一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器制造技术

本发明专利技术提供一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，属于人体血氧饱和度调控技术领域，该控制器包括：动态预测模块及预测控制模块；动态预测模块设置有人体供氧量

【技术实现步骤摘要】
一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器


[0001]本专利技术属于人体血氧饱和度调控
，具体涉及一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器。

技术介绍

[0002]随着海拔上升，环境中的氧气饱和度和大气压会逐渐下降，当进入海拔2500米以上的高原地区时，部分人会因缺氧产生疲劳，此时可以通过心肺反应补偿缺氧；当海拔高度超过3500米时，绝大部分人不能通过自身进行氧气补偿，会出现头痛、恶心、呕吐、失眠和记忆力衰退等不良反应，需要及时补充氧气。青藏高原一般海拔位于3000～5000米，氧气含量和大气压过低，这使得人们的生活面临巨大的挑战。
[0003]目前不少学者基于血氧饱和度(SpO2)、心率、血压等生理指标，研究人体在高原低氧环境下的作业能力，其中血氧饱和度是衡量人体缺氧程度最直接指标。缓解人体在高原环境因为缺氧带来的不良反应以及提高高原作业能力通常有两种方式，一种是间歇性低氧训练，一种是直接供氧补偿。前者是通过周期性低氧和运动刺激，使人体机体发生适应性变化从而提高高原环境的适应能力。这种方法涉及长期复杂的训练过程，并且人体对高原的适应性改变有限。直接供氧补偿则通过改造环境提高人体对高原的适应能力。
[0004]建造富氧舱是应对高原低氧环境，改善人体状态的一种方案，但是富氧舱受限于场所固定，难以满足人员移动的需求。便携式供氧设备可以不受时空限制对人体进行供氧补偿，目前的便携式供氧设备都采用开环方式工作，不考虑人体的实际缺氧程度。对于氧气资源缺乏的高原地区，这种开环供氧方式一方面造成氧气的浪费，消耗大量的人力物力，成本较高；另一方面受限于当前便携式设备的小型化问题，开环方式降低了供氧的可持续时间，增加了使用者的缺氧风险。申请号CN113599648公布了一种固定目标值的参数自适应供氧方案，其目标血氧饱和度是一个固定值，违背了正常的生理规律。申请号CN105944251公布了一种切换的闭环控制方法，该方法仅能实现供氧的通断，不能实现基于模型的预测和优化，无法预知低氧风险和得到最优供氧方案提高氧气使用效率。因此，设计一种闭环供氧调控的区间模型预测控制器对高原地区便携式供氧设备的有效利用和提高人体的高原作业能力是有必要的。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，该控制器可以实现将人体的血氧饱和度调节至满足个体正常生理范围的区间，缓解人体缺氧状态。
[0006]实现本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，包括：动态预测模块及预测控制模块；
[0008]所述动态预测模块设置有人体供氧量
‑
血氧饱和度的动态模型，用于根据当前检
测的血氧饱和度，利用所述动态模型对未来血氧饱和度进行预测，并将预测结果传输给模型预测控制模块；
[0009]所述预测控制模块，用于根据所预测的血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离，计算血氧饱和度动态的控制信号用以控制便携式供氧设备。
[0010]进一步地，本专利技术所述血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离表示为：若血氧饱和度在目标区间之外，则最小距离为血氧饱和度值到区间边界的最短距离，若血氧饱和度在目标区间之内，则该最小距离为0。
[0011]进一步地，本专利技术所述模型预测控制模块中设置有代价函数，所述代价函数根据所预测的血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离，计算血氧饱和度动态的控制信号，所述代价函数为：
[0012][0013]其中，N
y
是针对z
k
的预测步长，z
k
是代表k时刻血氧饱和度y
k
与目标血氧饱和度目标区间的最小距离，正负号分别表示血氧饱和度高于和低于目标区间，Q
+
和Q
‑
分别是高血氧饱和度和低血氧饱和度的权值矩阵，u
k
是外界供氧量形成的血氧饱和度动态模型的控制输入；N
u
是针对u
k
的待优化步长；R是控制变量的权值矩阵。
[0014]进一步地，本专利技术基于所述代价函数计算出第k时刻对应未来N
u
步的最优控制量时，实施第一步控制量
[0015]进一步地，本专利技术所述人体供氧量
‑
血氧饱和度的动态模型为：
[0016]x
k+1
＝Ax
k
+Bu
k
+w
k
，
[0017]y
k
＝Cx
k
+e
k
，
[0018]其中，输出变量y
k
即第k时刻的血氧饱和度，状态变量x
k
＝[y
k
,y
k
‑1,y
k
‑2]T
，控制输入u
k
＝[v
k
,v
k
‑1]T
，w
k
和e
k
分别是状态误差和测量误差；A为状态矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵。
[0019]进一步地，本专利技术所述预测控制模块中设定有输入约束条件，输入约束需要满足，0≤u
k
≤u
max
，u
max
是控制输入的上限值。
[0020]进一步地，本专利技术所述预测控制模块中设定有距离约束条件，距离约束需要满足，其中和是两个非负变量依赖于当前时刻血氧饱和度的值，分别表示血氧饱和度高于和低于目标区间时，与目标区间的距离。
[0021]进一步地，本专利技术所述预测控制模块中设定有长时间高浓度氧气约束，其中N和S分别表示连续供氧次数和供氧上限。
[0022]有益效果：
[0023](1)本专利技术根据所预测的血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离，计算血氧饱和度动态的控制信号，将人体的血氧饱和度调节并维持至正常生理区间，降低因高原缺氧带来的作业能力下降以及身体伤害。
[0024](2)本专利技术采用闭环控制的方式进行供氧量的调节，基于供氧量
‑
血氧饱和度动态模型可以预测未来一段时间内的血氧饱和度，利用代价函数得到当前时刻的最优供氧量，提高了氧气资源的利用效率，这对于高原环境氧气资源珍贵的情况下，意义重大。
[0025](3)本专利技术提供的血氧饱和度控制器将目标的人体血氧饱和度设置为满足正常生理指标要求的一个区间，通过控制外界供氧量，平稳地使人体的血氧饱和度进入该区间范围内，允许在该范围内波动，这符合人体正常的生理特性，更具有医学意义。
[0026](4)本专利技术考虑了连续高浓度供氧风险和低氧风险。通过设计非对称代价函数使血氧饱和度低于目标区间时产生更大的代价，有效避免低氧情况的出现。通过对一段时间内的总供氧量进行限制，从而避免让人体长期暴露在高浓度氧气中造成损伤。
[0027](5)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，其特征在于，包括：动态预测模块及预测控制模块；所述动态预测模块设置有人体供氧量
‑
血氧饱和度的动态模型，用于根据当前检测的血氧饱和度，利用所述动态模型对未来血氧饱和度进行预测，并将预测结果传输给模型预测控制模块；所述预测控制模块，用于根据所预测的血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离，计算血氧饱和度动态的控制信号用以控制便携式供氧设备。2.根据权利要求1所述基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，其特征在于，所述血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离表示为：若血氧饱和度在目标区间之外，则最小距离为血氧饱和度值到区间边界的最短距离，若血氧饱和度在目标区间之内，则该最小距离为0。3.根据权利要求1所述基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，其特征在于，所述模型预测控制模块中设置有代价函数，所述代价函数根据所预测的血氧饱和度与血氧饱和度目标区间的最小距离，计算血氧饱和度动态的控制信号，所述代价函数为：其中，N
y
是针对z
k
的预测步长，z
k
是代表k时刻血氧饱和度y
k
与目标血氧饱和度目标区间的最小距离，正负号分别表示血氧饱和度高于和低于目标区间，Q
+
和Q
‑
分别是高血氧饱和度和低血氧饱和度的权值矩阵，u
k
是外界供氧量形成的血氧饱和度动态模型的控制输入；N
u
是针对u
k
的待优化步长；R是控制变量的权值矩阵。4.根据权利要求4所述基于区间模型预测控制的人体血氧饱和度控制器，其特征在于，基于所述代价函数计算出第k时刻对应未来N
u
步的最优控制量时，实施第一步控制量5....

【专利技术属性】
技术研发人员：史大威，杨溢，陈婧，王军政，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：