一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置及其工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于医疗器械技术领域，提供了一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置及其工作方法，包括人机交互界面、控制器、数字孪生呼吸系统模型、采集传感单元以及硬件气路单元；所述人机交互界面与控制器连接，用于输入预设生理参数和目标血氧稳定值；所述人机交互界面通过控制器连接硬件气路单元；所述控制器还连接采集传感单元；所述采集传感单元通过控制器连接数字孪生呼吸系统模型，所述数字孪生呼吸系统模型通过采集传感单元采集的数据经处理形成孪生数据模型，结合数字孪生呼吸系统的孪生机理模型融合决策，形成呼吸控制决策传输给控制器；本发明专利技术结合数字孪生呼吸系统的孪生数据模型和孪生机理模型融合决策，实现对呼吸过程精确的模拟。程精确的模拟。程精确的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置及其工作方法


[0001]本专利技术属于医疗器械
，具体涉及一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置及其工作方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]现有呼吸机在经过一段时间使用后各项技术指标(呼吸频率、气道压等)都会出现偏离，有时甚至会产生明显误差。医院定期对呼吸机的各项性能指标进行全面检测十分必要。高精度的模拟肺在呼吸设备的生产和质量检测过程中是非常必要的。模拟肺可以模拟正常生理或病理状态时肺的顺应性及气道阻力，是临床医学教学、培训以及科研不可或缺的有力工具，也是精确检测各种呼吸机性能指标的必备仪器。可以用于呼吸机设计阶段的功能验证，呼吸机出厂时的测试，呼吸机在使用过程中的定时检测校准、呼吸治疗师培训等等。目前，常用的模拟肺为被动式模拟肺，无法实现主动呼吸。随着检验方法的不断更新，需要一种更逼真、反映不同病症呼吸状态的模拟肺，可以实现主动呼吸和更有意义的模拟呼吸参数输出，满足呼吸机测试的需求。稳定可靠的主动式模拟肺的研制将为全面验证呼吸机安全有效提供一种可行的手段，弥补被动式模拟肺的不足。
[0004]虽然目前国际上已有主动式模拟肺，如美国生产的某主动模拟肺弥补了被动模拟肺缺点，能够完成呼吸器各种工作状态下通气效果的量化测试，然而目前的主动模拟肺主要通过气缸的往复运动来模拟呼吸过程，结构复杂，测试系统准确性不高；且当前的模拟肺设备都是用于力学模拟，对于肺泡血气界面上的气体交换的模拟还鲜有研究，功能不完备；另外，其中的控制策略无法实现对人体呼吸状态数据的实时采集和应用分析，不具备调整实时性。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置及其工作方法，本专利技术结合数字孪生呼吸系统的孪生数据模型和孪生机理模型融合决策，实现对流量控制阀的控制，表征不同病人呼吸过程中的压力流量以及血氧交换情况，实现对呼吸过程更为精确的模拟。
[0006]根据一些实施例，本专利技术的第一方案提供了一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，采用如下技术方案：
[0007]一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，包括人机交互界面、控制器、数字孪生呼吸系统模型、采集传感单元以及硬件气路单元；其中，
[0008]所述人机交互界面与控制器连接，用于输入预设生理参数和目标血氧稳定值；所述人机交互界面通过控制器连接硬件气路单元；所述控制器还连接采集传感单元；所述采集传感单元通过控制器连接数字孪生呼吸系统模型，所述数字孪生呼吸系统模型通过采集
传感单元采集的数据经数字孪生呼吸系统处理形成孪生数据模型，结合数字孪生呼吸系统的孪生机理模型融合决策，形成呼吸控制决策传输给控制器。
[0009]进一步地，所述硬件气路单元包括呼气支路、吸气支路以及呼吸机支路，所述呼吸机支路通过呼吸机分别与呼气支路、吸气支路连接，各支路之间通过呼吸管路连接；
[0010]所述呼气支路上连接第一采集传感单元；所述吸气支路上连接第二采集传感单元；所述第一采集传感单元和所述第二采集传感单元通过呼吸管路连接呼吸机。
[0011]进一步地，所述呼气支路包括第一氧气气源、第一氮气气源以及第一二氧化碳气源，所述第一氧气气源依次连接第一减压阀和第一流量控制阀；所述第一氮气气源依次连接第二减压阀和第二流量控制阀，所述第一二氧化碳气源依次连接第三减压阀和第三流量控制阀；所述第一流量控制阀、第二流量控制阀以及第三流量控制阀同时与所述第一采集传感单元连接；
[0012]所述吸气支路包括负压气罐，所述负压气罐依次连接第四减压阀和第四流量控制阀，所述第四流量控制阀连接第二采集传感单元。
[0013]进一步地，所述第一采集传感单元包括依次连接的第一流量传感器、第一压力传感器、第一二氧化碳传感器以及第一氧浓度传感器；
[0014]所述第二采集传感单元包括依次连接的第二二氧化碳传感器、第二氧浓度传感器、第二流量传感器以及第二压力传感器。
[0015]进一步地，所述呼吸机支路包括第二氧气气源以及空气气源，所述第二氧气气源依次连接第五减压阀和第五流量控制阀；所述空气气源依次连接第六减压阀和第六流量控制阀；所述第五流量控制阀和第六流量控制阀通过呼吸管路连接呼吸机进气口。
[0016]进一步地，所述数字孪生呼吸系统模型包括孪生数据模型以及孪生机理模型；所述孪生数据模型包括通过采集传感单元获取的传感器数据、真实人体的呼吸数据集以及不同病患疾病数据训练集；
[0017]所述孪生机理模型包括不同呼吸病患者的人体呼吸系统孪生模型。
[0018]进一步地，所述数字孪生呼吸系统模型通过接口卡接入控制器。
[0019]根据一些实施例，本专利技术的第二方案提供了如第一方案所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置的工作方法，采用如下技术方案：
[0020]一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置的工作方法，包括：
[0021]通过人机交互界面输入预设呼吸生理参数、目标血氧稳定值/血氧控制范围，并将预设的数据传输给控制器；
[0022]控制器获取采集传感单元采集的模拟呼吸过程中的气体压力、气体流量和气体成分含量，并将获取的传感器数据传输给数字孪生呼吸系统模型；
[0023]数字孪生呼吸系统模型根据传感器数据经处理形成孪生数据模型，结合数字孪生呼吸系统的孪生机理模型融合决策，形成呼吸控制决策指令，并发送给控制器，控制器根据呼吸控制决策指令控制多个流量控制阀，表征不同病人呼吸过程中的压力流量以及血氧交换情况，实现对呼吸过程的模拟。
[0024]进一步地，当模拟肺进行主动吸气操作时，
[0025]通过人机交互界面输入预设呼吸生理参数和目标氧气、二氧化碳稳定浓度/控制范围；
[0026]打开第二氧气气源和空气气源，将氧气和空气通入呼吸机；第五减压阀和第六减压阀将气源压力调节为恒定压力源作为试验气源；
[0027]打开负压气罐提供负压，通过控制器获取第二采集传感单元采集的数据，并将其传输给数字孪生呼吸系统模型；
[0028]数字孪生呼吸系统模型根据第二采集传感单元采集的数据经处理形成孪生数据模型，结合数字孪生呼吸系统的孪生机理模型融合决策，形成呼吸控制决策指令，并发送给控制器；
[0029]控制器根据呼吸控制决策指令，控制第四流量控制阀、第五流量控制阀和第六流量控制阀的阀口通流面积来实现预设的气流通气状况，同时控制第一流量控制阀、第二流量控制阀和第三流量控制阀关闭，进而实现血氧浓度的调节，使得目标达到预定压力流量值以及氧气二氧化碳浓度达到预设稳定值或稳定范围，实现闭环反馈控制。
[0030]进一步地，当模拟肺进行主动呼气操作时，
[0031]通过人机交互界面输入预设呼吸生理参数和目标氧气、二氧化碳稳定浓度/控制范围；
[0032]打开第一氧气气源、第一氮气气源以及第一二氧化碳气源，将氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，包括人机交互界面、控制器、数字孪生呼吸系统模型、采集传感单元以及硬件气路单元；其中，所述人机交互界面与控制器连接，用于输入预设生理参数和目标血氧稳定值；所述人机交互界面通过控制器连接硬件气路单元；所述控制器还连接采集传感单元；所述采集传感单元通过控制器连接数字孪生呼吸系统模型，所述数字孪生呼吸系统模型通过采集传感单元采集的数据经数字孪生呼吸系统处理形成孪生数据模型，结合数字孪生呼吸系统的孪生机理模型融合决策，形成呼吸控制决策传输给控制器。2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，所述硬件气路单元包括呼气支路、吸气支路以及呼吸机支路，所述呼吸机支路通过呼吸机分别与呼气支路、吸气支路连接；各支路之间通过呼吸管路连接；所述呼气支路上连接第一采集传感单元；所述吸气支路上连接第二采集传感单元；所述第一采集传感单元和所述第二采集传感单元通过呼吸管路连接呼吸机。3.如权利要求2所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，所述呼气支路包括第一氧气气源、第一氮气气源以及第一二氧化碳气源，所述第一氧气气源依次连接第一减压阀和第一流量控制阀；所述第一氮气气源依次连接第二减压阀和第二流量控制阀，所述第一二氧化碳气源依次连接第三减压阀和第三流量控制阀；所述第一流量控制阀、第二流量控制阀以及第三流量控制阀同时与所述第一采集传感单元连接；所述吸气支路包括负压气罐，所述负压气罐依次连接第四减压阀和第四流量控制阀，所述第四流量控制阀连接第二采集传感单元。4.如权利要求3所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，所述第一采集传感单元包括依次连接的第一流量传感器、第一压力传感器、第一二氧化碳传感器以及第一氧浓度传感器；所述第二采集传感单元包括依次连接的第二二氧化碳传感器、第二氧浓度传感器、第二流量传感器以及第二压力传感器。5.如权利要求2所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，所述呼吸机支路包括第二氧气气源以及空气气源，所述第二氧气气源依次连接第五减压阀和第五流量控制阀；所述空气气源依次连接第六减压阀和第六流量控制阀；所述第五流量控制阀和第六流量控制阀通过呼吸管路连接呼吸机进气口。6.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，所述数字孪生呼吸系统模型包括孪生数据模型以及孪生机理模型；所述孪生数据模型包括通过采集传感单元获取的传感器数据、真实人体的呼吸数据集以及不同病患疾病数据训练集；所述孪生机理模型包括不同呼吸病患者的人体呼吸系统孪生模型。7.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的多功能模拟肺控制装置，其特征在于，所述数字孪生呼吸系统模型通过接口卡接入控制器。8.如权利要求1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡天亮，王帅，马德东，马嵩华，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：