一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法及睡眠呼吸机技术

本发明专利技术公开了一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，该方法包括：获取压力和流量传感器数据，进行呼吸触发检测，根据呼吸状态确定压力期望值，采用基于蛙跳

【技术实现步骤摘要】
一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法及睡眠呼吸机


[0001]本专利技术涉及呼吸机领域，尤其是一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法及睡眠呼吸。

技术介绍

[0002]呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸,增加肺通气量、改善呼吸功能、减轻呼吸功消耗、节约心脏储备能力的装置,它能延长病人生命并为其争取治疗时间。睡眠呼吸机主要是由无刷直流电机带动风机产生正压气流,正压气流经软管和面罩输送至患者气道。在面罩附近通过压力传感器对气道压力进行检测,微处理器接受压力传感器馈送的实际气道压力信号,并与设定的治疗压力进行比较,根据两者差值,不断调整电机转速,维持治疗时的压力稳定。
[0003]现有技术中自动呼吸机为了减少治疗过程中患者自主呼吸引起的压力波动,一般采用PID 算法来实现对输出压力的自动补偿。常规PID控制器具有简单、稳定性好、可靠性高等特点,但是不能在线整定参数,且难以应用在非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统中。而模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统却能进行简单而有效的控制,但它不具有积分环节,很难完成消除静态误差,在变量分级不够多的情况下,常常在平衡点附近会有小的振荡现象。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法及呼吸机，该方法通过采用基于蛙跳
‑
神经网络
‑
PID算法的压力控制算法进行流量控制，解决了现有技术中呼吸机PID控制中由于参数固定而导致超调过大，响应速度慢等问题，并通过结合蛙跳算法对PID初始参数进行离线优化得到，减小神经网络参数的整定范围，极大的减小神经网络的计算量，有利于参数的在线优化。
[0006](二)技术方案
[0007]为了解决上述存在的技术问题，实现专利技术目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，包括如下步骤：
[0008]S1：获取传感器数据并设定流量控制参数，包括读取压力传感器获取压力值p(k)，流量传感器测量值f(k)，设定最大吸气压力Pmax，最小吸气压力Pmin，呼气压力和潮气量。
[0009]S2：呼吸触发检测，通过流量阈值触发方式对患者的呼吸状态进行识别，当呼吸机连续检测到三次吸气
‑
呼气的过程，则判定呼吸机已经戴好，进入工作状态。
[0010]S3：根据呼吸状态确定压力期望值。根据流量传感器测量数据计算用户实际呼吸的潮气量，根据潮气量调节压力期望值。
[0011]S4：采用基于蛙跳
‑
神经网络
‑
PID算法的压力控制算法进行流量控制。
[0012]进一步地，步骤S2中检测吸气
‑
呼气的过程具体包括：将流量传感器采集的通气管
路内的流量减去漏气量即可得到用户的真实呼吸流量，以该流量作为流量阈值触发条件；设置流量触发阈值为Pml/s，当呼吸机检测到用户呼吸流量大于P，则判定用户进行了一次吸气动作，当检测到用户呼吸流量小于
‑
P，则判定用户进行了呼气动作。
[0013]进一步地，步骤S3包括：
[0014]漏气量V
l
为：
[0015]其中，M、N分别为吸气和呼气的采样次数，q
i
为第i个采样周期的流量值。
[0016]实际呼吸的潮气量F(k)为：F(k)＝f(k)
‑
V
l
。
[0017]压力调节方式具体为：
[0018][0019]其中，F(k)为实际潮气量，Fs为预设潮气量，P为调整后的压力期望值，C为压力调整量， C<＝1cmH2O。
[0020]为保证用户通气安全，避免气压伤，吸气压力不得超过预设最大吸气压力Pmax。
[0021]进一步地，步骤S4包括：
[0022]S41：构建基于神经网络模糊PID控制模型。
[0023]PID系统在普通的模糊PID系统基础上结合RBF模糊神经网络，以实际输出与预设输出的差值和差值变化率作为输入，以参数K
p
、K
i
、K
d
作为输出，利用神经网络在线调整输出层取值等参数，实现PID控制器参数的自适应调整。
[0024]PID的整定参数如下：
[0025][0026]控制信号u为：
[0027]其中，K
p
、K
i
、K
d
分别为其比例积分微分的参数值，x1、x2、x3分别为压力偏差、偏差积分和偏差微分。
[0028]S42：构建神经网络模型：
[0029]具体步骤为：
[0030]S421：确定神经网络模型参数，包括：选择RBF模糊神经网络，网络层数选择为4层，包括输入层1层，输出层1层，中间层2层，输入参数2个，分别为压力值误差量以及误差变化量，输出参数3个，分别为K
p
、K
i
、K
d
。
[0031]S422：设定各层网络输入输出关系。
[0032]第一层：输入层。输入层的节点与输入的参数量之间直接建立联系，将
[0033]输入量传送到输入层。传输节点的输入和输出之间的关系式为：
[0034]f1(i)＝x
i
[0035]其中，i＝1,2
…
n。
[0036]节点数N1＝n，n为输入变量个数。
[0037]第二层：模糊化层，即隶属函数层。包括n个节点。输入和输出之间的关系式为：
[0038][0039]其中，x
i
为第i个输入变量，c
ij
、b
ij
分别为第i个输入变量的第j个模糊集合的隶属函数的中心和宽度。i＝1、2
…
n，j＝1、2
…
m
i
，m
i
为第i个输入变量x
i
的模糊分割数。
[0040]第二层节点数
[0041]第三层：模糊推理层。该层的各个节点可以与模糊化层建立连接，通过固定的模糊控制规则组合在一起，输出相应的数据，输出的数据具有一定的强度，其中的节点j的输出结果是本节点全部输入信号的总乘积。
[0042][0043]其中：第三层
[0044]第四层：输出层。各个节点收到的输入信号的加权总和为该节点的输出，表达如下：
[0045][0046]其中，l为输出层节点数，w为输出节点与第三层节点之间的连接权矩阵。
[0047]S43：基于蛙跳算法确定PID参数初始值
[0048]通过蛙跳算法获得初始PID参数的具体步骤如下：
[0049](1)参数初始化。确定K
p
、K
i
、K
d
的取值范本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取传感器数据并设定流量控制参数，包括读取压力传感器获取压力值p(k)，流量传感器测量值f(k)，设定最大吸气压力Pmax，最小吸气压力Pmin，呼气压力和潮气量；S2：呼吸触发检测，通过流量阈值触发方式对患者的呼吸状态进行识别，当呼吸机连续检测到三次吸气
‑
呼气的过程，则判定呼吸机已经戴好，进入工作状态；S3：根据呼吸状态确定压力期望值，根据流量传感器测量数据计算用户实际呼吸的潮气量，根据潮气量调节压力期望值；S4：采用基于蛙跳
‑
神经网络
‑
PID算法的压力控制算法进行流量控制。2.根据权利要求1所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，步骤S2中检测吸气
‑
呼气的过程具体包括：将流量传感器采集的通气管路内的流量减去漏气量即可得到用户的真实呼吸流量，以该流量作为流量阈值触发条件；设置流量触发阈值为Pml/s，当呼吸机检测到用户呼吸流量大于P，则判定用户进行了一次吸气动作，当检测到用户呼吸流量小于
‑
P，则判定用户进行了呼气动作。3.根据权利要求1所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，步骤S3中实际呼吸的潮气量的计算方法具体为：实际呼吸的潮气量F(k)为：F(k)＝f(k)
‑
V
l
；漏气量V
l
为：其中，M、N分别为吸气和呼气的采样次数，q
i
为第i个采样周期的流量值。4.根据权利要求3所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，压力调节方式具体为：其中，F(k)为实际潮气量，Fs为预设潮气量，P为调整后的压力期望值，C为压力调整量。5.根据权利要求1所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，步骤S4包括：S41：构建基于神经网络模糊PID控制模型；PID系统在普通的模糊PID系统基础上结合RBF模糊神经网络，以实际输出与预设输出的差值和差值变化率作为输入，以参数K
p
、K
i
、K
d
作为输出，利用神经网络在线调整输出层取值等参数，实现PID控制器参数的自适应调整；S42：构建神经网络模型；S43：基于蛙跳算法确定PID参数初始值；S44：结合步骤S43的PID初始值和步骤S41，S42构建的模型，对PID参数进行在线调整。6.根据权利要求5所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，所述步骤S41具体包括：PID的整定参数如下：
控制信号u为：其中，K
p
、K
i
、K
d
分别为其比例积分微分的参数值，x1、x2、x3分别为压力偏差、偏差积分和偏差微分。7.根据权利要求6所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，所述步骤S42具体包括：S421：确定神经网络模型参数，包括：选择RBF模糊神经网络，网络层数选择为4层，包括输入层1层，输出层1层，中间层2层，输入参数2个，分别为压力值误差量以及误差变化量，输出参数3个，分别为K
p
、K
i
、K
d
；S422：设定各层网络输入输出关系。8.根据权利要求7所述的基于睡眠状态的呼吸机流量控制方法，其特征在于，所述步骤S422具体包括：第一层：输入层，输入层的节点与输入的参数量之间直接建立联系，将输入量传送到输入层，传输节点的输入和输出之间的关系式为：f1(i)＝x
i
其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘哲，周磊，唐聪能，黄絮，徐德祥，粟锦平，
申请(专利权)人：湖南万脉医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：