一种一氧化氮治疗仪的NO浓度精确控制系统的制作方法

一种一氧化氮治疗仪的no浓度精确控制系统
技术领域
1.本发明属于医疗设备制造技术领域，具体涉及一种一氧化氮治疗仪的no浓度精确控制系统。


背景技术：

2.心血管疾病是危害人类健康的严重疾病，是造成死亡的主要原因之一，每年还有数以万计的人因患该病导致残疾。肺动脉高压是危重心血管病患者常见并发症，也是目前治疗心血管疾病的难点之一。1991年fratacci等在动物肺动脉高压模型实验中证实了吸入低浓度一氧化氮(nitric oxide，no)可降低肺动脉压力，因为它具有高度选择性肺血管扩张作用，所以正日益成为合并呼吸窘迫综合症(rds)和ph患者重要的治疗措施。吸入no治疗可以使体外膜肺支持(ecmo)的使用减少80％，显著降低患者的死亡率，因此尽管吸入低浓度no治疗本身具有一定程度的危险性，但美国食品和药物管理局(fda)在经过7年多论证后仍于1999年批准吸入no应用于临床治疗合并ph和rds的患者。吸入一氧化氮治疗的危险性具体包括：no安全浓度范围很小、易与血红蛋白结合生产高铁血红蛋白、极易被氧化成二氧化氮(no2)引起肺水肿、突然中断吸入会产生停药反应以及no对环境和医护人员的伤害等。这些问题使它在临床使用中的安全倍受关注。因此，在吸入no治疗中任何保证精确的no浓度、减少no被氧化、防止n0吸入突然中断、避免废气对环境和医护人员的伤害等对确保no治疗的疗效和安全都至关重要。目前国内很多医院尚未开展吸入no治疗，缺少必要的安全设备就是其中主要原因之一，少数使用吸入no治疗的医院多是在使用简单的流量计法控制no浓度，疗效和安全度都不可靠。通过设计一种精确、安全的、符合医用标准的no自动给药系统，可以很好地解决上述问题，这可促进吸入一氧化氮的临床使用，解决心血管疾病治疗中面临的难题，降低心血管疾病的死亡率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种一氧化氮治疗仪的no浓度精确控制系统，旨在解决现有技术中的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括呼吸机供气端、控制芯片算法、no流量传感器、呼吸机流量传感器、no、n2混合气源、比例阀、气泵、no、no2、02浓度传感器，控制芯片通过控制芯片的算法进行计算比例阀的开关度。
5.气泵连接所述呼吸机供气端，气泵与呼吸机供气端之间连接所述呼吸机流量传感器，气泵远离呼吸机流量传感器端连接所述no、no2、o2浓度传感器；no、n2混合气源依次连接所述比例阀、no流量传感器后与所述气泵连接no流量传感器、呼吸机流量传感器、no、no2、o2浓度传感器均连接至控制芯片，控制芯片控制比例阀调节
6.优选的，所述控制芯片的算法包括下列步骤：
7.①
、在增益控制过程中，需要计算no浓度变化速度no_speed，每秒钟计算一次，单位为ppm/s，其分辨率为0.1ppm/s，同时，也需要计算no浓度误差err_ppm和no浓度误差变化
率err_percent，公式如下：err_ppm＝set_ppm-now_ppm；err_percent＝err_ppm/set_ppm。这些参数对于增益控制十分关键。
8.②
、在上升状态控制过程中，还需要计算一些参数，即no浓度目标上升速度aim_speed和no浓度上升速度误差err_speed。aim_speed的数值与当前误差err_ppm以及no设定浓度set_ppm相关，可以记为函数：aim_speed＝function(err_ppm，set_ppm)。在本文中，我们选择了一个分段线性计算方式：
9.若err_ppm＜0.5aim_speed＝0.2；//0.2ppm/s
10.否则若err_ppm＜5.6aim_speed＝(err_ppm-0.5)/1.7 0.2//0.2～0.5ppm/s
11.否则若err_ppm＜20.6aim_speed＝(err_ppm-5.6) 0.5//0.5～2ppm/s
12.否则aim_speed＝2ppm/s
13.同时，在set_ppm＞10时通过设定参数对其进行修正：
14.aim_speed＝aim_speed aim_speed*(set_ppm-10)/60，此时，当设定值为70ppm时，速度值变为原来的2倍。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过该流量跟随控制算法，可以实现no浓度的精确控制，并且实现no输出与呼吸机同步，该算法可以通过修改factor值改善算法响应速度，修改diff_max和value_max平衡不同设定参数和状态下的控制效果。经过实测，该算法响应较为平稳，抗干扰能力较强，0到7l/min的阶跃信号响应时间在100ms以内，几乎无超调出现。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
17.图1为本发明的控制气路和数据流图示意图。
具体实施方式
18.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做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。
19.实施例
20.请参阅图1，本发明提供以下技术方案：包括呼吸机供气端、控制芯片算法、no流量传感器、呼吸机流量传感器、no、n2混合气源、比例阀、气泵、no、no2、o2浓度传感器；
21.其中气泵连接所述呼吸机供气端，气泵与呼吸机供气端之间连接所述呼吸机流量传感器，气泵远离呼吸机流量传感器端连接所述no、no2、o2浓度传感器；
22.所述no、n2混合气源依次连接所述比例阀、no流量传感器后与所述气泵连接；
23.所述n0流量传感器、呼吸机流量传感器、no、no2、o2浓度传感器均连接至控制芯片，控制芯片控制比例阀调节。
24.如图1所示，该图反应了一氧化氮治疗仪和呼吸机配合使用时气流的流向和no浓度控制过程中的数据流向。根据该图可知，首先呼吸机供气端接入呼吸流量传感器，然后，
一氧化氮治疗仪的输出端接入呼吸流量传感器之后，得到了一定no浓度的混合气，之后通过气泵和一系列浓度传感器进行采样可以获得当前混合气的no浓度。同时，高压n2，no混合气源接入一氧化氮治疗仪前端，通过比例阀和no流量传感器后接入到回路中。此过程中，控制芯片通过接收no浓度传感器数据，no流量传感器数据和呼吸流量传感器数据结合控制算法控制da输出值，改变比例阀开度，从而动态调整no输出量，实现回路中n0浓度的反馈控制。算法中，还需要两个手动输入参数，设定no浓度和气源no浓度，单位均为ppm。
25.具体的，回路中的no浓度的精确控制依赖以下参数：no流量设定值set_flow，no气源浓度source_ppm，no浓度设定值set_ppm，no浓度传感器检测值now_ppm，呼吸流量传感器采样数值breath_flow，控制芯片的算法包括下列步骤：
26.①
、在增益控制过程中，需要计算no浓度变化速度no_speed，每秒钟计算一次，单位为ppm/s，其分辨率为0.1ppm/s，同时，也需要计算no浓度误差err_ppm和no浓度误差变化率err_percent，公式如下：err_ppm＝set_ppm-now_ppm；err_percent＝err_ppm/set_ppm。这些参数对于增益控制十分关键。
27.②
、在上升状态控制过程中，还需要计算一些参数，即no浓度目标上升速度aim_speed和no浓度上升速度误差err_speed。aim_speed的数值与当前误差err_ppm以及no设定浓度set_ppm相关，可以记为函数：aim_speed＝function(err_ppm，set_ppm)。在本文中，我们选择了一个分段线性计算方式：
28.若err_ppm＜0.5aim_speed＝0.2；//0.2ppm/s
29.否则若err_ppm＜5.6aim_speed＝(err_ppm-0.5)/1.7 0.2//0.2～0.5ppm/s
30.否则若err_ppm＜20.6aim_speed＝(err_ppm-5.6) 0.5//0.5～2ppm/s
31.否则aim_speed＝2ppm/s
32.同时，在set_ppm＞10时通过设定参数对其进行修正：
33.aim_speed＝aim_speed aim_speed*(set_ppm-10)/60，此时，当设定值为70ppm时，速度值变为原来的2倍。
34.设置的no流量需要根据no浓度传感器进行修正，但由于no浓度传感器为电化学传感器，其反应时间较长，滞后较为严重，因而不能采取通常办法进行修正。因而，采用基础量控制结合增益控制的办法实现浓度控制。首先，在控制no浓度时，若希望实现呼吸波形跟随，则需要通过呼吸机的瞬时流量值设定基础的no流量，记此时设定值为temp_set_flow。该数值遵循以下公式：temp_set_flow＝set_ppm*breath_flow/source_ppm。其次，对该基础参数进行增益修正，可以获取真正的no浓度设置值set_flow，公式如下：set_flow＝temp_set_flow*(10000 gain)/10000，其中，gain的取值范围为[-10000，50000]。gain参数可以分为两个部分，一个是上升过程中的参数diff_gain(微分增益)，另一个是稳态控制过程中的参数integral_gain(积分增益)，满足gain＝diff_gain integral_gain。为了保证批量生产时机器的一致性，在开始时进行了no浓度“缓升”处理，即将diff_gain和integral_gain初始值均设置为-1500。
[0035]
考虑到no浓度传感器的反应速度较慢，因而在增益控制过程中，执行周期为1s，同时根据设定浓度和当前浓度，确定四种不同的控制状态，即置零状态，上升状态，平衡状态，下降状态，在不同的状态执行不同的增益控制策略。置零状态是指no设定浓度为0的特殊运行状态，在该状态中，直接将比例阀禁能，即直接关闭比例阀的输出。上升状态是指当检测
到设定值存在切换后，新设定值大于当前no浓度传感器检测到的数值，该过程为主要的控制过程，下降状态是指当检测到设定值存在切换后，新设定值小于或等于当前no浓度传感器检测到的数值，平衡态指的是在检测到的no浓度值超过设定值时的状态。
[0036]
在增益控制过程中，需要计算no浓度变化速度no_speed，每秒钟计算一次，单位为ppm/s，其分辨率为0.1ppm/s，同时，也需要计算no浓度误差err_ppm和no浓度误差变化率err_percent，公式如下：err_ppm＝set_ppm-now_ppm；err_percent＝err_ppm/set_ppm。这些参数对于增益控制十分关键。
[0037]
在经过该算法之后，可以计算得到速度误差为err_speed＝aim_speed-no_speed，该数值可正可负值，当该值为正值时，表明no上升速度未达到期望值，应增大增益，当该值为负值时，表明no上升速度超出期望值，应减小增益。在上升状态中，只控制微分增益diff_gain，因而微分增益可以表达为diff_gain＝function(err_ppm，err_percent，err_speed)。在本文中，采取了较为简单的线性处理方式，即diff_gain ＝k1*err_speed，k1的取值可以根据err_percent，err_ppm，err_speed的数值进行调整。err_percent和err_ppm用于控制状态的切换，当两者数值为0时，表明此时进入平衡控制状态。
[0038]
在下降状态控制的过程中，若当前浓度采样值仍高于设定值，则直接禁能比例阀，等待当前浓度值低于设定值0.5ppm后，打开比例阀，此时将进行no气流的输出，增益值为diff_gain＝integral_gain＝-1500。之后，当计算得到no_speed大于等于0后，此时说明no浓度下降趋势已经结束，开始上升，需要进行上升过程控制，因而直接将其切换到上升状态。
[0039]
在平衡状态控制过程中，只根据浓度误差和浓度误差百分比进行增益调整，具体可以表达为integral_gain ＝k2*err_percent k3*err_ppm，k2和k3两个参数可以根据err_percent和err_ppm的数据范围进行调整。
[0040]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。