一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置及方法，包括可实现气体流量、压力监测的信号采集模块，微处理单元，蓝牙通讯模块，移动终端设备，软件分析模块，采集模块实现气道压力及流量的连续监测，采集的连续信号经过微处理单元进行预处理后由蓝牙通讯模块发送至移动终端，并由移动终端上的软件分析模块通过约束优化的方法基于分段式用力呼吸模型估算出呼吸力学参数。本发明专利技术提供的适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，可以实现慢阻肺患者吸气相与呼气相的气道阻力系数与顺应性的实时检测，有助于实现对慢阻肺患者呼吸治疗情况的监控，从而为医生调整治疗方案提供参考与帮助。

A Detection Device and Method of Respiratory Mechanics Parameters for COPD Monitoring

The invention relates to a detection device and method for respiratory mechanics parameters suitable for COPD monitoring, which includes signal acquisition module, microprocessing unit, Bluetooth communication module, mobile terminal equipment, software analysis module, acquisition module, which can realize continuous monitoring of airway pressure and flow. The collected continuous signals are pre-processed by microprocessing unit. After that, the Bluetooth communication module is sent to the mobile terminal, and the software analysis module on the mobile terminal estimates the respiratory mechanics parameters based on the piecewise forced breathing model through the constrained optimization method. The detection device for respiratory mechanics parameters suitable for COPD monitoring can realize real-time detection of airway resistance coefficient and compliance of COPD patients in inspiratory and expiratory phases, help to monitor the respiratory treatment of COPD patients, and provide reference and help for doctors to adjust treatment plans.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置及方法
本专利技术属于设备检测及信号处理方法领域，具体涉及一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置及方法，用于检测具有呼气受限患者呼吸力学参数，对慢性阻塞性肺疾病的监护有辅助作用。
技术介绍
慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)以不完全可逆的气流受限为特点，病人呼气时气流受限，影响病人正常呼吸甚至危及生命。呼吸力学参数是能够直接反应患者呼吸系统性能的指标，例如慢阻肺患者通常会出现气道阻力系数增大，有效监测呼吸力学参数对于慢阻肺病情监控有重要意义。目前检测呼吸力学参数的方法主要是利用呼吸机进行阻断法测量呼吸力学参数，或基于呼吸力学模型进行呼吸力学参数的估计。阻断法必须阻断通气无法实现实时监测，而基于呼吸力学模型进行参数估计的方法对于无自主呼吸的患者比较适用，一旦患者具有自主呼吸需要有创测量食道压代替胸膜腔内压来完成估算，有创且无法实时。本专利技术提出一套装置在不影响机械通气的前提下采集气道流量压力，借助约束优化的方法可以实时估算呼吸力学参数，对于慢阻肺病情监控有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种呼吸力学参数检测装置及检测方法，具体涉及采集气道流量及压力，并基于分段式用力呼吸模型利用约束优化的方法，进行每个呼吸周期中吸气相、呼气相气道阻力系数和顺应性的估算，为临床医生监控慢阻肺病情提供有意义的参考。本专利技术的技术方案如下：一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，包括可实现气体流量、压力监测的信号采集模块，微处理单元，以及装设有软件分析模块的移动终端设备，其中，所述的信号采集模块接入受检者气路，连续采集受检者的口端压力及流量信号，并将口端压力及流量信号传输至微处理单元，进行信号预处理，预处理后的口端压力及流量信号发送至移动终端设备，由软件分析模块通过约束优化的方法实现基于分段式用力呼吸模型的呼吸力学参数估计，得到每个呼吸周期中吸气相与呼气相对应的气道阻力系数及一个呼吸周期中的顺应性。进一步，如上所述的适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，其中，所述的预处理后的口端压力及流量信号通过蓝牙通讯模块发送至移动终端设备。一种采用上述装置进行呼吸力学参数检测的方法，通过约束优化的方法实现基于分段式用力呼吸模型的呼吸力学参数估计，所述的分段式用力呼吸模型采用非线性的方式描述一个呼吸周期中呼吸力学现象，分别设置吸气相气道阻力系数与呼气相气道阻力系数，其形式为P(t)＝RinF(t)+E∫F(t)dt+Pmus(t)，P(t)＝RexF(t)+E∫F(t)dt+Pmus(t)，其中P(t)为信号采集模块得到的口端气体压力变化，Pmus(t)为用力呼吸时呼吸肌群作用的等效压力，F(t)为信号采集模块得到的口端气体流量，Rin为吸气相气道阻力系数，Rex为呼气相气道阻力系数，E为一个呼吸周期中的顺应性。进一步，如上所述的呼吸力学参数检测的方法，其中，用力呼吸时一个呼吸周期内呼吸肌群作用的等效压力Pmus(t)采用有界双拐点连续曲线描述，在一个呼吸周期开始的t0时刻Pmus(t0)＝0，在吸气阶段Pmus(t)单调下降在tm+t0时刻达到拐点-a1，即Pmus(tm+t0)＝-a1，然后单调上升在tp+t0时刻Pmus(tp+t0)＝0，而后继续单调上升在tq+t0时刻达到另一拐点a2，即Pmus(tq+t0)＝a2，然后单调下降在ts+t0时刻Pmus(ts+t0)＝0。进一步，如上所述的呼吸力学参数检测的方法，其中，所述的约束优化的方法是指呼吸力学参数是通过在有约束条件下使得代价方程最小的优化方法估计得到，代价方程的具体形式为：约束条件为：-a1≤Pmus(tk+1)-Pmus(tk)≤0,k＝1,2,...,m-1，0≤Pmus(tk+1)-Pmus(tk)≤a1+a2,k＝m,m+1,...,q-1，-a2≤Pmus(tk+1)-Pmus(tk)≤0,k＝q,q+1,...,s-1，Pmus(tk+1)-Pmus(tk)＝0,k＝s,s+1,...,N-1，0≤Rin≤100，0≤Rex≤100，0≤E≤100，-30≤Pmus(tk)≤30，以上公式中，k表示一个等间隔采样周期内的采样计数，N代表一个周期结束时的采样计数；约束条件描述了正常生理参数的范围，保证参数估计具有生理意义，其中a1和a2表示自主用力呼吸的等效压力值，是基于大量样本实验得到的。本专利技术的有益效果如下：本专利技术所提供的适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，适用于使用机械通气进行治疗的患者，可以在不影响正常治疗的同时实现breath-by-breath的呼吸力学参数检测，不受机械通气模式限制。该装置所采用的检测方法充分考虑了具有慢阻肺病症的受检者存在用力呼气自主呼吸的特点，提出了分段式用力呼吸模型更符合具有慢阻肺病症的受检者的呼吸力学特征，结合大量样本实验添加了符合具有慢阻肺病症受检者呼吸力学特征的约束条件，通过有约束的优化实现了呼吸力学参数的有效估算，进而为临床医生监控慢阻肺病情提供有意义的参考。附图说明图1为本专利技术适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置的系统结构示意图；图2为用力呼吸时呼吸肌群作用的等效压力图；图3为本专利技术适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置的运行流程图。具体实施方式下面结合附图与具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术所提供的一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置的系统结构如图1所示，该系统包括气体流量、压力监测信号的采集模块01，微处理单元04，蓝牙通讯模块05，移动终端设备06，软件分析模块07，其中软件分析模块采用了基于分段式用力呼吸模型09的约束优化方法08来获得受检者气道阻力系数10和顺应性11。具体实施时通过将系统的压力流量采集模块01串联接入到呼吸机与患者之间的人工气道，压力流量采集模块中的气体压力传感器和流量传感器将采集人工气道内的通气压力及流量信号03。为保证临床使用时连接设备尽可能小，采集到的原始压力信号和流量信号03经过微处理器的预处理(滤波)后由蓝牙模块发送至移动终端设备06。移动终端设备06具有较强的运算能力，内置软件分析模块07，软件分析模块07中使用了约束优化方法08利用压力信号和流量信号03基于分段式用力呼吸模型09实现有约束条件下的参数优化估计，可得到吸气相与呼气相的气道阻力系数10和呼吸系统的顺应性11。分段式用力呼吸模型09采用非线性的方式描述一个呼吸周期中呼吸力学现象，分别设置吸气相气道阻力系数与呼气相气道阻力系数10，其形式为P(t)＝RinF(t)+E∫F(t)dt+Pmus(t)，P(t)＝RexF(t)+E∫F(t)dt+Pmus(t)，其中P(t)为气体流量、压力信号采集模块01得到的口端气体压力变化，Pmus(t)为用力呼吸时呼吸肌群作用的等效压力，F(t)为气体流量、压力信号采集模块01得到的口端气体流量，Rin为吸气相气道阻力系数，Rex为呼气相气道阻力系数，E为一个呼吸周期中的顺应性11。约束优化方法08是一种通过在有约束条件下使得代价方程最小的优化方法，可在不确定患者自主呼吸信号的情况下，通过添加约束条件实现模型参数的优化估算。其中代价方程的具体形式为：，约束条件为：-a1≤Pmus(tk+1)-Pmu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，包括可实现气体流量、压力监测的信号采集模块，微处理单元，以及装设有软件分析模块的移动终端设备，其特征在于：所述的信号采集模块接入受检者气路，连续采集受检者的口端压力及流量信号，并将口端压力及流量信号传输至微处理单元，进行信号预处理，预处理后的口端压力及流量信号发送至移动终端设备，由软件分析模块通过约束优化的方法实现基于分段式用力呼吸模型的呼吸力学参数估计，得到每个呼吸周期中吸气相与呼气相对应的气道阻力系数及一个呼吸周期中的顺应性。

【技术特征摘要】
1.一种适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，包括可实现气体流量、压力监测的信号采集模块，微处理单元，以及装设有软件分析模块的移动终端设备，其特征在于：所述的信号采集模块接入受检者气路，连续采集受检者的口端压力及流量信号，并将口端压力及流量信号传输至微处理单元，进行信号预处理，预处理后的口端压力及流量信号发送至移动终端设备，由软件分析模块通过约束优化的方法实现基于分段式用力呼吸模型的呼吸力学参数估计，得到每个呼吸周期中吸气相与呼气相对应的气道阻力系数及一个呼吸周期中的顺应性。2.如权利要求1所述的适用于慢阻肺监控的呼吸力学参数检测装置，其特征在于：所述的预处理后的口端压力及流量信号通过蓝牙通讯模块发送至移动终端设备。3.一种采用权利要求1-2中任意一项所述装置进行呼吸力学参数检测的方法，其特征在于：通过约束优化的方法实现基于分段式用力呼吸模型的呼吸力学参数估计，所述的分段式用力呼吸模型采用非线性的方式描述一个呼吸周期中呼吸力学现象，分别设置吸气相气道阻力系数与呼气相气道阻力系数，其形式为P(t)＝RinF(t)+E∫F(t)dt+Pmus(t)，P(t)＝RexF(t)+E∫F(t)dt+Pmus(t)，其中P(t)为信号采集模块得到的口端气体压力变化，Pmus(t)为用力呼吸时呼吸肌群作用的等效压力，F(t)为信号采集模块得到的口端气体流量，Rin为吸气相气道阻力系数，Rex为呼气相气道阻力系数，E为一个呼吸周期中的顺应性。4.如权利要求3所述的呼吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔惠婷，孙超，王哲，李德玉，许丽嫱，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11