基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统，主要由控制模块、血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块以及控制算法组成。本发明专利技术的有益效果是：流量截止阀根据呼吸频率变化实时响应，使氧气输出与患者呼吸动作保持同步，比现有技术减少了约50%的氧气消耗量。同时，氧疗过程中血氧监测模块实时监测患者血氧值是否稳定保持在目标血氧控制范围内，并动态调整氧气输出流量，保证了氧疗的有效性和安全性。

Oxygen Output System Based on Cooperative Control of Respiratory Frequency and Target Oxygen Value

【技术实现步骤摘要】
基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统
本专利技术涉及基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统，属于临床使用的医疗器械。
技术介绍
医用氧气输出控制设备是医疗机构行氧气治疗（简称“氧疗”）时必备的医疗器械，常用的有氧气吸入器、呼吸机等。现有氧疗设备氧气输出控制手段较为机械和单一，在氧疗时由医护人员设置输出流量、吸氧时间等参数后实现氧气输出，期间缺乏对患者生命指证变化的动态监测和反馈交互，也无法根据患者个体差异和生命指证变化实现智能化控制。为克服以上缺陷，本专利技术人也提出了CN108744190A、CN104826204B等技术方案，虽较已有技术有了显著的进步，但仍然存在不足，主要表现在以上技术缺少对呼吸频率的动态监测和反馈交互。呼吸频率是医生临床临床诊断中的一项重要的诊断依据：呼吸过速(指呼吸频率超过24次/分），见于发热、疼痛、贫血、甲状腺功能亢进及心力衰竭等；呼吸过缓(指呼吸频率低于12次/分），见于麻醉剂或镇静剂过量和颅内压增高等；呼吸频率伴呼吸深度的变化，呼吸浅快，见于呼吸肌麻痹、严重鼓肠、腹水和肥胖等，以及肺部疾病（如肺炎、胸膜炎、胸腔积液和气胸等）。此外，当严重代谢性酸中毒时，亦出现深而慢的呼吸，常见于糖尿病酮中毒和尿毒症酸中毒等，因此动态监测氧疗患者的呼吸频率具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提出了基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统，主要由控制模块、血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块以及控制算法组成；所述的控制模块是基于可编程逻辑控制器或单片机开发而成的控制电路，控制模块与血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块采用集成电路或导线联通，协同工作。所述的血氧监测模块主要由血氧探头、血氧计算模块以及导联线构成，用于动态监测患者的血氧饱和度、脉率、灌注指数（PI）。当然，血氧监测模块中还可以嵌入体温探头等，实现患者脉搏、血氧饱和度、体温等多参数动态监测。所述的呼吸频率传感器是识别患者呼气与吸气动作及频率的感应装置。呼吸频率传感器包括但不限于温差式呼吸频率传感器、声学呼吸频率传感器、压差式呼吸频率传感器，几种呼吸频率传感器的具体原理和设置方法是：（1）温差式呼吸频率传感器是利用人体口鼻处呼吸动作时的温度差异，感知呼气和吸气动作及频率的传感器。人体呼吸时，由于呼出气体和吸入气体时鼻孔外周存在明显的温度差，因此把响应时间较快的热敏电阻（最快可达≤10微妙）设置于吸氧面罩内的鼻孔出口处，热敏电阻监测获得的电阻值随呼气、吸气发生周期性变化，经过信号放大处理后得到呼吸频率。（2）声学呼吸频率传感器是根据呼气和吸气的声学特征不同，将声学传感器贴附在颈部、鼻腔、胸腔等部位，根据声学传感器获取的人体呼气和吸气的不同声学特征，经过信号放大处理后获得人体呼吸频率。（3）压差式呼吸频率传感器：在人体深呼吸时，胸腔或腹腔等腔体部位会自动根据呼吸节奏膨胀或收缩，将压力传感器置入束缚带内并将束缚带固定在胸腔或腹腔外周，压力传感器可以动态感知胸腹腔膨胀与收缩时的压力变化，吸气时压力增大，呼气时压力减少，经过信号放大处理后获得人体呼吸频率。当然，也可以直接将微压力传感器设置在吸氧面罩内，吸氧面罩固定在患者口腔或鼻腔外周，动态监测患者呼气或吸气时吸氧面罩内的压力变化，患者呼气时为正压、吸气时为负压，微压力传感器监测的信号经过放大处理后可以直接获得人体呼吸频率。所述的流量控制模块用于调节和计量氧气输出流量，通常由流量控制阀和流量传感器组成。其中，流量控制阀采用电子流量阀，电子流量阀根据控制模块给出的指令实现流量大小的电动调节，执行控制模块给出的阀门开启、流量调整、阀门关闭等工作指令；流量传感器位于电子流量阀下游位置的管路中，动态监测氧气流量输出的值。流量控制模块也可以采用顶针阀和直流电机组成，在控制模块内建立阀门开度、供气压力的关系表，实现氧气输出流量的控制和计量，这一流量控制模块的技术方案优点是减少流量传感器的成本，本专利技术人在CN104906677A中已经完整描述，不再重复。流量控制模块中还可以设有雾化输出通路和雾化器接口，氧气在输出通路中的吸氧输出和雾化输出实现一键切换，满足氧疗和雾化治疗的多功能转换需要。所述的流量截止阀用于控制氧气输出通路的闭合或开启。流量截止阀设置在流量控制模块下游位置的氧气输出管路中，一般采用电子阀接入通气管路中进行气路的开关控制；也可以在流量控制模块下游位置的氧气输出管路设置一截3-5cm的弹性软管，弹性软管外周设置一个电磁阀，通过电磁阀夹闭或者放开通气软管进行气路控制。所述的人机交互界面用于本专利技术的参数设置和操作控制，一般采用液晶屏和各种操作功能键构成。人机交互界面至少应设有吸氧时长设置键、流量设置键、目标血氧值设置键等，功能键采用按钮、编码器、触摸屏各种常规技术均可。所述的通讯模块用于监测数据、监护信息、警示信息等远程发送到医学监护终端。通讯模块一般可采用有线传输、蓝牙、WiFi或者RF等技术方式。所述控制模块中设有控制算法，控制算法是本专利技术的核心控制程序，控制算法一般设置在嵌入式软件中。控制算法构建要素的主要有目标血氧值、目标血氧控制范围、呼吸频率、医嘱流量值、介入控制时间、流量调节范围、流量调节梯度、吸氧时长，其中：所述的目标血氧值是指氧疗中期望达到并稳定保持的血氧值，也就是本次氧疗预期达成的治疗目标。所述的目标血氧控制范围是以目标血氧值为基准、允许动态血氧值的偏离区间，即氧疗中预期控制并保持的血氧饱和度的最小值与最大值之间范围。所述的呼吸频率是指氧疗过程中患者呼气、吸气的动作时间和频次，包括每一次呼气开始到结束时间、每一次吸气动作开始到结束的时间；呼吸频率一般以“次/min”为计算单位。所述的医嘱流量值是氧疗时医护人员设定的氧气流量值，氧疗时在人机交互界面/或上位机软件中进行设定，一般以“L/min”为单位。所述的介入控制时间是指患者动态血氧值偏离目标血氧控制范围后，控制模块介入调整氧气输出流量的相应时间。介入控制时间的设定值按照临床要求的目标血氧值的稳定时间为主要依据，一般以分钟（min）为单位，比如临床要求目标血氧值稳定保持98%三分钟后控制模块介入调整，减少氧气输出流量，那么介入控制时间定义为“3min”。所述的流量调节范围是指控制模块根据患者血氧值动态变化、介入调整氧气输出流量的区间值，即介入流量调整时氧气输出的最小值与最大值范围，一般以分钟（L/min)为单位。所述的流量调整梯度是指控制模块介入控制时每一次增加或者减少流量的梯度值，比如流量调整梯度为0.2L/min，那么每介入调整一次，氧气输出流量增加或降低0.2L/min。在氧气流量自动调节范围内、流量调节梯度通常为0.1L/min～1L/min之间，优选的是，流量调节梯度设定为0.2L/min～0.5L/min。所述的吸氧时长是医护人员设定的氧疗开始到结束的时间，一般以小时（h）为单位。吸氧时长在人机交互界面/或上位机软件中进行设定,达到吸氧时长后控制模块给出关闭氧气输出指令，流量控制阀关闭，本次氧疗结束。控制算法中各构建要素的参数是：目标血氧值设定范围是88%～99%。在此范围内，由医护人员根据患者特征在人机交互本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统，主要由控制模块、血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块以及控制算法组成，控制模块与血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块采用集成电路或导线联通，协同工作；控制算法构建要素的主要有目标血氧值、目标血氧控制范围、呼吸频率、医嘱流量值、介入控制时间、流量调节范围、流量调节梯度、吸氧时长；控制算法的构建原理是：医护人员根据患者缺氧程度设定目标血氧值后，目标血氧控制范围按照“目标血氧值±1%”或“目标血氧值±2%”自动确定；医护人员设定医嘱流量值与吸氧时长后，进入氧疗模式，血氧监测模块、呼吸频率监测模块同步进行血氧值、脉率及呼吸频率的动态监测，通讯模块同步上传各项监护信息；如果血氧饱和度、脉率或呼吸频率偏离正常值，人机界面给出对应的提示信息或警示信息；流量截止阀根据呼吸频率实时响应，患者吸气动作时，流量截止阀进入“开”位，保证氧气输出通畅；患者呼气动作时，流量截止阀进入“关”位，流量截止阀阻断氧气输出，从而使氧气输出与患者呼吸动作保持同步，患者吸气时氧气正常输送到患者呼吸道，患者呼气时阻断氧气输送；与此同时，血氧监测模块实时监测患者血氧值是否稳定保持在目标血氧控制范围内，如果患者血氧值低于目标血氧控制范围的下限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块按照规定的流量调整梯度增加氧气输出流量；增加一个流量调整梯度后，如果患者动态血氧值仍低于目标血氧控制范围的下限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块再次按照规定的流量调整梯度增加氧气输出流量，直到调整到氧气流量自动调节范围的最大值；如果氧气输出流量到达氧气流量自动调节范围的最大值后，患者血氧值仍低于目标血氧控制范围的下限值，人机界面给出血氧值偏离的报警提示；反之，如果患者动态血氧值高于目标血氧控制范围的上限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块按照规定的流量调整梯度降低氧气输出流量，降低一个流量调整梯度后，如果患者动态血氧值仍高于目标血氧控制范围的上限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块再次按照规定的流量调整梯度降低氧气输出流量，直到调整到氧气流量自动调节范围的最小值；如果氧气输出流量到达氧气流量自动调节范围的最小值后，患者血氧值仍高于目标血氧控制范围的上限值，人机界面给出停止吸氧的建议性信息；到达设定的吸氧时间长后，流量控制模块关闭氧气输出，并在人机界面给出吸氧结束的提示信息。...

【技术特征摘要】
1.基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统，主要由控制模块、血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块以及控制算法组成，控制模块与血氧监测模块、呼吸频率传感器、流量控制模块、流量截止阀、人机交互界面、通讯模块采用集成电路或导线联通，协同工作；控制算法构建要素的主要有目标血氧值、目标血氧控制范围、呼吸频率、医嘱流量值、介入控制时间、流量调节范围、流量调节梯度、吸氧时长；控制算法的构建原理是：医护人员根据患者缺氧程度设定目标血氧值后，目标血氧控制范围按照“目标血氧值±1%”或“目标血氧值±2%”自动确定；医护人员设定医嘱流量值与吸氧时长后，进入氧疗模式，血氧监测模块、呼吸频率监测模块同步进行血氧值、脉率及呼吸频率的动态监测，通讯模块同步上传各项监护信息；如果血氧饱和度、脉率或呼吸频率偏离正常值，人机界面给出对应的提示信息或警示信息；流量截止阀根据呼吸频率实时响应，患者吸气动作时，流量截止阀进入“开”位，保证氧气输出通畅；患者呼气动作时，流量截止阀进入“关”位，流量截止阀阻断氧气输出，从而使氧气输出与患者呼吸动作保持同步，患者吸气时氧气正常输送到患者呼吸道，患者呼气时阻断氧气输送；与此同时，血氧监测模块实时监测患者血氧值是否稳定保持在目标血氧控制范围内，如果患者血氧值低于目标血氧控制范围的下限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块按照规定的流量调整梯度增加氧气输出流量；增加一个流量调整梯度后，如果患者动态血氧值仍低于目标血氧控制范围的下限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块再次按照规定的流量调整梯度增加氧气输出流量，直到调整到氧气流量自动调节范围的最大值；如果氧气输出流量到达氧气流量自动调节范围的最大值后，患者血氧值仍低于目标血氧控制范围的下限值，人机界面给出血氧值偏离的报警提示；反之，如果患者动态血氧值高于目标血氧控制范围的上限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块按照规定的流量调整梯度降低氧气输出流量，降低一个流量调整梯度后，如果患者动态血氧值仍高于目标血氧控制范围的上限值、并达到介入控制时间时，流量控制模块再次按照规定的流量调整梯度降低氧气输出流量，直到调整到氧气流量自动调节范围的最小值；如果氧气输出流量到达氧气流量自动调节范围的最小值后，患者血氧值仍高于目标血氧控制范围的上限值，人机界面给出停止吸氧的建议性信息；到达设定的吸氧时间长后，流量控制模块关闭氧气输出，并在人机界面给出吸氧结束的提示信息。2.根据权利要求1所述的基于呼吸频率和目标血氧值协同控制的氧气输出系统，其特征还在于：控制算法对患者呼吸频率具有学习功能，在动态监测患者呼吸频率过程中，记录患者吸气、呼气动作及动作的保持时间，控制算法根据该患者呼吸频率变化进行深度学习，并形成该患者的呼吸频率规律，流量截止阀主动根据呼吸频率规律响应，使流量控制模块的氧气输...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旭良，阮雪红，张丹，
申请(专利权)人：西安汇智医疗集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61