一种实时反馈多模式氧控制系统的制作方法

本发明涉及医学实验领域，具体涉及一种实时反馈多模式氧控制系统。

背景技术：

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)以患者睡眠中反复发生上气道完全和(或)不完全阻塞导致呼吸暂停或低通气为特征，其关键的病理生理环节为慢性间歇低氧(chronic intermittent hypoxia，CIH)。因其对心脑血管等系统的损害而逐渐受到人们关注，且成为近年来研究的热点问题之一。建立理想的OSAHS动物模型存在很大难度，因此实际研究中大多应用睡眠呼吸暂停模式的间歇低氧动物模型，模拟周期性缺氧再氧合过程，以研究OSAHS的多系统损害。实现慢性间歇低氧(CIH)的方式主要为间歇吸入低氧混合气体与间歇通气阻断法。其中前者是目前应用最广的CIH模型。上述模型的原理是通过各种方法实现动物体内SaO₂周期性降低和恢复，从而模拟OSAHS病人体内的慢性间歇低氧过程。根据供氧方式不同，目前建立慢性间歇低氧动物实验模型的实验装置有不同类型:①往复运动式低氧舱，是低氧舱在动物舱之间往复运动，使动物舱间歇进入低氧环境，可基本模拟反复缺氧－复氧的病理生理特征，但对设备要求高，操作复杂，且不能排除反复移动动物对实验产生的影响；②低压低氧舱，通过改变氧舱升降速率模拟不同的海拔高度，产生不同的压力和氧浓度，从而达到低氧－复氧的效果，对设备的要求较高，不能准确反映常压下缺氧的情况；③低O₂高CO₂箱，采用单片机技术和反馈原理，自动调节氧舱内O₂、CO₂浓度，建立低氧和CO₂潴留模型，不能排除CO₂在低氧－复氧机制研究中的干扰作用；④低氧混合气体舱，亦是采用单片机技术和反馈原理，自动调节氧舱内O₂浓度，通过间歇提供低氧混合气体及常氧气体，模拟间歇低氧过程，同时通过快速换气或在舱体内放置石灰石吸附CO₂维持舱体内CO₂保持在低水平。

上述装置均可通过计算机程序自动控制可根据需要快速方便地调节低氧的程度、频率以及持续时间等参数，满足不同程度及不同持续时间CIH的要求，但上述装置仍存在一定缺点，如：

(1)单面进气、快速间歇给予低氧气体可能引起舱内氧浓度分布不均导致每只动物体内缺氧程度不一致，供气装置缺陷导致缺氧复氧过程舱体内压力变化大，不能模拟常压实验状态；

(2)缺乏对每只实验动物SaO2的长期实时监测，不能明确是否造模成功；

(3)由于动物舱体及气体控制装置的限制，每次只能进行同一组实验组造模，时间成本高；

(4)更关键的是上述实验装置均是通过检测舱体内氧浓度作为评判低氧程度的指标，并通过舱体内氧浓度反馈调节供氧浓度，但舱体内氧浓度并不能代表动物体内的实际氧合情况，机体血氧饱和度主要取决于动脉血样分压，受肺泡通气量、供氧浓度等多因素影响，舱体内氧浓度不均匀、动物个体差异等因素均可导致动物体内氧合程度不同，使同组实验结果产生误差，故使用舱体内氧浓度作为评估实验动物缺氧程度并不符合生理要求。

技术实现要素：

综上所述，为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种实时反馈多模式氧控制系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种实时反馈多模式氧控制系统，包括压缩氧气瓶、压缩氮气瓶、压缩空气瓶、动物舱体和单片机控制系统，所述单片机控制系统包括计算机、单片机主机、压力传感器、氧浓度传感器、血氧饱和度探头以及数据处理模块，在动物舱体内设置有氧浓度传感器和压力传感器，所述动物舱体内的每一只实验动物身上均绑定血氧饱和度探头，所述血氧饱和度探头、压力传感器和氧浓度传感器通过数据线连接所述单片机控制系统的数据处理模块；所述数据处理模块用于接收、处理及转换采集到的动物舱体内的气压、氧浓度和血氧饱和度原始数据，并将转换过后的数据输送给单片机主机进行反馈调节，同时再经单片机输送到计算机经计算机显示屏显示出来进行实时监测；

所述压缩氧气瓶的出口通过氧气管、所述压缩氮气瓶的出口通过氮气管以及所述压缩空气瓶通过空气管汇集到进气管，所述进气管再分成五个不同支路管分别向所述动物舱体内提供气体；

在所述氧气管上设有控制氧气进入到所述动物舱体内的第一气体控制装置，在所述所述氮气管上设有控制氮气进入到所述动物舱体内的第二气体控制装置，在所述空气管上设有控制空气进入到所述动物舱体内的第三气体控制装置，所述单片机控制系统通过所述第一气体控制装置、第二气体控制装置和第三气体控制装置来分别控制从所述压缩氧气瓶、所述压缩氮气瓶和所述压缩空气瓶输送至所述动物舱体内相应的气体流量，并且所述单片机控制系统可以通过调节所述第一气体控制装置、所述第二气体控制装置和第三气体控制装置使动物舱体内实现间歇低氧模式、持续低氧模式、常氧模式或者持续高氧模式的供氧模式，从而实现在不同供氧环境下对所述动物舱体内的动物进行不同的医学实验。

本发明的有益效果是：该控制系统使用动物体内血氧饱和度、动物舱体内氧浓度及气压作为反馈信息，通过计算机向单片机设定所需的不同程度的血氧饱和度或氧浓度及持续时间并输入单片机控制系统中的单片机控制程序，从而调节各气体进入到动物舱体内的气体流量，使动物舱体内迅速达到所需供氧环境，同时通过多点多面供气使动物舱体内氧浓度迅速均匀分布，进而使动物体内血氧饱和度尽可能保持拟合并维持在预设范围，模拟不同的供氧环境进行医学实验，同时可实时监测动物体内的实际氧合情况。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下进一步的改进：

进一步，所述第一气体控制装置包括第一气体流量计、第一电磁阀和第一定时器，所述第一气体流量计入口连接所述压缩氧气瓶的出口，所述第一气体流量计出口通过所述第一电磁阀连接所述氧气管，在所述第一电磁阀上设有定时控制其开启或者关闭的所述第一定时器，所述单片机控制系统通过控制所述第一定时器定时开关所述第一电磁阀；

所述第二气体控制装置包括第二气体流量计、第二电磁阀和第二定时器，所述第二气体流量计入口连接所述压缩氮气瓶的出口，所述第二气体流量计出口通过所述第二电磁阀连接所述氮气管，在所述第二电磁阀上设有定时控制其开启或者关闭的所述第二定时器，所述单片机控制系统通过控制所述第二定时器定时开关所述第二电磁阀；

所述第三气体控制装置包括第三气体流量计和第三电磁阀，所述第三气体流量计出口通过所述第三电磁阀连接所述空气管。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：通过相应的气体控制装置调节输入动物舱体内相应气体的输入流量，从而实现向动物舱体提供不同的供氧浓度，最终模拟不同的供氧环境进行医学实验。

进一步，所述动物舱体为方体结构，五个所述支路分别从所述动物舱体的四个侧面以及顶面连通到动物舱体内。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：多面供气使气体在动物舱体内迅速均匀分布。

进一步，所述动物舱体的底面可抽拉出动物舱体外，在所述动物舱体的一侧设有用于对其内部进行操作的窗口。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：便于对动物舱体内部的清理和操作。

进一步，在所述动物舱体的一侧设有用于排出其内部气体的出气口，所述出气口通过管道连接排气流量计和排气电磁阀。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：使所述动物舱体内的气压始终保持在常压状态。

进一步，所述动物舱体内放置有用于吸附二氧化碳的碳酸钙。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：维持动物舱体内CO₂在低水平，排除动物舱体内高CO₂对实验的影响。

进一步，所述动物舱体设有多个，并且与所述动物舱体一一对应的设有第一气体控制装置、第二气体控制装置以及第三气体控制装置。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：每一动物舱体进行一组动物实验，可同时进行多组同一实验参数的动物实验，亦可同时进行多组不同实验参数的动物实验。

进一步，所述单片机控制系统还包括血氧饱和度报警装置，所述计算机可设置所述报警装置的报警值。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：避免因个体差异导致个别动物严重缺氧死亡。

进一步，所述单片机控制系统还包括分别用于检测并显示所述第一电磁阀、第二电磁阀以及第三电磁阀开启或者关闭的指示灯。

采用上述进一步技术方案的有益效益是：通过观察相应指示灯的关闭状态，实时监测动物舱体内氧气、氮气和空气供气状态。

附图说明

图1为本发明的连接示意图(一个动物舱体，并除去单片机控制系统)；

图2为本发明原理控制框图(两个动物舱体)。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、压缩氧气瓶，2、压缩氮气瓶，3、压缩空气瓶，4、动物舱体，5、第一气体流量计，6、第一定时器，7、第一电磁阀，8、氧气管，9、第二气体流量计，10、第二定时器，11、第二电磁阀，12、氮气管，13、第三气体流量计，14、第三电磁阀，15、空气管，16、进气管，18、出气口，17、排气流量计，19、排气电磁阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种实时反馈多模式氧控制系统，包括压缩氧气瓶1、压缩氮气瓶2、压缩空气瓶3、动物舱体4和单片机控制系统，所述单片机控制系统包括计算机、单片机主机、压力传感器、氧浓度传感器、血氧饱和度探头以及数据处理模块，在动物舱体4内设置有氧浓度传感器和压力传感器，所述动物舱体4内的每一只实验动物身上均绑定血氧饱和度探头，所述血氧饱和度探头、压力传感器和氧浓度传感器通过数据线连接所述单片机控制系统的数据处理模块；所述数据处理模块用于接收、处理及转换采集到的压力、氧浓度和血氧饱和度原始数据，并将转换过后的数据输送给单片机主机进行反馈调节，同时再经单片机输送到计算机经计算机显示屏实时显示出来。

所述动物舱体4内放置有用于吸附二氧化碳的碳酸钙，通过碳酸钙吸收一部分CO₂后维持动物舱体4内CO₂在低水平，排除动物舱体4内高CO₂对实验的影响。

所述压缩氧气瓶1的出口通过氧气管8、所述压缩氮气瓶的2出口通过氮气管12以及所述压缩空气瓶3通过空气管15汇集到进气管16，所述进气管16再分成五个不同支路管分别向所述动物舱体4内提供气体。所述动物舱体4为方体结构，五个所述支路分别从所述动物舱体4的四个侧面以及顶面连通到动物舱体4内。所述动物舱体4的底面可抽拉出动物舱体4外，在所述动物舱体4的一侧设有用于对其内部进行操作的窗口。在所述动物舱体4的一侧设有用于排出其内部气体的出气口18，所述出气口18通过管道连接排气流量计17和排气电磁阀19，所述单片机控制系统通过调节及控制所述排气流量计17和排气电磁阀19控制排出气体流量，进而使所述动物舱体4内的气压始终保持在常压状态。如图2所示，根据实际需要，所述动物舱体4设有一个或者多个，并且与所述动物舱体4一一对应的设有第一气体控制装置、第二气体控制装置以及第三气体控制装置。通过单片机程序设置进行不同供氧环境的动物实验，可同时进行一组或多组动物实验。

在所述氧气管8上设有控制氧气进入到所述动物舱体4内的第一气体控制装置，在所述氮气管12上设有控制氮气进入到所述动物舱体4内的第二气体控制装置，在所述空气管15上设有控制空气进入到所述动物舱体4内的第三气体控制装置。第一气体控制装置、第二气体控制装置和第三气体控制装置具体如下：

所述第一气体控制装置包括第一气体流量计5、第一定时器6和第一电磁阀7，所述第一气体流量计5入口连接所述压缩氧气瓶1的出口，所述第一气体流量计5出口通过所述第一电磁阀7连接所述氧气管8，在所述第一电磁阀7上设有定时控制其开启或者关闭的所述第一定时器6，所述单片机控制系统通过控制所述第一定时器6定时开关所述第一电磁阀7；

所述第二气体控制装置包括第二气体流量计9、第二定时器10和第二电磁阀11，所述第二气体流量计9入口连接所述压缩氮气瓶2的出口，所述第二气体流量计9出口通过所述第二电磁阀11连接所述氮气管12，在所述第二电磁阀11上设有定时控制其开启或者关闭的所述第二定时器10，所述单片机控制系统通过控制所述第二定时器10定时开关所述第二电磁阀11；

所述第三气体控制装置包括第三气体流量13计和第三电磁阀14，所述第三气体流量计13出口通过所述第三电磁阀14连接所述空气管15。

所述单片机控制系统通过所述第一气体控制装置、第二气体控制装置和第三气体控制装置来分别控制从所述压缩氧气瓶1、所述压缩氮气瓶2和所述压缩空气瓶3输送至所述动物舱体4内相应的气体流量，并且所述单片机控制系统通过调节所述第一气体控制装置、所述第二气体控制装置、所述第三气体控制装置可以使动物舱体4内的环境变为间歇低氧、持续低氧、常氧或者持续高氧的多种供氧环境，从而实现在不同供氧环境下对所述动物舱体4内的动物进行医学实验。所述单片机控制系统还包括分别用于检测并显示所述第一电磁阀7、第二电磁阀11以及第三电磁阀14开启或者关闭的指示灯，通过观察相应指示灯的关闭状态，实时监测动物舱体内氧气、氮气和空气供气状态，当相应的指示灯亮起时，表示对应的电磁阀为开启状态，即对应的气体正向动物舱体内供气。

该控制系统经过单片机控制系统的PLC程序进行编程，可对各种气体流量及时间进行控制，可执行间歇低氧模式、常氧模式、持续低氧模式、高氧模式的多种工作模式，下面分别说明：

(一)间歇低氧模式实施举例：

实验预设：单片机控制系统预设该实验组动物舱体4内动物的血氧饱和度目标值范围为82％-85％，控制氮气供给的第二定时器10工作时间为30s，间歇时间为40s，即低氧间歇为30s，常氧间歇为40s。

实施方案：

①通过单片机控制系统关闭控制氧气控供给的第一定时器6，并设定血氧饱和度目标值范围为82％-85％，控制氮气供给的第二定时器10工作时间为30s，间歇时间为40s------参数设置；

②启动单片机控制系统的间歇低氧模式程序后，控制氮气供给的第二定时器10和第二电磁阀11打开，迅速向动物舱体4内输送氮气，同时排气电磁阀19亦打开，单片机控制系统根据动物身上的血氧饱和度检探头检测到的数据及氧浓度传感器检测到的数据调节控制氮气供给的第二气体流量计9，从而控制输入动物舱体4内的氮气流量，根据动物舱体4内压力传感器检测到的数据调节排气流量，以维持动物舱体4内压力不变，使动物舱体4内氧浓度迅速下降，以最快的速度使动物舱体4内各动物的血氧饱和度下降至预设范围，并尽可能保持拟合-------此为氮气输送环节，即实现低氧过程；

③当动物舱体4内动物血氧饱和度下降至预设水平，并趋于拟合后控制氮气供给的第二电磁阀11及排气电磁阀19关闭，维持动物舱体4内低氧状态30s------低氧维持阶段，即低氧间歇；

④达到30s后控制氮气供给的第二定时器10自动关闭，同时控制氮气供给的第二电磁阀11亦自动关闭，此时控制氧气供给的第一电磁阀7及排气电磁阀19自动开放，开始向动物舱体4内输送氧气，以最快的速度使动物舱体4内氧浓度恢复至常氧状态，使动物血氧饱和度恢复至正常水平------复氧过程；

⑤当动物舱体4内氧气浓度达到常氧状态后控制氧气供给的第一电磁阀7自动关闭，控制空气供给的第三电磁阀14开放，开始向动物舱体4内输送空气，维持动物舱体4内常氧状态，直到控制氮气供给的第二定时器10间歇时间达40s后重新开放------常氧维持阶段，即常氧间歇；

⑥此时控制氮气供给的第二电磁阀11及排气电磁阀19再次开放，再次向动物舱体4内输送氮气，如此反复，重复输送氮气-氧气-空气，以达到低氧-复氧-常氧的循环-----第二次循环。

另外，如果有多个动物舱体4，每一个动物舱体4工作方式均受单片机控制系统的独立控制，可执行不同的实验参数，如另外动物舱体4要求预设血氧饱和度目标值为65％-68％％，控制氮气供给的第二定时器10的工作时间为40s，间歇时间为50s，而通过单片机程序设计，可发送不同的实验参数指令，对不同的动物舱体4同时执行不同的实验参数，即同时进行多组实验参数不同的动物实验。

(二)常氧模式

最简单，除了空气控制电磁阀及排气电磁阀外其他开关均关闭，持续往舱体内输送空气，可作为实验对照组模式。

(三)持续低氧模式

实验预设：预设动物舱体4内动物血氧饱和度目标值范围为70％-73％，低氧持续时间为3h。

实施方案：

①通过单片机控制系统关闭控制氧气供给的第一定时器6，设定预设血氧饱和度目标值范围为70％-73％，并设置控制氮气供给的第二定时器10的工作时间为3h-----参数设置；

②启动单片机控制系统的持续低氧模式程序后，控制氮气供给的第二电磁阀11和第二定时器10同时开放，开始向动物舱体4内输送氮气，动物舱体4内氧浓度迅速下降，以使动物血氧饱和度迅速达到预设范围，并尽可能趋于拟合，同时排气电磁阀19亦开放，以维持动物舱体4内压力稳定并维持在常压状态------实现低氧过程；

③此时控制氧气供给的第一电磁阀7开放，同时向动物舱体4内输送氧气和氮气，单片机控制系统根据动物舱体4内氧浓度及动物的血氧饱和度调节氧气和氮气的输送流量，使动物舱体4内动物的血氧饱和度始终维持在预设水平，直到控制氮气供给的第二定时器10的工作时间达到3h后系统自动关闭------低氧维持阶段。

(四)持续高氧模式

实验预设：舱体内氧浓度为80％，高氧维持时间为3h

实施方案：

①通过单片机控制系统的程序关闭控制氮气供给的第二定时器10，并设定预设氧浓度为80％，设定控制氧气供给的第一定时器6的工作时间为3h-----参数设置；

②启动单片机控制系统的持续高氧模式程序后，控制氧气供给的第一电磁阀7及排气电磁阀19开放，开始向动物舱体4内输送氧气，使动物舱体4内氧浓度迅速达到预设水平，同时排气电磁阀19开放，以维持动物舱体4内压力稳定并维持在常压状态-----实现高氧过程；

③此时控制氮气供给的第二电磁阀11打开，同时向动物舱体4内输送氮气和氧气，单片机控制程序根据动物舱体4内氧浓度调节氧气和氮气的输送流量，使动物舱体4内氧浓度始终维持在预设水平，直到控制氧气供给的第一定时器6的工作时间达到3h后系统自动关闭-----高氧维持阶段。

综上所述，该系统具有如下优点：

1、快速间歇给予低氧气体可能引起舱内氧浓度分布不均导致每只动物体内缺氧程度不一致，通过对供气管道及动物舱体的改进，实现多面多点供气，使舱体内气体迅速分布均匀，同时使用血氧饱和度和氧浓度作为反馈信息，反馈至单片机控制系统，根据预设血氧饱和度或氧浓度水平进行供气流量调节，使同一动物舱体内同组实验动物的血氧饱和度趋于拟合，并保持在预设范围，减少同组实验误差；

2、快速间歇供氧导致舱体内气压不稳定，通过压力传感器反馈及排气电磁阀的调节，使舱体内压力始终保持在常压状态；

3、缺乏对每只实验动物SaO₂的长期实时监测，不能明确是否造模成功，该系统以血氧饱和度作为实时反馈信息，展现动物体内的实际氧合情况，比检测舱体内氧浓度进行缺氧程度评估更准确，并可即时明确造模是否成功；

4、由于动物舱体及气体控制装置的限制，每次只能进行同一组实验组造模，时间成本高，该系统通过对实验舱体、气体控制装置、PLC程序编程等多方面改进，通过设定不同程度的血氧饱和度或氧浓度及持续时间，可实现多种模式的供气要求，不同动物舱体可同时进行一组相同实验参数的动物实验，亦可同时进行不同实验参数的多组动物实验，缩短造模时间，节约时间成本；

5、单片机控制系统的PLC控制程序可设置血氧饱和度报警装置，可设定不同范围的报警值，避免因个体差异导致个别动物严重缺氧死亡。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。