一种胸腔引流装置及其控制方法与流程

本发明涉及胸腔引流
技术领域：
，更具体的是，本发明涉及一种胸腔引流装置及其控制方法。
背景技术：
：胸腔积液是临床上较为常见的病症，当患者胸腔积液量大时，患者会感到气急、胸闷甚至呼吸衰竭，危险系数很高，因此，需对胸腔积液进行充分引流。中国发明专利201810108765.5公开一种智能胸腔引流装置，其在引流瓶上设置有负压装置、用于与引流管连接的进液端，进液端上设置有流速控制机构，可基于积液增量及预设的引流量、引流时间对负压装置、流速控制机构的工作状态进行调控，实现定时引流、定量引流。但是该装置为单腔室引流，适合引流小量气胸，一般不能用于引流积液，因为随着引流瓶液面的增高，胸腔需要很大的压力才能排出液体，并且负压装置直接与引流瓶连接，则负压泵的负压力控制精度就会要求很高，稍有不慎就会拉伤肺。中国实用新型专利201620066802.7公开一种胸腔引流管流速调节装置，包括引流管和滚轴，在引流管的外表面套接有圆环形的管套，管套的弧面的中部留有通道，且通道的两侧壁的内腔中留有凹槽形成的螺旋轨道，通过螺旋轨道和滚轴的配合实现调节引流管内液体流速的功能。但是该装置只能手动调节流速，一般需要经验丰富的医护人员来调节，而对于家庭护理人员则很难实现有效调节，甚至可能出现调节失误的情况。而如果引流速度控制不佳，会导致患者引流后出现身体不适。技术实现要素：本发明的一个目的是设计开发了一种胸腔引流装置，采用三腔室引流腔，还能根据患者情况调节引流速度，提高胸腔引流安全性和舒适性。本发明的另一个目的是设计开发了一种胸腔引流装置的控制方法，能够采集患者生命体征，并基于bp神经网络确定引流参数，提高胸腔引流安全性。本发明还能根据引流参数精确控制连接管、压力调节管伸入液面的深度，以及调节气缸的活塞杆的伸出长度，实现患者胸腔的安全有效引流。本发明提供的技术方案为：一种胸腔引流装置，包括：支撑架，其为一侧开口的中空长方体结构；引流腔，其支撑设置在所述支撑架内，所述引流腔包括相互隔绝的第一腔室、第二腔室和第三腔室，且所述第二腔室和第三腔室内设置有去离子水；引流管，其与所述第一腔室连通；第一连接管，其一端设置在所述第一腔室内，另一端设置在所述第二腔室内，且位于液面一下；第二连接管，其两端分别连通所述第二腔室和第三腔室，且均位于液面以上；压力调节管，其一端设置在所述第三腔室内，且位于液面一下，另一端伸出所述第三腔室，并与大气连通；第一进液管，其与所述第二腔室连通；第二进液管，其与所述第三腔室连通；水箱，其固定设置在所述支撑架顶面上，并分别与所述第一进液管、第二进液管通过调节阀连通，用于为所述第二腔室、第三腔室补液；负压管，其一端设置在所述第三腔室内，且位于液面以上，另一端与附压装置连通；流速调节装置，其固定设置在所述支撑架顶面上，用于所述引流管穿过，调节所述引流管的流速。优选的是，所述流速调节装置包括：第一侧板和第二侧板，其为矩形，且平行间隔设置；连接板，其垂直设置在所述第一侧板和第二侧板径向同侧，并与所述第一侧板和第二侧板一体成型连接；固定板，其垂直可滑动设置在所述第一侧板和第二侧板径向另一侧，用于置入和取出所述引流管；滑槽，其倾斜设置在所述第一侧板上；转轴，其设置在所述第一侧板和所述第二侧板之间，且一端穿出所述滑槽；调节块，其为圆柱形，且同轴固定设套设在位于所述第一侧板和所述第二侧板之间的所述转轴上，并能够沿所述滑槽轴向运动，用于调节所述引流管流速；调节气缸，其缸体一端固定设置在所述第一侧板上，且所述转轴可旋转穿过所述调节气缸的活塞杆一端，所述调节气缸驱动所述转轴沿所述滑槽轴向运动。优选的是，所述滴速调节装置还包括：滑道，其倾斜设置在所述第一侧板的内侧面上；齿条，其设置在所述滑道的侧面上；齿轮，其设置在所述滑道上，且与所述齿条啮合；其中，所述滑道与所述滑槽平行；所述齿轮同轴固定套设在所述转轴上。优选的是，还包括：第一出液管，其一端通过第一电磁调节阀与所述水箱连通，另一端设置有第一圆环形凸起，用于与所述第一进液管配合连接；第二出液管，其一端通过第二电磁调节阀与所述水箱连通，另一端设置有第二圆环形凸起，用于与所述第二进液管配合连接。优选的是，还包括：挡板，其设置在所述支撑架开口侧，且一端与所述支撑架底部铰接，另一端与所述支撑架可拆卸连接，用于遮挡所述引流腔；第一通槽，其为矩形，且设置在所述支撑架顶部一侧，用于容纳所述引流管；第二通槽，其为矩形，且设置在所述支撑架的侧面上部，用于容纳所述负压管。优选的是，还包括：多个液位传感器，其设置在靠近所述第二腔室和第三腔室的所述支撑架侧内侧壁上，用于检测第二腔室和第三腔室内的液位；心率检测手环，其套戴在患者手腕处，用于检测患者心率；呼吸传感器，其夹持在患者手指上，用于检测患者呼吸速率；控制器，其与所述液位传感器、心率检测手环、呼吸传感器、第一电磁调节阀、第二电磁调节阀和调节气缸连接，用于接收所述液位传感器、心率检测手环和呼吸传感器的检测数据，并控制所述第一电磁调节阀、第二电磁阀和调节气缸工作。一种胸腔引流装置的控制方法，采集患者生命体征，并基于bp神经网络确定引流参数，具体包括如下步骤：步骤一、输入患者年龄和肺活量，并通过传感器测量患者呼吸速率和心率；步骤二、确定三层bp神经网络的输入层神经元向量x＝{x1,x2,x3,x4}；其中，x1为患者年龄，x2为患者肺活量，x3为患者呼吸速率，x4为患者心率；步骤三、所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为m个；步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o1，o2，o3}；其中，o1为引流管流速，o2为胸膜腔压力阈值，o3为胸腔内压阈值。优选的是，根据胸膜腔压力阈值ppc确定第一连接管另一端伸入液面深度hs：式中，pw为水的密度，g为重力加速度；开启第一电磁调节阀，向第二腔室内补液，直至第一连接管另一端伸入液面深度为hs。优选的是，根据胸腔内压阈值ptc确定压力调节管伸入液面深度hn：开启第二电磁电磁阀，向第三腔室内补液，直至压力调节管伸入液面深度为hn。优选的是，根据引流管流速确定调节气缸的活塞杆的伸出长度满足：其中，l为调节气缸的活塞杆的伸出长度，r为引流管的半径，y为调节块的厚度，v为引流管的流速，vmax为引流管的最大流速，vmin为引流管的最小流速，d0为引流管处于最小流速时平行靠近固定板的限位块的切平面与固定板的距离，lmax为引流管处于最大流速时活塞杆的伸出长度，lmin为引流管处于最小流速时活塞杆的伸出长度。本发明所述的有益效果：(1)本发明设计开发的胸腔引流装置，采用三腔室引流腔，还能根据患者情况调节引流速度，提高胸腔引流安全性和舒适性。(2)本发明设计开发的胸腔引流装置的控制方法，能够采集患者生命体征，并基于bp神经网络确定引流参数，并根据引流参数精确控制连接管、压力调节管伸入液面的深度，以及调节气缸的活塞杆的伸出长度，实现患者胸腔的安全有效引流。附图说明图1为本发明所述胸腔引流装置的结构示意图。图2为本发明所述胸腔引流装置的结构示意图。图3为本发明所述胸腔引流装置的结构示意图。图4为本发明所述胸腔引流装置的剖视结构示意图。图5为本发明所述胸腔引流装置的流速调节装置处的结构示意图。图6为本发明所述胸腔引流装置的流速调节装置处的结构示意图。图7为本发明所述胸腔引流装置的流速调节装置处的结构示意图。附图标记说明100.支撑架；111.第一腔室；112.第二腔室；113.第三腔室113；1111.引流管；1121.第一连接管；1122.第一进液管；1131.第二连接管；1132.压力调节管；1133.第二进液管；1134.负压管；120.水箱；121.第一出液管；122.第一电磁调节阀；123.第一圆环形凸起；124.第二出液管；125.第二电磁调节阀；126.第二圆环形凸起；130.流速调节装置；131.第一侧板；132.第二侧板；133a.连接板；133b.固定板；1331.滑轨；1332.滑块；1333.凹槽；134.滑槽；135.转轴；136.调节块；137.滑道；138.齿条；139.齿轮；140.挡板；150.第一通槽；160.第二通槽；200.调节气缸；210.活塞杆。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。如图1-4所示，本发明提供一种胸腔引流装置，包括：支撑架100，其为一侧开口的中空长方体结构。在支撑架100内支撑设置有引流腔110，其包括相互隔绝的第一腔室111、第二腔室112和第三腔室113，且所述的第二腔室112和第三腔室113内设置有去离子水。与第一腔室111连通设置有引流管1111，用于与患者胸腔连通，将胸腔积液引流至第一腔室内。连通第一腔室111和第二腔室112设置有第一连接管1121，其一端设置在第一腔室111内，另一端设置在第二腔室112内，且位于液面一下，起到调压的作用。连通第二腔室112和第三腔室113设置有第二连接管1131，其一端设置在第二腔室112内，另一端设置在第三腔室113内，且均位于液面以上。压力调节管1132，其一端设置在第三腔室113内，且位于液面一下，另一端伸出第三腔室113，并与大气连通，用于调节第三腔室113内的负压大小。与第二腔室112连通设置有第一进液管1122。与第三腔室113连通设置有第二进液管1133，用于为第二腔室112和第三腔室113内补液，进而调节第一连接管1121和压力调节管1132深入液面以下的深度，进而调节对应的保护压力，使得引流过程更架安全。与第三腔室113连通设置有负压管1134，其一端设置在第三腔室113内，另一端伸出第三腔室113，并与负压装置连通，用于为第三腔室113提供负压。需要说明的是，引流腔110为一次性引流腔，用完即扔掉销毁，下次使用新的引流腔，而支撑架100可以一直使用，新的引流腔与支撑架100对应配合，即可以实现引流操作。在支撑架100顶面上固定设置有水箱120，其分别与第一进液管1122、第二进液管1133通过调节阀连通，当对应调节阀开启时，水箱能够为第二腔室112或第三腔室113补液，当调节阀关闭时，水箱120停止补液。与水箱连通设置有第一出液管121，其一端通过第一电磁调节阀122与水箱120连通，另一端设置有第一圆环形凸起123，其外径等于第一进液管1122的内径，使得第一出液管121能够与第一进液管1122紧密配合，避免液体泄漏。与水箱120连通还设置有第二出液管124，其一端通过第二电磁调节阀125与水箱120连通，另一端设置有第二圆环形凸起126，其外径等于第二进液管1133的内径，使得第二出液管124能够与第二进液管1133紧密配合，避免液体泄漏。电磁调节阀的使用，能够电控其开启和关闭。在支撑架100的顶面一侧设置有流速调节装置130，用于引流管1111穿过，并调节引流管1111的流速。如图5-7所示，所述的流速调节装置130包括第一侧板131和第二侧板132，其为矩形，且平行间隔设置；在第一侧板131和第二侧板132的径向同侧垂直固定设置有连接板133a，且一体成型，径向另一侧垂直可滑动设置有固定板133b，用于置入和取出引流管1111，具体的是在第一侧板131和第二侧板132的径向另一侧的对应位置设置有滑轨1331，在固定板133b的径向两侧设置有滑块1332，且滑块1332的相对侧面设置有与滑轨1331对应的凹槽1333，使得固定板133b能够沿第一侧板131轴向滑动。使用时，将固定板133b滑下，将引流管1111置入第一侧板131和第二侧板132之间，再滑上固定板133b，进而实现引流管1111的流速的调节。在第一侧板131上倾斜设置有滑槽134，在第一侧板131和第二侧板132之间设置有转轴135，且转轴135的一端穿出滑槽134。在位于第一侧板131和第二侧板132之间的转轴135上同轴固定套设有调节块136，其为圆柱形，并能够在转轴135的带动下沿滑槽134轴向运动，用于调节引流管1111流速。在第一侧板131上固定设置有调节气缸200，其缸体一端固定设置在第一侧板131上，且转轴135可旋转穿过调节气缸200的活塞杆210一端，通过活塞杆210的伸出和收回，驱动转轴135进而带动调节块136沿滑槽134轴向运动，完成对引流管1111的挤压，实现对引流管111流速的调节。作为本发明的另一实施例，所述的滴速调节装置130还包括：滑道137，其倾斜设置在第一侧板131的内侧面上；在滑道137的侧面上设置有齿条138，在滑道137上设置有齿轮139，其与齿条138啮合。所述的滑道137与滑槽134平行，且齿轮139同轴固定套设在转轴135上。通过活塞杆210驱动转轴135沿滑槽134轴向运动，进而驱动齿轮139沿滑道137与齿条138啮合运动，使得调节块136在沿滑槽134轴向运动时更加稳定，不会出现位置漂移的现象，使得引流管1111的流速调节更加稳定。在支撑架100的开口侧设置有挡板140，其一端与支撑架100底部铰接，另一端与支撑架100可拆卸连接，用于遮挡引流腔于支撑架100内。可通过挂钩等装置可拆卸连接，该结构为现有技术中的常用结构，其具体结构再此不做赘述在支撑架100顶部与流速调节装置130对应处设置有第一通槽150，其为矩形，用于容纳引流管1111。在支撑架100的侧面上部设置有第二通槽160，其为矩形，用于容纳负压管1134。本实施例中，还包括：多个液位传感器，其设置在靠近第二腔室112和第三腔室113的支撑架100侧内侧壁上，用于检测第二腔室112和第三腔室113内的液位；心率检测手环，其套戴在患者手腕处，用于检测患者心率；呼吸传感器，其夹持在患者手指上，用于检测患者呼吸速率；控制器，其与液位传感器、心率检测手环、呼吸传感器、第一电磁调节阀、第二电磁调节阀和调节气缸连接，用于接收液位传感器、心率检测手环和呼吸传感器的检测数据，并控制第一电磁调节阀、第二电磁阀和调节气缸工作。本发明设计开发的胸腔引流装置，采用三腔室引流腔，还能根据患者情况调节引流速度，提高胸腔引流安全性和舒适性。本发明还提供一种胸腔引流装置的控制方法，采集患者生命体征，并基于bp神经网络确定引流参数，具体包括如下步骤：步骤一、建立bp神经网络模型。bp模型上各层次的神经元之间形成全互连连接，各层次内的神经元之间没有连接，输入层神经元的输出与输入相同，即oi＝xi。中间隐含层和输出层的神经元的操作特性为opj＝fj(netpj)其中p表示当前的输入样本，ωji为从神经元i到神经元j的连接权值，opi为神经元j的当前输入，opj为其输出；fj为非线性可微非递减函数，一般取为s型函数，即fj{x)＝1/(1+e-x)。本发明采用的bp网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。该网络的数学模型为：输入向量：x＝(x1，x2，...，xn)t中间层向量：y＝(y1，y2，...，ym)t输出向量：o＝(o1，o2，...，op)t本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为p＝3，隐藏层节点数m＝4。输入层4个参数分别表示为：x1为患者年龄，x2为患者肺活量，x3为患者呼吸速率，x4为患者心率；输出层3个参数分别表示为：o1为引流管流速，o2为胸膜腔压力阈值(最大压力)，o3为胸腔内压阈值(最大压力)。步骤二、进行bp神经网络的训练。建立好bp神经网络节点模型后，即可进行bp神经网络的训练。根据历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值。(1)训练方法各子网采用单独训练的方法；训练时，首先要提供一组训练样本，其中的每一个样本由输入样本和理想输出对组成，当网络的所有实际输出与其理想输出一致时，表明训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出与实际输出一致。(2)训练算法bp网络采用误差反向传播(backwardpropagation)算法进行训练，其步骤可归纳如下：第一步：选定一结构合理的网络，设置所有节点阈值和连接权值的初值。第二步：对每个输入样本作如下计算：(a)前向计算：对l层的j单元式中，为第n次计算时l层的j单元信息加权和，为l层的j单元与前一层(即l-1层)的单元i之间的连接权值，为前一层(即l-1层，节点数为nl-1)的单元i送来的工作信号；i＝0时，令为l层的j单元的阈值。若单元j的激活函数为sigmoid函数，则且若神经元j属于第一隐层(l＝1)，则有若神经元j属于输出层(l＝l)，则有且ej(n)＝xj(n)-oj(n)；(b)反向计算误差：对于输出单元对隐单元(c)修正权值：η为学习速率。第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。bp算法采用梯度下降法求非线性函数极值，存在陷入局部极小以及收敛速度慢等问题。更为有效的一种算法是levenberg-marquardt优化算法，它使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为δω＝(jtj+μi)-1jte其中j为误差对权值微分的雅可比(jacobian)矩阵，i为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。在系统设计时，系统模型是一个仅经过初始化了的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了系统的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，系统可以进行自学习，以不断完善网络性能。步骤三、根据胸膜腔压力阈值ppc确定第一连接管另一端伸入液面深度hs：式中，ρw为水的密度，g为重力加速度；开启第一电磁调节阀，向第二腔室内补液，直至第一连接管另一端伸入液面深度为hs。根据胸腔内压阈值ptc确定压力调节管伸入液面深度hn：开启第二电磁电磁阀，向第三腔室内补液，直至压力调节管伸入液面深度为hn。根据引流管流速确定调节气缸的活塞杆的伸出长度满足：其中，l为调节气缸的活塞杆的伸出长度，r为引流管的半径，y为调节块的厚度，v为引流管的流速，vmax为引流管的最大流速，vmin为引流管的最小流速，d0为引流管处于最小流速时平行靠近固定板的限位块的切平面与固定板的距离，lmax为引流管处于最大流速时活塞杆的伸出长度，lmin为引流管处于最小流速时活塞杆的伸出长度。下面结合具体的实施例进一步的对本发明提供的胸腔引流装置的控制方法进行说明。选取15名不同患者进胸腔引流操作，其中10位采用本发明的胸腔引流装置引流，剩余5位采用普通引流装置引流，患者生命体征如表1所示。表1患者生命体征序号年龄肺活量(ml)心率(次/min)呼吸速率(次/min)135350072162422800661734816008518426520076165513300722065530007815745370067188621200801796529006217102248008816113538006715124220007320134825007518142842007919155130006816序号1-10的采用本发明提供的胸腔引流装置和引流方法进行引流，序号11-15的采用普通装置引流，对引流过程中和结束后的身体状态进行记录，具体结果如表2所示。表2引流结果记录由表2可知，采用本发明提供的胸腔引流装置和引流方法进行引流的，只有极少数在引流开始时稍有不适，而在引流过程中，引流结构以及引流结束半个小时后基本无不适现象，而采用普通的引流装置，由于引流流速、负压控制不佳，有很大程度上可能导致患者出现不适现象。本发明设计开发的胸腔引流装置的控制方法，能够采集患者生命体征，并基于bp神经网络确定引流参数，并根据引流参数精确控制连接管、压力调节管伸入液面的深度，以及调节气缸的活塞杆的伸出长度，实现患者胸腔的安全舒适的有效引流。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12