一种智能医疗系统中具有积液检测的呼吸机系统及控制方法技术方案

一种具有积液检测的智能呼吸机系统，呼吸机包括控制器、风机、管道及传感器，风机在设定工作电压下输出转速，经叶片转换成风压至管道，传感器对气道实时流量、气道实时压力和实时二氧化碳的浓度进行检测，并反馈至控制器；控制器根据气道实时流量、气道实时压力实现对呼吸机的控制，根据气道实时流量、气道实时压力判断气道内是否存在积液。

【技术实现步骤摘要】
一种智能医疗系统中具有积液检测的呼吸机系统及控制方法
本专利技术属于呼吸机领域，特别涉及一种具有积液检测的智能呼吸机系统及其呼吸机控制方法。
技术介绍
呼吸机是可以用来替代、控制或改变人体自主呼吸，从而增加肺通气量，改善呼吸功能，缓解呼吸肌疲劳的一种机械通气装置，己广泛运用于临床上的呼吸衰竭、呼吸支持治疗、大手术期间的麻醉呼吸管理和急救复苏等状况，机器通过肺泡与气道之间的压力差来工作，并通过调节这种压力差来实现用户呼吸过程中的机械通气。如今随着计算机技术的迅猛发展和智能控制理论的日趋完善，呼吸机的性能也更加完善，正在朝着网络化，智能化的方向发展。传统呼吸机存在以下问题：(1)呼吸机的控制方法在工作时容易受到外界干扰导致输出压力与设定压力之间产生偏差，对于非线性时变系统，常规的反馈控制在鲁棒性与稳定性上有着明显的不足；(2)缺少对呼吸参数的预估进而评价进而预测病人的呼吸状况，从而让医护人员提前得知病人可能的危险；(3)传统呼吸机风机控制不易实时在线调整，自适应能力弱，相应速度慢，对复杂状况不能做出适时的调整；(4)传统呼吸机缺少对呼气相和吸气相的判断，不能针对不同的呼吸阶段进行相应的调整，及时最初判断；(5)缺少对呼吸机内气体浓度的精确测量；(6)缺少对呼吸机内是否存在积液的准确估计。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种具有积液检测的智能呼吸机系统及其呼吸机控制方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种具有积液检测的智能呼吸机系统，呼吸机包括控制器、风机、管道及传感器，风机在设定工作电压下输出转速，经叶片转换成风压至管道，传感器对气道实时流量、气道实时压力和实时二氧化碳的浓度进行检测，并反馈至控制器；控制器根据气道实时流量、气道实时压力实现对呼吸机的控制，根据气道实时流量、气道实时压力判断气道内是否存在积液。一种具有积液检测的呼吸机控制方法，包括如下步骤：步骤1、系统初始化，单片机上电开始时，包括定时器、I2C与SPI通信、A/D转换的初始化以及相关变量的初始化；步骤2、处理器接口配置；步骤3、显示器初始化；步骤4、数据采集和数据处理，采集每50ms执行一次，采集气道实时压力P，气道实时流量f，使用双通道测量气道内的二氧化碳气体浓度；步骤5、呼吸数据打包并无线传输；步骤6、按键扫描，每10ms遍历一次，判断是否有按键指令，并根据指令更改程序参数并刷新显示器的界面；步骤7、呼吸参数设置；步骤8、判断风机是否开启，是在进入步骤9，否则返回步骤6；步骤9、风机状态判别，每50ms查询一次；步骤10、呼吸相识别以及风机控制；步骤11、报警条件是否满足，每30ms执行一次，是则报警，并进入步骤12；否则直接进入步骤12；步骤12、显示器显示工作参数；步骤13、存储呼吸数据，存储任务每200ms执行一次，将呼吸机气道采集参数以合适的格式进行存储；步骤14、根据存储的呼吸数据进行气道压力的预测，进而预估病人的呼吸状态；步骤15、根据存储的呼吸数据监测，根据气道实时流量、气道实时压力判断气道内是否存在积液，是则返回步骤11，触发报警；其中，步骤15具体步骤如下：步骤15.1、呼吸周期分离，从呼吸机获取的病人呼吸数据是连续的呼吸周期，将连续的呼吸周期切分为独立的呼吸周期，流速-时间波形末始段会有一个快速的上升，基于呼吸流速-时间波形，采用一阶微分的方法进行呼吸周期的起始点、中段和结束点检测，其算法流程如下：步骤15.1.1、记载流速-时间波形最高点，记做Fmax；步骤15.1.2、对流速-时间波形进行一阶微分，取一阶微分曲线的最高点，记做Dmax；步骤15.1.3、将流速-时间波形和一阶微分波形离散化，变为F(i)和D(i)，分别表示第i个采样点的流速值和流速的一阶微分值；步骤15.1.4、设置标记位Flag＝0；步骤15.1.5、是否F(i)＞Fmax，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.4；步骤15.1.6、是否D(i)＞Dmax，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.4：步骤15.1.7、是否Flag＝0，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.4；步骤15.1.8、设置呼吸周期起始点，设置Flag＝1；步骤15.1.9、是否F(i)＜-Fmax，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.8；步骤15.1.10、是否Flag＝1，是则进入下一步，，否则i＝i+1，返回步骤15.1.8；步骤15.1.11、设置呼吸周期中段，设置Flag＝2；步骤15.1.12、是否F(i)＞-Fmax，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.11；步骤15.1.13、是否Flag＝2，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.11；步骤15.1.14、设置呼吸周期结束点，设置Flag＝3；其中，根据Flag＝1，Flag＝2，Flag＝3所在的第i个采样点分别为呼吸周期起始点、中段和结束点，从而获取完整的呼吸周期；步骤15.2、吸气呼气切换点检测，呼吸周期以吸气相开始，以呼气相结束，积液检测将针对吸气相和呼气相分别检测，吸气相和呼气相的划分是根据流速-时间波形中第一个小于零的点进行划分的，当F(i)＝0，所在的第i个采样点为吸气呼气切换点；步骤15.3、压力-时间波形的小波分解与重构，步骤15.3.1、根据步骤1-2确定的呼吸周期和吸气呼气切换点从压力-时间波形截取相应的截取吸气相和呼气相的压力-时间波形；步骤15.3.2、对吸气相和呼气相的压力-时间波形进行小波变换，如下：f(t)为压力-时间波形函数，WTf()为离散小波变换，k为阶数，n分解级数，ψ()是小波母函数，2k为缩放因子；步骤15.3.3、小波分解，对压力-时间波形分别进行四级分解，得到了近似信号与细节信号，用以观察呼吸机管道内积液的特征信号集中分布情况，a3表示3级分解的逼近信号，di(i＝1，2，3)表示第i级的细节信号；步骤15.3.4、信号重构，S＝K(d1+d2+d3)，其中，S为重构信号，K为常量，优选为K＝0.05，0.1，0.5，1，2；步骤15.4、计算阈值，重构信号S中包含了能够区分正常与积液状态下压力-时间波形的特征信息，通过设定阈值再对积液波形进行检测，由于不同病人的呼吸状态，甚至同一个病人的每个呼吸周期都会存在差异，阈值的选取需要考虑个体间差异与个体内差异，为了避免差异带来的不确定性，采用以当前的重构信号中的细节信号计算的得到的均值和标准差作为依据计算阈值，如下：式中，μ是细节信号的均值，σ是细节信号标准差，T为阈值。步骤15.5、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有积液检测的智能呼吸机系统，呼吸机包括控制器、风机、管道及传感器，风机在设定工作电压下输出转速，经叶片转换成风压至管道，传感器对气道实时流量、气道实时压力和实时二氧化碳的浓度进行检测，并反馈至控制器；控制器根据气道实时流量、气道实时压力实现对呼吸机的控制，根据气道实时流量、气道实时压力判断气道内是否存在积液。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有积液检测的智能呼吸机系统，呼吸机包括控制器、风机、管道及传感器，风机在设定工作电压下输出转速，经叶片转换成风压至管道，传感器对气道实时流量、气道实时压力和实时二氧化碳的浓度进行检测，并反馈至控制器；控制器根据气道实时流量、气道实时压力实现对呼吸机的控制，根据气道实时流量、气道实时压力判断气道内是否存在积液。


2.一种具有积液检测的呼吸机控制方法，包括如下步骤：
步骤1、系统初始化，单片机上电开始时，包括定时器、I2C与SPI通信、A/D转换的初始化以及相关变量的初始化；
步骤2、处理器接口配置；
步骤3、显示器初始化；
步骤4、数据采集和数据处理，采集每50ms执行一次，采集气道实时压力P，气道实时流量f，使用双通道测量气道内的二氧化碳气体浓度；
步骤5、呼吸数据打包并无线传输；
步骤6、按键扫描，每10ms遍历一次，判断是否有按键指令，并根据指令更改程序参数并刷新显示器的界面；
步骤7、呼吸参数设置；
步骤8、判断风机是否开启，是在进入步骤9，否则返回步骤6；
步骤9、风机状态判别，每50ms查询一次；
步骤10、呼吸相识别以及风机控制；
步骤11、报警条件是否满足，每30ms执行一次，是则报警，并进入步骤12；否则直接进入步骤12；
步骤12、显示器显示工作参数；
步骤13、存储呼吸数据，存储任务每200ms执行一次，将呼吸机气道采集参数以合适的格式进行存储；
步骤14、根据存储的呼吸数据进行气道压力的预测，进而预估病人的呼吸状态；
步骤15、根据存储的呼吸数据监测，根据气道实时流量、气道实时压力判断气道内是否存在积液，是则返回步骤11，触发报警；
其中，步骤15具体步骤如下：
步骤15.1、呼吸周期分离；
步骤15.2、吸气呼气切换点检测，
呼吸周期以吸气相开始，以呼气相结束，积液检测将针对吸气相和呼气相分别检测，吸气相和呼气相的划分是根据流速-时间波形中第一个小于零的点进行划分的，当F(i)＝0，所在的第i个采样点为吸气呼气切换点；
步骤15.3、压力-时间波形的小波分解与重构；
步骤15.4、计算阈值；
步骤15.5、根据步骤15.3和步骤15.4得到的吸气相和呼气相的重构信号和阈值对积液情况进行判断，当重构信号超出阈值时，表面气道内存有积液，发出警告。


3.根据权利要求2所述的呼吸机控制方法，其特征在于步骤15.1具体为：
从呼吸机获取的病人呼吸数据是连续的呼吸周期，将连续的呼吸周期切分为独立的呼吸周期，流速-时间波形末始段会有一个快速的上升，基于呼吸流速-时间波形，采用一阶微分的方法进行呼吸周期的起始点、中段和结束点检测，其算法流程如下：
步骤15.1.1、记载流速-时间波形最高点，记做Fmax；
步骤15.1.2、对流速-时间波形进行一阶微分，取一阶微分曲线的最高点，记做Dmax；
步骤15.1.3、将流速-时间波形和一阶微分波形离散化，变为F(i)和D(i)，分别表示第i个采样点的流速值和流速的一阶微分值；
步骤15.1.4、设置标记位Flag＝0；
步骤15.1.5、是否F(i)＞Fmax，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回步骤15.1.4；
步骤15.1.6、是否D(i)＞Dmax，是则进入下一步，否则i＝i+1，返回...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯叶，
申请(专利权)人：山东凯鑫宏业生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37