itae值进行比较来判断系统控制方案的优劣性，itae函数如式(11)所示。
[0089][0090]
按itae准则设计的控制系统，瞬态响应的振荡性小，且对参数具有良好的选择性，itae的值越小说明控制系统性能越好。
[0091]
当然，在其他实施例中，可以将上述部件进行替换，如将氧电池替换为其他含氧率检测器。
[0092]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0093]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0094]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0095]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0096]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。